Etude numérique des instabilités hydrodynamiques dans le distributeur et l'avant-distributeur de turbines-pompes

Numerical study of the hydrodynamic instabilities due to guide vanes and stay vanes in pump-turbines

• Auteur / Autrice : Eliott Alloin
• Direction : Olivier Métais, Guillaume Balarac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique
• Date : Soutenance le 05/04/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Corre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Métais, Yves Delannoy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Éric Lamballais, Vincent Moureau

Mots clés

Mots clés libres

Turbine-Pompe

Sge

Instabilité hydrodynamique

Pente positive

Feston cadre

Décollement tournant

Pump-Turbine

Les

Hydrodynamic instability

Positive slope

Tandem-Cascade hump

Rotating stall

Résumé

Pour améliorer la stabilité de réseau électrique et permettre une meilleure intégration des énergies renouvelables intermittentes, les Turbines-Pompes (TP) dans les Stations de Transfert d'Énergie par Pompage (STEP) sont utilisées plus loin de leur point de fonctionnement nominal en mode pompe. Une zone d'instabilité hydrodynamique limite le fonctionnement des TP en mode pompe pour la charge partielle (haute chute). Les performances d’une pompe en charge partielle restent cependant difficiles à prédire numériquement. Dans cette étude, des Simulations des Grandes Échelles (SGE ou LES) sont utilisées pour améliorer la prédiction de l'instabilité hydrodynamique survenant dans le cadre. Les simulations sont réalisées sur une géométrie complète de TP pour plusieurs points d'opération. Une approche Arbitraire Lagrangienne-Eulérienne (ALE) avec Adaptation Dynamique de Maillage (DMA) est utilisée pour prendre en compte la rotation de la roue. De plus une stratégie de convergence en maillage est utilisée et permet de garantir une bonne discrétisation du champ de vitesse moyenne et qu'une part suffisante de l'énergie turbulente est résolue. Une attention spécifique est donnée à la comparaison avec les résultats expérimentaux. Les simulations LES montrent des résultats similaires aux résultats d'essais réalisés par General Electric Hydro Solutions. Les décollements (tournants ou non) dans le cadre sont prédits à charge partielle par ces simulations. De plus, il est montré que ces décollements influencent l'écoulement dans la roue ce qui conduit à des lâchés tourbillonnaires proches des bords de fuite des pales. Ce phénomène génère des pertes et est responsable de la pente positive sur la courbe caractéristique de la pompe conduisant à un comportement instable de la machine. Des simulations SAS (Scale Adaptative Simulation) sont aussi réalisées sur la géométrie complète de TP. Ces dernières prédisent les mêmes pertes que les LES sauf dans la roue où elles manquent le phénomène de lâché tourbillonnaire au bord de fuite des aubes. D'autres simulations LES, sur une configuration simplifiée, permettent de mettre en valeur certains paramètres influençant les décollements dans le cadre. Ces travaux donnent ainsi un éclairage nouveau sur les instabilités hydrodynamique en charge partielle.

For improved grid stability and better integration of intermittent renewable energies, Pump Turbines (PT) in Pump Storage Plants (PSP) are used in pump mode further away than their design point. In pump mode, the hump zone limits the operating range at part load (high head). The numerical prediction of the PT performances of this part-load instability is still challenging. In this study, Large Eddy Simulations (LES) are used to improve the prediction of the tandem cascade hump. Simulations on a full PT geometry are done for several operating points. An Arbitrary-Lagrangian-Eulerian (ALE) approach coupled with a Dynamic Mesh Adaptation (DMA) methodology is used to take into account the runner rotation. Moreover, a mesh convergence strategy is used to guarantee the accuracy of the mean field discretization, and to ensure the resolution of a sufficient part of the turbulent scales. Specific attention is paid to properly comparing simulations to experimental tests. Simulations results are in good agreement with experimental results obtained with platform tests made by General Electric Hydro Solutions. Part-load simulations predict (rotating or alternate) stalls in the tandem cascade. Moreover, it is shown that those stalls influence the flow in the runner where vortices, close to the trailing edges of the blades, are generated. This phenomenon generates losses and is responsible for the positive slope in the pump characteristic curve leading to unstable pump behavior. Scale Adaptative Simulations (SAS) are also used on the full PT geometry. The latter predict the same losses as LES except in the runner where they fail to predict the trailing edge vortices. Other LES simulations, on a simplified configuration, highlight parameters influencing tandem-cascade stalls. This study allows a new insight into part-load instability.