SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES - ANDRITZ GROUP CONFERENCE - POLYTECHNIQUE MONTREAL

ANDRITZ GROUP

 SIMULATIONS FSI DANS
LES TURBINES HYDRAULIQUES
 CONFERENCE – POLYTECHNIQUE MONTREAL

 18 MARS 2022

APERCU

01 INTRODUCTION ANDRITZ

02 CONCEPTS FSI

 SIMULATION CFD
03 (ZONE D’OPÉRATION TRADITIONNELLE)

 SIMULATION CFD
04 (ZONE D’OPÉRATION ÉTENDUE)

 SIMULATION MÉCANIQUE FEA

2 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

LE GROUPE ANDRITZ
 280 Sites de Siège Sociale
 Production Graz
Principale Secteurs Globale Au t r i c h e

AN D R I T Z e s t u n f o u r n i s s e u r m o n d i a l d’équipements et de services dans les domaines suivants:

 4 8 %* • Équipements de production pour tous types de pâte, de papier, de tissu et de carton
 • Chaudières pour la production d'électricité
 • Systèmes d'épuration des gaz de combustion
P Â T E E T PA P I E R • Solutions de recyclage et de broyage

 1 9 %* • Presses pour le formage des métaux (Schuler)
 • Systèmes pour la production de bandes en acier inoxydable, en acier au carbone et en métaux non ferreux
 • Installations de fours industriels.
 M É TA U X
 1 1 %*
 • Équipements de séparation solide/liquide pour les municipalités et diverses industries
 • Équipements pour la production d'aliments pour animaux et de granulés de biomasse
 S É PA R AT I O N

 2 2 %*
 • Équipements hydromécaniques et électromécaniques pour centrales hydroélectriques
 • « de la Prise d’eau à la Prise électrique »
 HYDRO
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ANDRITZ HYDRO
 Siège Sociale
 Vienne
De la Prise d’eau à la Prise électrique Au t r i c h e

 1

1) Vannes de barrage
2) Conduites forcées 2 10
3) Vannes de garde
4) Turbines 11 9 6
5) Alternateurs 8
6) Automatisation, contrôle et protection 7
7) Disjoncteurs de moyenne tension 5
8) Transformateurs de puissance
9) Disjoncteurs de haute tension 3 4
10) Ligne de transmission
11) Grande capacité de stockage de la batterie

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ANDRITZ HYDRO - SECTEURS

 GRANDE PETITE SERVICE ET POMPES
 HYDRO HYDRO RÉFECTION

 Grands projets Petites et mini-centrales solutions de service et de Pompes haute
 clé en main hydroélectriques réhabilitation - Augmenter performante pour divers
 la rentabilité et prolonger applications
 la vie de la centrale

 Plus de 180 ans d’expérience en turbine (1839)
 Plus de 31,900 turbines (plus de 471,000 MW) installées

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ANDRITZ HYDRO CANADA
 N O T R E D É V E L O P P E M E N T AU C AN AD A
 Acquisition de GE Hydro
 Acquisition de AFI Hydro - Vannes Acquisition de HMI – Vannes et BOP

Pointe-Claire, Qc Paris, On

 Boucherville, Qc

 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019

 Bobines BARS
 Laboratoire Hydraulique Acquisition de HEMI Controls – P&C
 Spécialiste d’automatisation
 Bureau d’ingénierie générateur Acquisitions
 canadiennes
 Atelier de Barres et Bobines

 Investissements
 canadiennes

 Lachine, Qc Chambly, Qc

 Peterborough, On

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CONCEPTS FSI

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LES INTERACTIONS FLUIDES STRUCTURES

Couplage fluide-structure

• Domaine de la mécanique qui étudie le comportement couplé entre les
 structures et les fluides.
• Plusieurs cas observables dans la nature où l’interaction fluide structure est
 présente (ex. le déformation des arbres sous l’effet du vent, l’interaction de
 grandes structure comme des bâtiment ou des ponts avec le vent ou un
 bateau dans l’eau).
• Pour étudier ces types de comportements, les lois de la physique dans deux
 domaines différents sont nécessaires.
• Ce qu’on appelle domaine multiphysique.

 FSI
 Mécanique des Fluides Mécanique des Structures

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LES INTERACTIONS FLUIDES STRUCTURES
Type de couplage fluide-structure
• La stratégie pour résoudre des problèmes de FSI se divise principalement dans deux méthodes (méthodes partitionnées).
 • Couplage uni-directionnel • Couplage bi-directionnel
 • Pression dans le fluide est • Déformation de la structure est prise en
 directement appliquée à la structure compte dans l’analyse des fluides
 (interaction forte et faible)

 9 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

SIMULATION CFD
(ZONE D’OPÉRATION TRADITIONNELLE)

10 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

SIMULATION CFD

Type de roues Pompe
 Turbine
 Andritz Montréal
 Pelton
 Hmax
 Radiale
 Francis 0.5
 =
 Axiale 0.75
 (Kaplan, Hélice et
 Diagonale)

 Bulbe

 Marémotrice

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 Vitesse Spécifique NQE

SIMULATION CFD

Bâche et distributeur
 Avant
 Directrice
• Effectuer au début d’un projet Distributeur

• Optimiser l’uniformité de l’écoulement à l’entrée des Directrice
 directrices

• Optimiser les passages des composantes stationnaires Semi- Spirale

• Déterminer les pertes dans la bâche

 Spirale
• Déterminer l’angle d’entrée des directrices
 • Condition frontière pour d’autre types de calculs.

12 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

SIMULATION CFD

Directrice, roue et aspirateur

• Un passage de roue (préliminaire)

 • Distribution de pression
 • Profile de vitesse à la sortie
 • Pertes

• Un passage de directrice, un passage de roue, et l’aspirateur
 (analyses standard avec un logiciel commercial ANSYS CFX)

 • Colline de rendement
 • Pressions utilisées pour analyses statiques
 • Modèle de Turbulence SST/K-eps avec «scalable wall functions»
 • Interface « Mixing - Plane »
 • Environ 1.5M de nœuds
13 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

SIMULATION CFD

Poussée axiale: directrice, roue, aspirateur et chambres
 Relief
 pipes
• Chambres autour de la roue ajoutées dans la CFD pour extraire les pressions
 sur tout les surfaces de la roue → force axiale hydraulique

• Le poids des composants attachés à l’arbre est rajouté pour obtenir la force
 total sur le palier de butée. Bypass pipes

 force axiale

14 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

SIMULATION CFD

Interaction Rotor Stator - IRS

• Simulation transitoire avec interface rotor-stator

• Capture l’interaction entre le rotor (roue) et le stator (directrices)

• Dû à la non-uniformité de l’écoulement à la sortie d’un passage
 directrice.
 Couple dynamique sur l’aube

• Le couple sur une aube varie à la fréquence des passages de
 directrices (fn x nombres de directrice) → forme cosinus

• Les amplitudes de pressions à la fréquence IRS sont utilisées
 dans une analyse réponse forcée pour obtenir les contraintes

15 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

SIMULATION CFD

Vortex von Karman

• Génère des beaux motifs dans la nature

• Peut causer des vibrations sur les composants de la
 turbine→ surtout sur les aubes de la roue et les
 avant-directrices → Fissure possible et son audible
 → des roues qui chantent

• On peut prédire la fréquence FSI par CFD et vérifier
 qu’il ne s’approche pas de la fréquence naturelle des
 divers modes de vibrations.

• Si la résonance ne peut pas être éviter ont peut
 coupler la CFD avec un modèle d’un dégrée de
 liberté pour calculer les amplitudes de vibrations et
 von Karman vortex
 les comparer avec les amplitudes permissibles f >> frunner
16 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

SIMULATION CFD

Auto excitation des directrice

• À basse ouverture de directrice, une auto-excitation
 est possible en mode pompe.

• Amortissement négatif

• ANSYS CFX nous permet d’interagir avec le solver
 avec notre propre code et aussi d’imposer un
 mouvement de maillage.
 M/2 K - Rigidité de torsion K
 • On peut modéliser la vanne come un système j JTorsion stiffness K
 - Moment d'inertie J
 d’oscillation d’un dégrée de liberté et le coupler K J Mass moment of inertia J
 MFlow
 - Couple
 velocity v hydraulique sur la vanne
 Flow induced moment M
 à la CFD M/2 ႴRotation
 - Rotation un dégrée
 degree of freedom j de liberté

 • un vrai FSI bi-directionnel
17 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

SIMULATION CFD

Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)

• Schéma numérique qui nécessite pas de maillage
 • Nuage de particules sans connectivité

• Description Lagrangien
 • Les particules transportent les variable (pression, vitesse)
 • Résultats équivalent à la définition classique Eulérien

• L’utilisation de cette méthode
 • Écoulement dominé par l’advection
 • Phénomène transitoire
 • Hautes déformations
 • Surfaces libre / multiphase
 • Turbine Pelton

18 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

SIMULATION CFD
(ZONE D’OPÉRATION ÉTENDUE)

19 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

MARCHÉ HYDRO Fréquence
 Réseau Contrôle
 du réseau
BESOIN ET CONSÉQUENCES
Stabilité du réseau et flexibilité d’opération
 Load Production

• L'énergie produite doit balancer l'énergie consommée
 • Réguler la fréquence du réseau

 Production (MW)
 • Demande du marché (variabilité saisonnière)
 • Variation des conditions hydrauliques (H, σ) et régulation due à l’environnement

• Hydro offre une solution flexible pour le marché
 • Balance la variabilité des autres méthodes de production (solaire, éolien)
 • Pompe-turbine utiliser pour recharger le réservoir quand la demande est faible
 Lun Mar Mer Jeu Ven
Conséquences:
 No Air
 • Zone d’opération étendu (0-100%)
 Low Air Flow
 • Plusieurs arrêts et départs
 High Air Flow

 Vibration
 • Réduction du temps d’arrêts et départs
 • Conception de composantes hydrauliques plus robustes
 • Conception d’un système d’aération
20 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES.

 Puissance

ZONE D’OPÉRATION ÉTENDUE
 Vortex Pleine Charge Cavitation périphérie
 Cavitation d’entrée PS
 Q Zone Sans Torche

 Cavitation
 Zone d’opération d’entrée SS
 Traditionnelle
 Vortex Charge Partielle

Tourner Sans
Charge (SNL)
 Zone d’Opération
 Cavitation Hub Étendu
Rejet de
Charge
 H

 21 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

ZONE D’OPÉRATION ÉTENDUE

Mesures de contraintes dynamiques
 1/rev + harmoniques

 Torche
 Zone d’opération
 étendu

 Zone d’opération Interaction Rotor-Stator
 Traditionnel

 Vortex inter-aube

22 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES Contraintes Stochastiques charge partielle

ZONE D’OPÉRATION ÉTENDUE

Modélisation CFD

• Comment capturer l’écoulement chaotique qui contient plusieurs grande et
 petite structures turbulentes

• Inclure tous les directrices, les passages de la roue, et l’aspirateur

• Maillage raffiné (entre 20M et 30M de nœuds)

• Calculs transitoire avec interfaces rotor-stator

• Modèle de turbulence SAS-SST (scale adaptive simulation)
 • Donne des résultats d’allure LES dans les zone instationnaire

• Longs calculs par rapport aux échéanciers des projets
 • Une semaine de calculs sur 48 cœurs par point d’opération
 • Reste mieux que DES, LES et DNS
23 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

ZONE D’OPÉRATION ÉTENDUE

 Relative pressure loads on blades
 Pressions
 appliquées au
 modèle mécanique

 CFD

 Cycles count
 technologie
 confidentielle
 Andritz

 Stress Rainflow
24 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

ZONE D’OPÉRATION ÉTENDUE

Example: charge partielle de très bas régime (Machine Axiale)

• Vibration violent de l’arbre en dessous d’une certaine ouverture de directrice
 à une fréquence précise.

• Simulation CFD montre 3 vortex en colonne qui tournent moins vite que la
 roue

• Un IRS ce forme entre ces 3 vortex et les 7 aubes

• Le (diamètre nodal 1) DN1 de la ligne d’arbre est excité → force radiale

• − = 1 ∙ 7 − 2 ∙ 3 = 1

25 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

ZONE D’OPÉRATION ÉTENDUE
 30%P SNL
Example: charge partielle de très bas régime (Hélice)

• Forte structures de vortex en amont et dans le canal de la roue
 • 30%P: les structures fluctuent en grandeur mais restent
 fixe en position relative à la roue.
 • SNL: les structures fluctuent en grandeur et tournent à
 une vitesse différente que la roue

• Vortex Helicoidal dans l’aspirateur

 40%P → 1 vortex

 30%P → 2 vortex

 SNL → 2-3 vortex

26 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

ZONE D’OPÉRATION ÉTENDUE

Examples: charge partielle de très bas régime (Francis)

 Example 1: Vortex inter-aubes Example 2: Interaction entre vortex
 intermittentes et 2-3 vortex helicoidal inter-aubes et vortex dans l’espace
 dans l’aspirateur entre roue et directrice

27 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

SIMULATION MÉCANIQUE FEA
(ZONE D’OPÉRATION ÉTENDUE)

28 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

CONSÉQUENCES D’UNE OPÉRATION
ÉTENDUE Zone d’opération
Contraintes dans différentes zones d’opération étendue

Lors d’une opération étendue, les contraintes dans la roue doivent être
 Zone d’opération
analysées de façon détaillée. D’après les mesures prises par des jauges Traditionnelle
de déformations dans des roues Francis, les contraintes sont fortement
dépendantes de la zone d’opération :

Les zones d’opération traditionnelles sont celles proches du point
optimum d’opération.

Les zones d’opération à basse charge induisent des contraintes Zone d’opération étendue
dynamiques plus importantes dans la roue.
 Zone d’opération
 Traditionnelle
D’un point de vue structurel, les contraintes statiques et
dynamiques affecteront la vie en fatigue de la roue de façons
différentes.

29 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

CONSÉQUENCES D’UNE OPÉRATION
ÉTENDUE
Contraintes statiques de la roue
 Mesures typique à
 partir des gauges
Les contraintes statiques dans la plage d’opération 0 à 100% est de déformation
 dans une roue
considérée dans le design de la roue. Francis.

La prédiction de la contrainte statique est très précise à travers
tout la plage d’opération. La validation est faite à partir des
mesures de déformation dans plusieurs prototypes. Pressions à SNL et contrainte statique
 associée
Les arrêt-départs ou les changements des mode d’opération
induisent des cycles à grandes amplitudes et basse fréquence
(LCF) qui doivent être pris en considération dans l’analyse en
fatigue.

 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

CONSÉQUENCES D’UNE OPÉRATION
ÉTENDUE
Contrainte due à l’Interaction-Rotor-Stator à plein charge Mesures typique à
 partir des gauges
• La contrainte dynamique due à l’IRS peut générer des fissures en fatigue de déformation
 dans une roue
 à hauts cycles, d’où l’importance de bien contrôler son amplitude. Francis.

• Les pressions dynamiques issues des analyses CFD sont appliquées
 dans un modèle structure EF suivi d’une analyse de réponse forcée.
• La validation de la contrainte IRS a été validée par mesures de Prédiction de la
 déformation dans différents prototype de roue Francis. contrainte IRS

• L’amortissement hydrodynamique + structure dans la réponse forcée est
 prise en considération pour une meilleure prédiction.
• 428.6RPM X 12GV X 60min/h X 120 000h=3.70E10 cycles !!

31 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

CONSÉQUENCES D’UNE OPÉRATION
ÉTENDUE
 Mesures typique à
Contraintes stochastiques à base charge partir des gauges
 de déformation
 dans une roue
Les contraintes dynamiques dans les zones à basses charges sont Francis.

dominées principalement par le comportement stochastique du
fluide. Le couplage entre le domaine fluide et structure est utilisé
pour prédire les contraintes dynamiques dans cette zone en
utilisant des chargements venant de la CFD instationnaire.
 Prédiction des
 contraintes
La méthode « Rainflow » est utilisée pour compter les cycles des stochastiques à
 basse charge par
contraintes stochastiques et ainsi déterminer le dommage cumulatif couplage fluide-
pour l’analyse en fatigue. structure.

Une portion importante du dommage cumulatif de la roue vient de
cette zone opération.

Plus de temps, on passe dans cette zone, plus la vie en fatigue de
la roue est impactée.

32 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

CONSÉQUENCES D’UNE OPÉRATION
ÉTENDUE
Contraintes dans différentes zones d’opération
 Measured stress Simulation points Design conservative envelope
 120
 Zone d’opération étendue
 Dynamic stress amplitude [MPa]

 100

 80

 Zone d’opération
 60 Traditionnelle

 40

 20

 0
 0 20 40 60 80 100
 Power [% max]

33 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

APERÇU DES DIFFÉRENTES MÉTHODES FSI
 Contraintes dynamiques,
 Contraintes statiques Contraintes dynamiques, IRS domaine stochastique

 Technologie
 confidentielle
 d’Andritz

34 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

OPÉRATION ROUES AXIALES
 Contraintes dans différentes zones d’opération

 Contrainte Interaction Rotor-
 Stator à pleine charge

 Contraintes stochastiques et
microstrains [us]

 instabilités hydrauliques à
 basse charge

 Cycles arrêt-depart

 Time [s]

 35 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

OPÉRATION ROUES AXIALES
Contraintes dans différentes zones d’opération

• Amplitude de contraintes IRS à plein charge
• Amplitude de contraintes stochastique à basse charge et charge
 partielle
• Amplitudes de contraintes arrêt-départ et en changement
 d’opération
• Amplitude de contraintes dans le mécanisme de régulation
 interne

 Contrôle par
 pression du
 servomoteur

 Contrôle
 fréquentielle de la
 pression du
 servomoteur

 36 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

OPÉRATION ROUES AXIALES
 Contraintes dynamiques,
 Contraintes statiques Contraintes dynamiques, IRS domaine stochastique

 Technologie
 confidentielle
 d’Andritz

37 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

CONCLUSION ET PERSPECTIVES
• Il y a plusieurs phénomènes hydrauliques dans les turbines qui sont présents
 surtout dans les zones d’opération étendues.
 • La CFD peut bien prédire la plupart de ces phénomènes et ceci est
 essentiel pour calculer les contraintes statiques et dynamiques

• Pour bien valider la CFD, il est nécessaire d’avoir des mesures expérimentales
 et une connaissance des phénomènes possibles
 • Essais modèles sont encore demandés la majorité du temps
 • Conception purement CFD devient de plus en plus populaire

• Les défis pour les jeunes développeurs CFD et FEA
 • Industrie « big data / 4.0» → jumeau numérique / double digitale
 • Gérer la taille des calculs et la complexité des maillages qui augmentent, coût de calculs, et gestion de données.
 • Modélisation des phénomènes hydrauliques dynamiques en ajoutant de la physique: calcul biphasique (aération,
 cavitation), compressibilité, couplage bidirectionnelle fluide structure…
 • Contact dans les assemblages, couplage fluide-structure, modélisation des phénomènes transitoires, création de
 modèles simplifiés utilisables en phase de conception…

38 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

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39 / CONFERENCE FSI POLYTECHNIQUE MONTREAL - SIMULATIONS FSI DANS LES TURBINES HYDRAULIQUES

ROUE PELTON

Contraintes dans une roue Pelton
 SPH Déformations

 Pressions Contraintes
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