Étude numérique des phénomènes transitoires dans une turbine axiale de type hélice durant l’emballement

Ce mémoire présente l’étude numérique d’un emballement de turbine hydraulique axiale à échelle modèle. Cet état transitoire est simulé du point de meilleur rendement jusqu’à l’atteinte de 95% de la vitesse d’emballement. Pour ce faire, une méthodologie numérique est développée à l’aide du logiciel commercial ANSYS CFX en utilisant une approche "Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes" avec modèle de turbulence k-ε. Cette méthodologie numérique a été validée grâce à des mesures expérimentales de pression acquises en situation d’emballement sur les aubes d’une roue de turbine axiale étudiée au Laboratoire de Machines Hydrauliques de l’Université Laval. La validation des simulations numériques a été réalisée grâce à des comparaisons dans les domaines temporel et fréquentiel entre les pressions mesurées expérimentalement et calculées numériquement. Les analyses fréquentielles en transitoire ont été effectuées à l’aide de transformées en ondelettes afin de représenter l’évolution temporelle du spectre de fréquence. Des analyses qualitatives de phénomènes hydrauliques prenant place dans la turbine sont aussi présentées. Les analyses effectuées ont permis de confirmer le développement d’un tourbillon en précession par rapport à la roue dans l’aspirateur provocant les fluctuations de pression dominantes à des fréquences subsynchrones. La comparaison entre les données expérimentales et numériques a permis de valider une stratégie de simulation transitoire et d’en définir les limites en vue de prochaines simulations d’emballement. Des tests supplémentaires sont suggérés pour améliorer la précision ou le niveau de confiance de la méthode.

This work presents a numerical study of a runaway event (from the load rejection at BEP to 95% of the runaway speed) for a model propeller turbine. To do so, a numerical methodology, based on the “Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes” approach with k-ε turbulence model, is developed with the commercial CFD solver ANSYS CFX. This methodology is validated with pressure measurements on the runner blades of a propeller model turbine during a runaway event at the Hydraulic Machines Laboratory of Laval University. Comparisons between experimental pressure measurements and numerical pressure simulations in time domain and frequency domain are mainly used to validate the numerical methodology. The transient frequency analysis are performed with Wavelet to represent the time evolution of the frequency spectrum. Qualitative analysis of the hydraulic phenomena developed during the transient event are also carried out. Numerical analysis showed the development and the evolution of a vortex rope in the draft tube associated with high pressure fluctuations. Comparisons between experimental and numerical data revealed the limits of the methodology that will need adjustments for future works.