Investigation par Calcul numérique de la région en « S » des courbes caractéristiques d'une turbine-pompe réversible / Clément Jacquet ; sous la direction de Regiane Fortes-Patella

Date :

Type : Livre / Book

Type : Thèse / Thesis

Langue / Language : français / French

Phénomènes transitoires

Turbines

Tourbillons (mécanique des fluides)

Classification Dewey : 620

Fortes-Patella, Regiane (19..-....) (Directeur de thèse / thesis advisor)

Avellan, François (Président du jury de soutenance / praeses)

Coutier-Delgosha, Olivier (1974-) (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Gourdain, Nicolas (1979-....) (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Houdeline, Jean-Bernard (-....) (Membre du jury / opponent)

Balarac, Laëtitia (Membre du jury / opponent)

Gaudin, Eric (Membre du jury / opponent)

Communauté d'universités et d'établissements Université Grenoble Alpes (Organisme de soutenance / degree-grantor)

École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) (Ecole doctorale associée à la thèse / doctoral school)

Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble) (Laboratoire associé à la thèse / thesis associated laboratory)

Résumé / Abstract : Les Stations de Transfert de l’Énergie par Pompage (STEP) munies de turbines-pompes réversibles de type Francis (TP) permettent de stocker et de restituer de grandes quantités d’énergie avec des rendements très élevés. Celles-ci apparaissent comme un moyen viable d’assurer la réactivité et la stabilité du réseau électrique vis-à-vis de l’augmentation croissante des sources d’énergie renouvelables intermittentes. Pour répondre aux nouveaux besoins en régulation du réseau électrique, la technologie actuelle des STEP doit être adaptée. Accroître la réactivité requiert d’optimiser les procédures de démarrage et d’arrêt des machines. Dans les quadrants turbine, turbine-frein et pompe inverse, les TP de haute chute ont des courbes caractéristiques présentant la forme d’un « S ». Cette forme particulière peut engendrer des coups de béliers lors des phases d’arrêts d’urgences, exposant les conduites à de sévères surpressions et dépressions. De plus, pour ces points de fonctionnement associés au « S » les écoulements sont fortement instationnaires et induisent des fluctuations de pression responsables de chargements dynamiques sur les parties mécaniques. Les objectifs de ce travail sont la modélisation et la compréhension des phénomènes hydrauliques complexes liés au « S ». Des simulations numériques instationnaires sont réalisées en utilisant le modèle de turbulence SAS-SST. Moins couteux que les modèles LES, ce modèle permet de résoudre d’une partie du spectre turbulent et ainsi de prendre en compte les principaux effets instationnaires. Trois configurations de turbine-pompe de même vitesse spécifique (nq=40) sont étudiées. Une seule (grande) ouverture de directrices est retenue pour chaque configuration. Les points de fonctionnement considérés couvrent une large gamme de conditions d’opération, allant du fonctionnement en régime continu (rendement élevé) jusqu’au débit nul, en passant par le point d’emballement. Les résultats des calculs sont comparés aux mesures expérimentales. La bonne corrélation entre valeurs numériques et expérimentales valide la pertinence du modèle numérique. Les analyses des performances de la machine et des fluctuations de pression permettent d’identifier les régions de l’écoulement associées aux principales instabilités. Enfin, les visualisations de l’écoulement couplées à une étude des mécanismes de dissipation de l’énergie mettent en évidence les principaux phénomènes à l’origine de la forme en « S » des courbes caractéristiques.

Résumé / Abstract : Pumped Storage Plants (PSP) using reversible Francis pump-turbines can store large amounts of energy with high efficiency. They therefore appear as a cost-effective tool to provide stability to the energy production network against the intermittency of renewable energy sources. Nevertheless, start-up and shutdown procedures still need to be improved to increase the reactivity of the PSP. Reversible high head pump-turbines have characteristic curves that exhibit an S-Shape in the turbine, turbine-brake and reverse pump quadrants. This S-Shape may be responsible for surge transient phenomena in the case of an emergency shutdown (for large guide vane opening). Moreover, for operating point in the S-Shape region, the flow is highly unsteady and leads to a high level of pressure fluctuations and strong dynamic loadings on the mechanical parts. The objective of the current work is to perform a comprehensive study of the complex hydraulic phenomena linked with the S-Shape. Unsteady numerical computations are carried out using the turbulence model SAS-SST. Such a model can resolve part of the turbulent spectrum while maintaining affordable computational cost. It therefore offers an interesting alternative to more expensive LES computations. Three different configurations of pump-turbine with the same specific speed (nq=40) are investigated. Several operating conditions from optimal efficiency point to zero discharge condition for a given large guide vane opening are studied. Numerical results show good agreement with the experimental data. Accuracy of the numerical model is thus assessed. The investigations of the global performances of the pump-turbine and the pressure pulsations help to identify the region of the flow which are associated with the main instabilities. Finally, flow visualizations linked with the analysis of the mechanisms of energy dissipation reveal the major flow phenomena at the origin of the S-Shape.