On the prediction of induced structural damage in hydraulic turbines in off-design conditions

Abstract

(English) The introduction of the intermittent and unpredictable solar and wind power into the electrical grid is pushing hydraulic turbines to work for longer periods of time in off-design conditions. Under these circumstances, it is necessary to investigate the prediction of structural damage induced on hydraulic turbines by flow instabilities. For this reason, the present work aims firstly to characterize the rotating vortex rope and vaneless space vortex structures, then to understand the fluid-added modal coefficients induced by the water surrounding runners and finally to quantify the fatigue damage inflicted on runner blades. In this sense, experimental onboard and off-board measurements of strain, force, torque, pressure, displacement and acceleration on different components of a Kaplan turbine model were performed when operated at part load, speed-no-load and during ramping of load. The data was analyzed in the time and frequency domains as well as using a novel experimental methodology to infer fatigue damage on runner blades from blade strains. Additionally, two new methods, which only use shaft strains and off-board measurements, were developed to compute fatigue damage. On the other hand, new numerical and experimental methodologies, combined with proposed analytical models, were employed to investigate the fluid-added modal coefficients of confined rotors partially submerged in water. In summary, the present work has permitted to conclude that speed-no-load, and specially with cavitation, is the most damaging operating condition, that the fatigue damage on runner blades can be predicted using shaft strains and that rotor dynamic responses depend on the water surrounding the runner, the rotating speed and the ramp acceleration and direction.

(Català) L’entrada de fonts energètiques intermitents i no predictibles, com la solar i l’eòlica, a la xarxa elèctrica, força les turbines hidràuliques a treballar amb més freqüència a fora de disseny. Sota aquestes condicions, és necessari investigar la predicció del dany estructural generat per inestabilitats del flux a turbines hidràuliques. Per aquesta raó, la present tesis doctoral caracteritza la rotating vortex rope i les vaneless space vortex structures, estudia els coeficients modals afegits pel fluid que envolta rodets i quantifica el dany per fatiga generat a les seves pales. Per això, s’han fet mesures experimentals de deformació, força, parell, pressió, desplaçament i acceleració a sobre components rotatius i estacionaris d’una turbina model Kaplan operada a càrrega parcial, speed-no-load i durant rampes. Les mesures es van analitzar al domini temporal i freqüencial així com utilitzant una nova metodologia experimental per determinar el dany per fatiga a les pales del rodet. També, es varen desenvolupar dos nous mètodes per calcular fatiga que només utilitzen mesures de deformació de l’eix i de components estacionaris. A més a més, nous models numèrics i experimentals combinats amb equacions analítiques es varen utilitzar per investigar els coeficients modals afegits de rotors parcialment submergits dins aigua. La present tesis doctoral conclou que speed-no-load i especialment amb cavitació és la condició que genera més dany a les turbines, que la fatiga generada sobre pales de rodets pot ser calculada amb mesures a l’eix i que les respostes rotor dinàmiques depenen de l’aigua que envolta el rodet, de la velocitat de rotació i de l’acceleració i direcció de rampes.