Prédiction de l'influence de la cavitation sur les performances d'une turbine Kaplan

par Flavia Turi

Thèse de doctorat en MEP : Mécanique des fluides Energétique, Procédés

Sous la direction de Regiane Fortes-Patella et de Guillaume Balarac.


  • Résumé

    La présence de structures de vapeur dans la machine peut provoquer des dommages structurels et altérer les performances de la turbine. Ainsi, l'étude de la cavitation dans les machines hydrauliques est d'un très grand intérêt pour les industriels. Parmi les turbines hydrauliques, les turbines Kaplan sont réputées pour leur flexibilité. En effet, l'ouverture des directrices et la position des aubes de la roue peuvent être régulées en continu pendant l'utilisation de la machine, optimisant son rendement sur une large plage de fonctionnement. En contrepartie, Cela implique la présence de jeux entre les parties fixes et mobiles des turbines Kaplanà qui conduit à des structures de cavitation supplémentaires à ce niveau des machines. Dans ce contexte, l'objectif principal de cette thèse est de développer une méthodologie numérique capable de prédire et de caractériser la cavitation dans des turbines Kaplan et son impact sur les performances de la machine. Dans cette thèse, un modèle réduit de turbine Kaplan à 5 pales a été analysé. Les équations RANS/URANS ont été résolues,modélisant l'écoulement cavitant à l'aide d'une approche homogène et d'une loi d'état de type barotrope. Tout d'abord, la méthodologie a été définie pour des conditions de fonctionnement optimales, puis elle a été testée également sur un point de fonctionnement à forte charge. La méthode numérique de prédiction de la cavitation qui a été développée a pu être validée à l'aide de données expérimentales. Les prédictions numériques des performances et de l'évolution des structures de vapeur obtenues en appliquant la nouvelle stratégie de calcul de la cavitation sont en très bon accord quantitatif et qualitatif avec les données expérimentales. Une fois que la méthodologie numérique a été définie, des analyses approfondies de l'évolution des écoulements cavitants dans la machine ont été effectuées. L'approche développée apparaît très fiable, robuste et précise.

  • Titre traduit

    Prediction of the influence of the cavitation on the performance of a Kaplan turbine


  • Résumé

    The presence of cavitation phenomena in hydraulic machines cause several structural damages and alter the machine performances. Hence, the investigation of the cavitation in hydraulic turbine is of great industrial interest. Among the hydraulic turbine, Kaplan turbine are known for their flexibility. The guide vane opening and the runner blade position can be continuously regulated during machine operation maximizing the efficiency for a large range of operating conditions. This implies the presence of shroud and hub gaps that leads to additional cavitation structures in the runner. In this context, the principal aim of this thesis is the development of a numerical methodology able to predict and characterize the cavitation in Kaplan turbine and its impact on the machine performance. The analysis refers to a scale model of a 5-blades Kaplan turbine. RANS/URANS equations have been solved modeling the cavitating flow by using a homogeneous approach and a barotropic state law. The methodology have been defined for optimal operating conditions and, after has been tested also on the full load operating point. Experimental data have been used to validate the developed numerical method of cavitation prediction. The numerical predictions of the performances and the vapor structures obtained by applying the new cavitation calculations strategy are in very good quantitative and qualitative agreement with the available experimental data. Once the numerical methodology has been defined in-deep analyses of the cavitating flow evolution in the machine have been performed. The developed approach appears to be very reliable, robust and precise.