Investigation of Francis turbines at no-load operation

Cette thèse porte sur les turbines hydrauliques de type Francis à échelle modèle opérées en condition sans-charge. En opération sans-charge, aucune énergie n'est produite par le générateur et ce dernier ne restreint plus la vitesse de rotation de la roue. Même si les conditions sans-charge sont critiques pour la sécurité et la durée de vie des machines, elles sont, à ce jour, très peu comprises. Actuellement, il n'y a aucune vue d'ensemble des différentes conditions sans-charge. Cette thèse vise donc à identifier, décrire et classer les différentes caractéristiques des régimes sans-charges au niveau du débit, de la vitesse de rotation de la roue et de la topologie de l'écoulement. Cet objectif global se divise en quatre sous objectifs : • Trouver le meilleur paramètre adimensionnel pour définir les conditions sans charge. • Décrire les conditions d'opération le long de la courbe sans-charge en utilisant le débit et la vitesse de rotation de la roue sous une énergie spécifique donnée. • Classifier les conditions sans-charge suivant les différentes topologies de l'écoulement. • Étudier le lien entre le niveau de cavitation et la condition d'opération sans-charge. Ce projet de recherche est basé principalement sur des mesures expérimentales, des visualisations de l'écoulement sous la roue et des simulations numériques. Les mesures expérimentales le long de courbes sans-charge sous différents niveaux de cavitation ont été réalisées chez Andritz Hydro Canada sur des turbines Francis couvrant une vaste gamme de vitesse spécifique. Des simulations numériques ont aussi été réalisées lors de deux différentes conditions sans-charge pour une turbine Francis de basse vitesse spécifique. Les instabilités se développant dans les turbines hydrauliques sont souvent caractérisées suivant le niveau de rotation dans l'écoulement, appelé communément « swirl ». Cette thèse démontre que l'« angular momentum parameter », appelé RCᵤ₁₁, est le paramètre adimensionnel le plus apte à quantifier le niveau de rotation de l'écoulement et à caractériser l'écoulement des régimes sans-charge. À l'aide des triangles de vitesse théoriques en sortie des directrices, il a été possible de développer une équation semi-analytique permettant d'estimer RCᵤ₁₁ à l'entrée et à la sortie de la roue le long de la courbe d'emballement. L'analyse des données expérimentales a permis de déterminer que la vitesse de rotation de la roue, la topologie de l'écoulement sous la roue et la sensibilité du point d'opération sans-charge à la cavitation dépendent toutes de la quantité de moment cinétique en entrée et en sortie de roue. La rotation de l'écoulement en sans-charge atteint les mêmes niveaux que ceux rencontrés lors de l'opération régulière, plus précisément à charge partielle ou à très faible charge. Pour un même niveau de rotation de l'écoulement, le même type de phénomène hydraulique est rencontré sous la roue en opération sans-charge et en opération régulière. Comme pour l'opération régulière, il est possible de classer les phénomènes hydrauliques en régimes sans-charge en fonction du coefficient de débit Q$_\textup{nD}$ normalisé par rapport à sa valeur au point de meilleur rendement. Le coefficient de débit permet de quantifier le niveau de rotation de l'écoulement sous la roue à l'aide de valeurs faciles à mesurer sur un banc d'essai : le débit et la vitesse de rotation de la roue. La dépendance d'un point d'opération sans-charge à la présence de cavitation varie en fonction de la topologie de l'écoulement dans les canaux inter aubes de la roue. À l'aide de simulations numériques, la relation entre RCᵤ₁₁, le type d'écoulement dans la machine, le chargement sur les aubes et la position de la cavitation dans la roue ont été étudiés. Les simulations numériques ont démontré que le chargement sur les aubes est très différent entre des points d'opération sans-charge atteints à de petites ou à de grandes ouvertures de directrices. En sans-charge, les zones sur les aubes produisant un couple moteur, c'est-à-dire orienté dans la direction de la rotation de la roue, doivent être balancés par les régions produisant un couple de freinage, opposé à la rotation de la roue, pour atteindre une condition de couple nul. À petites ouvertures de directrices, près de la marche-à-vide, la position de la cavitation coïncide avec la zone où la majorité du couple de freinage est produit sur l'aube. La cavitation déséquilibre les moments sur les aubes et cause un changement de point d'opération. Les points d'opération sans charge à de petites ouvertures de directrices sont donc plus sensibles à la présence de cavitation.

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