Numerical study of pump-turbine instabilities : pumping mode off-design conditions

par Uroš Ješe

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides, procédés, énergétique

Sous la direction de Regiane Fortes-Patella et de Matevž Dular.

Le président du jury était Stéphane Aubert.

Le jury était composé de Regiane Fortes-Patella, Matevž Dular.

Les rapporteurs étaient François Avellan, Antoine Dazin.

  • Titre traduit

    Étude numérique d'écoulements instables dans une turbine-pompe : analyses des régimes "off-design" en mode pompe


  • Résumé

    Actuellement, la flexibilité et le stockage de l'énergie sont parmi les principaux défis de l'industrie de l'énergie. Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP), en utilisant des turbines-pompes réversibles, comptent parmi les solutions les plus rentables pour répondre à ces besoins. Pour assurer un réglage rapide du réseau électrique, les turbines-pompes sont sujettes à de rapides changements entre modes pompage et turbinage. Elles sont souvent exposées à un fonctionnement prolongé dans des conditions hors nominal. Pour assurer la stabilité du réseau, la zone d'exploitation continue de turbines-pompes réversibles doit être libre de toute instabilité hydraulique. Deux sources principales d'instabilités en mode pompage peuvent limiter la plage de fonctionnement continu. Il s'agit de la présence de cavitation et de décollement tournant, tous deux survenant à charge partielle. La cavitation peut conduire à des vibrations, des pertes de performance et parfois même à l'érosion de la turbine-pompe. En outre, en raison de décollements tournants (apparition et décomposition périodique de zones de recirculation dans les régions du distributeur), la machine peut être exposée à un changement incontrôlable entre les points de fonctionnement, avec une modification de charge et une baisse significative des performances. Les deux phénomènes sont très complexes, tri-dimensionnels et délicats à étudier. Surtout le phénomène de décollement tournant dans les turbines-pompes est peu abordé dans la littérature. Le premier objectif de l'étude du doctorat présenté a été d'utiliser un code numérique, testé au laboratoire, et de développer une méthodologie de calcul pour permettre la prévision des phénomènes à charge partielle. L'étude a été faite sur une géométrie à échelle réduite d'une turbine-pompe de haute chute. Des calculs numériques ont été effectués en utilisant le code FINE/Turbo avec le modèle de cavitation barotrope qui a été développé au laboratoire. L'analyse des écoulements cavitants a été faite pour des débits et de niveaux de cavitation différents. Les principales analyses portent sur des valeurs naissantes de cavitation, des courbes de chute et sur le prédiction des formes de cavitation pour différents débits et valeurs de NPSH. Une attention particulière a été portée sur l'interaction entre les formes de cavitation à l'entrée de la roue et la baisse de performance (zone de feston), causée par le décollement tournant qui apparaît dans la région du distributeur. Les résultats numériques ont montré un bon accord avec les données expérimentales disponibles. La deuxième partie de la thèse a concerné la prédiction et l'analyse de décollements tournants. Des simulations ont été utilisées pour prédire les régions d'exploitation stables et instables de la machine. La méthodologie mentionnée pourrait fournir des résultats globaux précis pour différents points de fonctionnement avec un faible coût de calcul. Afin d'obtenir des informations détaillées sur les écoulements instables, des simulations instationnaires plus précises ont été réalisées. L'analyse locale des écoulements a permis la description des mécanismes gouvernant le phénomène de décollement tournant. Les analyses permettent l'étude du nombre, de l'intensité et des fréquences de rotation des cellules tournants. En outre, les calculs instationnaires donnent une très bonne prédiction de la performance de la turbine-pompe. L'approche proposée est fiable, robuste et précise. La méthodologie de calcul proposée peut être utilisée sur plusieurs géométries de turbine-pompe (ou pompe centrifuge), pour une large gamme de débits et de géométries de directrices. Les simulations proposées peuvent être utilisées à l'échelle industrielle pour étudier les effets de géométrie, d'angles d'ouverture de directrices ou de l'influence du jeu entre la roue et le distributeur afin de réduire ou même éliminer les effets négatifs des décollements tournants.


  • Résumé

    Flexibility and energy storage seem to be the main challenges of the energy industry at the present time. Pumped Storage Power Plants (PSP), using reversible pump-turbines, are among the most cost-efficient solutions to answer these needs. To provide a rapid adjustment to the electrical grid, pump-turbines are subjects of quick switching between pumping and generating modes and to extended operation under off-design conditions. To maintain the stability of the grid, the continuous operating area of reversible pump-turbines must be free of hydraulic instabilities. Two main sources of pumping mode instabilities are the presence of the cavitation and the rotating stall, both occurring at the part load. Presence of cavitation can lead into vibrations, loss of performance and sometimes erosion. Moreover, due to rotating stall that can be observed as periodic occurrence and decay of recirculation zones in the distributor regions, the machine can be exposed to uncontrollable shift between the operating points with the significant discharge modification and the drop of the efficiency. Both phenomena are very complex, three-dimensional and demanding for the investigation. Especially rotating stall in the pump-turbines is poorly addressed in the literature. First objective of the presented PhD study has been to develop the cost-efficient numerical methodology in order to enable the accurate prediction and analysis of the off-design part load phenomena. The investigations have been made on the reduce-scaled high head pump-turbine design (nq = 27rpm) provided by Alstom Hydro. Steady and unsteady numerical calculations have been performed using code FINE/Turbo with barotropic cavitation model implemented and developed before in the laboratory. Some of the numerical results have been compared to the experimental data. Cavitating flow analysis has been made for various flow rates and wide range of cavitation levels. Flow investigation has been focused on the cavitation influence on the flow behavior and on the performance of the machine. Main analyses include incipient cavitation values, head drop curves and cavitation forms prediction for wide ranges of flow rates and NPSH values. Special attention has been put on the interaction between cavitation forms and the performance drop (hump zone) caused by the rotating stall. Cavitation results showed good agreement with the provided experimental data. Second part of the thesis has been focused on the prediction and analysis of the rotating stall flow patterns. Computationally fast steady simulations has been presented and used to predict stable and unstable operating regions. The analyses have been done on 4 different guide vanes openings and 2 guide vanes geometries. In order to get detailed information about the unsteady flow patterns related to the rotating stall, more exact unsteady simulations have been performed. Local flow study has been done to describe in details the governing mechanisms of the rotating stall. The analyses enable the investigations of the rotating stall frequencies, number of stalled cells and the intensity of the rotating stall. Moreover, the unsteady calculations give very good prediction of the pump-turbine performance for both, stable and unstable operating regions. Numerical results give very good qualitative and quantitative agreement with the available experimental data. The approach appears to be very reliable, robust and precise. Even though the numerical results (rotating stall frequencies, number of cells...) on the actual geometry should be confirmed experimentally, author believes that the methodology could be used on any other pump-turbine (or centrifugal pump) geometry. Moreover, the simulations can be used industrially to study the effects of the guide vanes geometries, guide vanes opening angles and influence of the gap between the impeller and the distributor in order to reduce or even eliminate the negative effects of the rotating stall.


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