Influence of the boundary conditions on the dynamic behavior of large hydraulic machines

Abstract

Nowadays, hydropower plays an essential role in the energy market. With the massive entrance of new renewable sources such as wind or solar power, hydropower is the only renewable generating source that can provide fast response and regulation capacity to the electric grid. It can even store the surplus of energy when it is necessary using Reversible Pump-Turbine (RPT) power plants. However, this situation makes that hydraulic turbines are increasingly working at off-design conditions with a high number of start and stops in comparison with ten years ago. At these conditions, the forces and stresses over the structure are high, especially in the runner, documenting some failures along the time. Therefore, it is of paramount importance to study the dynamic behavior of the runner under operation in order to avoid resonance conditions and fatigue problems. To study the dynamic behavior of the runner, both excitation and response have to be determined. Excitation forces have been studied for many years and they can be predicted with good accuracy through computational methods. However, the dynamic response of the runner still needs to be studied in detail. To define this dynamic response, natural frequencies, damping ratios and mode-shapes of the runner have to be estimated under operating conditions and for the different boundary conditions found in a hydraulic turbine. In this thesis, the natural frequencies, damping ratios and mode-shapes of submerged structures under different boundary conditions are studied. As a hydraulic turbine runner is a complex structure where the boundary conditions are fixed, simplified models are used to study the influence of those boundary conditions on their dynamic response. Submerged and confined disks have been used to experimentally study the effects of axial and radial gaps to rigid walls, the effects of rotation and the effects of the acoustic modes of the surrounding fluid on their dynamic response. Moreover, experimental measurements in a large Pump-Turbine and a large Francis turbine prototype have been performed to confirm the knowledge acquired in the simplified models. Numerical models have been also developed and validated in the present work to study the dynamic response of hydraulic turbine runners. This is an Article-Based Thesis, so it is based on three Journal Papers that have been published during the thesis duration. These three Journal Papers are based on the simplified models research, and they are attached and commented though the whole document of this thesis. Moreover, a summary of the findings of the research on hydraulic turbine prototypes is also included to extend the application of the knowledge acquired with the simplified models to actual hydraulic turbine prototypes.

Avui en dia l'energia hidràulica té un paper molt important en el mercat energètic. Amb l'entrada massiva de l'energia eòlica i solar, l'energia hidràulica és l'única energia renovable que és capaç de proporcionar una ràpida resposta i capacitat de regulació a la xarxa elèctrica. A més, pot inclús emmagatzemar l'energia sobrant quan és necessari utilitzant les centrals hidroelèctriques reversibles basades en bombes-turbines. Tanmateix, això fa que les turbines hidràuliques treballin en condicions fora de disseny, augmentant també el nombre de parades i arrencades en comparació amb deu anys enrere. En aquestes condicions, les forces i estressos que pateix l'estructura, especialment el rodet de la turbina hidràulica, són molt alts, fet que ja ha provocat important avaries al llarg del temps. Això fa que sigui molt important estudiar el comportament dinàmic del rodet en condicions d'operació per tal d'evitar possibles ressonàncies o problemes de fatiga. Per a estudiar el comportament dinàmic del rodet, s'han de conèixer en detall tant les possibles fonts d'excitació com la resposta dinàmica de la màquina. Les forces d'excitació han estat estudiades des de fa molts anys i actualment es poden determinar amb bona exactitud amb mètodes numèrics. En canvi, la resposta dinàmica de rodets necessita encara ser estudiada amb més detall. Per a fer això, les freqüències pròpies, l'amortiment i els modes propis del rodet han d'estimar-se sota les condicions d'operació de la màquina i per a les diferents condicions de contorn que es poden trobar en una turbina hidràulica. En aquesta tesi s'estudien les freqüències pròpies, amortiment i modes propis d'estructures submergides i sota diferents condicions de contorn. Com que els rodets de les turbines hidràuliques són estructures complexes on les condicions de contorn són fixes, en aquest treball s'han utilitzat estructures més simples per tal d'avaluar la influència d'aquestes condicions de contorn en la seva resposta dinàmica. S'han utilitzat discos submergits i confinats en aigua per a demostrar experimentalment els efectes de les distàncies axials i radials a superfícies rígides i flexibles, els efectes de la rotació i els efectes dels modes acústics del medi fluid en el seu comportament dinàmic. També s'han realitzat mesures experimentals en una gran turbina-bomba i en una gran turbina Francis per a confirmar el coneixement adquirit amb els models simples. A més, s'han desenvolupat i validat models numèrics que prediuen la resposta dinàmica dels rodets de turbines hidràuliques. Aquesta tesi es presenta per compendi d'articles. Els articles que formen part de la tesi han estat publicats com a primer autor en revistes indexades al JCR per sobre del segon quartil. Aquests articles estan basats en la investigació sobre els models simplificats i estan adjuntats al final del document i comentats al llarg del mateix. En el document també s'explica la recerca que s'ha dut a terme en els diferents prototipus de turbines hidràuliques.