Journée Hydro Dynae du 26 septembre

Investigations à charges partielles

Grenoble, 08 09 2013

F.André

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Introduction• Contexte :

• Sollicitations dynamiques des turbines croissantes du fait de l’évolution des conditions d’exploitation des machines :

• marnage croissant, • fonctionnement à faible charge, • augmentation des démarrages et arrêts• émergence de demandes relative au peaking.

Risque de fatigue accru.

L’extension du domaine de fonctionnement des turbines nécessite des investigations (mesures + calcul) aussi bien sur la roue que sur l’ensemble de la machine.

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Introduction• Nous présentons ci-après deux exemples d’investigations à

charges partielles dont l’instrumentation se distingue de l’approche classique basée sur les fluctuations de pressions/vibrations :

• => une analyse de l’origine de fluctuation de puissance sur une Francis avec instrumentation de l’arbre en torsion

• => une analyse des contraintes dynamiques dans la roue par mesures embarquées

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Agenda

Topic 1 Introduction

Topic 2 Fluctuations de puissance à charge partielle sur une Francis

Topic 3 Instrumentation embarquées en contraintes

Topic 4 Conclusion

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Fluctuations de puissance à charge partielle sur une Francis

• Description de l’installation :Chute moins de 100mCE

Puissance moins de 100MW

Objet de l’intervention :

Il s’agit de déterminer l’origine de fortes fluctuations de puissance observées sur une turbine Francis à charge partielle ainsi que leur corrélation avec les fluctuations de pression.Le plan d’essai comporte également des essais d’aération (qui ne seront pas développés ici). Le but étant d’évaluer la possibilité d’étendre le domaine de fonctionnement.

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Fluctuations de puissance à charge partielle sur une Francis

• Description de l’instrumentation

•Rotor alternateur

•turbine

•Mesure par jauge + télémesure’

•Mesure de puissance

•Mesure de pression bâche et aspirateur

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Fluctuations de puissance à charge partielle sur une Francis

• A 38% de charge on note de fortes fluctuations de puissance active (>6% de Pmax)

• L’analyse spectrale de la Puissance Active montre une émergence à l’ordre 0.29 de la rotation => torche de charge partielle

• On note également une émergence à ~0.5f0 plus surprenante…

1eres observations sur une prise de charge :

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Fluctuations de puissance à charge partielle sur une Francis

• Analyse basée sur les fluctuations de pression seule

• Analyse incluant l’instrumentation de l’arbre en torsion

Ea

Ea

Cm

Cm

H

H transfertransfer

21

Ea

Ea

H

H transfer

1

•En pratique à partir des mesures sites on a :

H # Pbache –moy(Pcones) (meilleure estimation disponible)H # Zamont- Zaval (relevés statiques )

Dans notre exemple il n’y avait que 2 capteurs dans le cône et l’estimation de la fluctuation de chute nette est très approximative car on ne peut séparer correctement la partie en phase de la partie tournante.

•En théorie, à régime stabilisé, pour la composante continue, ces différents transferts devraient valoir…1 (au rendement prés pour le transfer 2)

=> Les fluctuations de pression sont la source des fluctuations de puissance (vision classique)

=> On sépare les contributions

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Fluctuations de puissance à charge partielle sur une Francis

• La première fréquence propre de l’arbre en torsion est à~6f0 (~20Hz)

=> la torche est suffisamment éloignéepour qu’on puisse appliquer la

mécanique statique

Puissance active

•turbine

Couple sur l’arbre

Fluctuation de pression dans le cône

• La trace de la torche est visible sur les trois signaux…trivial :l’excitation est la torche

• Le transfert entre fluctuation de pression et fluctuation de couple est complexe … nous nous concentrerons sur le transfert couple / Puissance active

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Fluctuations de puissance à charge partielle sur une Francis

• Fonction de transfert Puissance active / Pmeca

On construit une voie de calcul :Pmeca =2xPi x f0 x Cm avec F0 fixe dans notre exemple

Sur la prise de charge on obtiens une cascade de FRFdont le module représente le ratio Pactive/Pmeca

On note la proximité de la torche et d’une amplificationÀ ~0.5xf0

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Fluctuations de puissance à charge partielle sur une Francis

• L’amplification à ~0.5f0 évolue légèrement avec la charge (légère « rigidification ») mais la FRF est globalement très stable

• Il s’agit d’un phénomène bien connu des alternatoristes ; une résonance qui ne met pas en jeux une énergie de déformation élastique mais des forces de rappel électromagnétiques.

On note toutes les propriétés d’une résonances (rotation de phase cohérence à 1)

En prenant la moyenne des FRF sur la zone de torche on obtiens un Module de FRF plus « lisse »

Le facteur d’amplification max est de 6.3

En statique on retrouve le rendement

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Fluctuations de puissance à charge partielle sur une Francis

• Conclusion sur cet exemple :Les fluctuations de puissance sur cette installation sont la conséquence d’une excitation par la torche d’un mode propre faisant intervenir une raideur d’origine électrique.

• Les niveaux de fluctuations de puissance active seront donc fonction non seulement des amplitudes de fluctuations de pression mais aussi de leur fréquence (de l’écart de fréquence par rapport à la fréquence propre électrique)=> il est possible de baisser les fluctuations de pression mais d’augmenter les fluctuations de puissance !

• Quelle aurait été la conclusion si nous avions comparé les fluctuations de pression adimensionnées de cette installation avec celles d’autres machine hydrauliquement proche ?

• Cet exemple montre à quel point il est simple d’identifier l’origine d’une excitation comme la torche sur les fluctuations de pression et en même temps qu’elles peuvent donner une image distordue de l’origine du problème.

• Quid de l’influence du sigma ? Influence sur la fréquence et la forme de la torche…cas d’un groupe voisin qui démarre