Andritz VA TECH HYDRO a

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Charge dynamique
des machines hydrauliques: le nouveau défi
La demande pour une énergie
hydroélectrique augmente
considérablement, non seulement
pour répondre à la demande en
fournissant une énergie renouvelable
et écologique, mais aussi à
cause de ses excellentes capacités
de régulation. Les centrales hydroélectriques
ne sont pas seulement
une contrepartie valable aux centrales
thermiques et nucléaires à
énergie en bande, mais elles peuvent
aussi compenser l’absence de
production des parcs éoliens et
solaires. Afin d’améliorer la stabilité
des réseaux électriques actuellement
très chargés et de bénéficier
du marché des énergies volatiles,
les centrales hydroélectriques sont
opérées de manière beaucoup plus
dynamique que par le passé. Les
variations de charge rapides et les
arrêts et départs fréquents sont de
plus en plus considérés comme
«normal». Le nouveau défi que
représente ce marché se reflète
dans le programme R&D d’Andritz
VA TECH HYDRO.
Les nouveaux critères de conception ne
doivent pas seulement être respectés
pour les nouvelles machines, mais aussi
jouer un rôle clé dans l’évaluation des
unités existantes. Selon l’historique des
charges dynamiques par le passé, les
unités ont accumulé un certain degré
de fatigue.
La fiabilité décroît lentement à cause de
cette fatigue, mais en parallèle, le
caractère dynamique du mode d’opération
a souvent fortement augmenté.
D’un côté, le marché demande une
charge dynamique élevée des machines,
de l’autre, les risques d’arrêts
imprévus augmentent, la prédictibilité
diminue.
Plus le potentiel de gain du marché à
court terme de l’énergie de pointe est
élevé, plus l’impact des arrêts imprévus
l’est aussi.
C’est pourquoi la compréhension du
comportement dynamique des machines
hydrauliques est de grande importance,
tant pour la conception de nouvelles
machines que pour l’augmentation
de performance et la rénovation
des unités existantes.
La base d’une meilleure compréhension
de la dynamique des turbines est la
simulation numérique des écoulements
instables. Le sujet de la CFD (computational
fluid dynamic) instable associé à
la structure de la dynamique des fluides
est donc devenu un point clé des
recherches de R&D Andritz VA TECH
HYDRO.
Voici quelques brèves descriptions de
simulations dynamiques. Les tourbillons
de Karman en aval du bord de fuite
Figure 1: Influence de la géométrie du bord de fuite sur les forces dynamiques agissant sur les pales,
selon les prévisions CFD
Bord de fuite de Blunt
Amplitude: 100% Fréquence: 100%
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Bord de fuite en queue de colombe
Amplitude: 84% Fréquence: 96%
Bord de fuite de type Donaldson
Amplitude: 32% Fréquence: 99%
Ouverture de directrice moyenne
Ouverture de directrice maximum
Figure 2: Simulation CFD de tourbillons de Karman
sur le bord de fuite de l’avant-directrice, avec la
propagation des vortex sur les directrices
avec des profils abrupts provoquent
des forces dynamiques sur les pales et
peuvent provoquer un phénomène de
résonance. Les résultats expérimentaux
destinés à réduire l’excitation dynamique
en variant géométriquement le
bord de fuite peuvent aujourd’hui être
vérifiés numériquement. Le résultat
expérimental montrant que la fréquence
reste la plupart du temps inchangée
lors de modification du bord de fuite est
illustré par CFD, Figure 1.
Au cours d’une étude d’ingénierie pour
un projet d’amélioration de performance
sur une turbine à hélice du
Canada, les tourbillons de Karman ont
été simulés pour les avant-directrices,
en interaction avec les mécanismes de
vannage, Figure 2. La torche de l’aspirateur,
avec sa forme bien connue en
tire-bouchon, figure 3, se produit à