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Contribution à l'évaluation de la fiabilité en fatigue des turbines hydroélectriques

Gagnon, Martin (2013). Contribution à l'évaluation de la fiabilité en fatigue des turbines hydroélectriques. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Cette recherche a pour objectifs le développement, la validation et l’application d’outils pour estimer la fiabilité en fatigue des aubes de turbines hydroélectriques. Au cours des dernières années, la déréglementation des marchés et la position croissante qui est donnée aux modes de production intermittents, telle que la production d’électricité à partir de l’énergie éolienne, ont forcé les producteurs d’hydroélectricité à modifier leur façon d’opérer leurs équipements de production électrique. Une des conséquences est l’augmentation des fluctuations sur le chargement des équipements qui, en contrepartie, augmente leurs risques de défaillance. Ces changements rendent difficile la planification de la maintenance pour garantir des niveaux de disponibilité adéquats. Donc, pour les manufacturiers de ces équipements et pour les producteurs d’électricité, avoir la possibilité d’évaluer l’influence de tels changements devient essentiel.

Les résultats de cette thèse sont présentés sous la forme de trois chapitres. Ceux-ci couvrent successivement les aspects suivants : la caractérisation du chargement, la construction d’un modèle d’endommagement et le calcul de la fiabilité des aubes de turbines hydroélectriques. Une introduction ainsi qu’une revue de la littérature sont présentés avant les chapitres qui forment le corps de la thèse pour mettre en perspective les travaux effectués. Dans le Chapitre 1, la modélisation du chargement des aubes de turbines hydroélectriques est abordée avec l’application de modèles de simulation stochastique à la simulation de la réponse transitoire des aubes de turbines hydroélectriques lors du démarrage de celles-ci. Nos résultats révèlent que ces méthodes sont utiles lorsque les données observées sont limitées. Le démarrage des turbines hydroélectriques se révèle un cas intéressant, car cet évènement ne se reproduit jamais de manière identique. Ensuite, dans le Chapitre 2, nous proposons un modèle de fiabilité en fatigue spécifiquement adapté aux aubes de turbines hydroélectriques. Dans ce chapitre, un état limite qui permet d’estimer la fiabilité des aubes de turbines hydroélectriques est défini. Cet état limite permet de déterminer à partir de quel moment une fissure devient critique et par le fait même peut être détectée pour éventuellement être réparée. Finalement, au Chapitre 3, l’effet et la portée des hypothèses émises lors de l’établissement du profil de chargement dans le calcul de la fiabilité d’une turbine hydroélectrique sont discutés. Une étude de cas effectuée sur une turbine provenant d’une centrale hydroélectrique qui appartient à Hydro-Québec est utilisée pour illustrer l’influence de ces hypothèses émises sur le chargement. Plusieurs profils de chargement simplifiés sont proposés avec des caractéristiques définies à partir des données observées in situ.

La conclusion de cette thèse montre les avancées scientifiques qu’ont générés nos travaux sur la fiabilité en fatigue des turbines hydroélectrique. De plus, nous portons un intérêt particulier aux perspectives de recherche soulevées par les travaux présentés dans cette thèse et aussi aux travaux que nous avons initiés parallèlement à ceux-ci.

Résumé anglais

The goal of this thesis is to develop, validate, and apply reliability assessment methodologies to estimate the probability of fatigue cracking in hydroelectric runner blades. In the recent years, the growing influence of intermittent energy source, such as wind turbines, on hydroelectric facility operation force hydroelectricity producer to change their operation scenarios in order to account for this new variability. This new variability tends to augment the risk of failure which renders difficult maintenance planning and the achievement of the desired level of reliability. Hence, both the manufacturer and the operator of hydroelectric turbines need tools to evaluate the influence of these changes on the reliability of their structure.

The results presented in this thesis cover the following aspects: Loading characterization, damage modeling, and reliability assessment. After a rapid introduction, a literature review gives an overview of research made in each field. Next, in the first chapter, the loading of runner blades is studied. Loading generated by transient events such as turbine startups are modeled using stochastic models. Our results show that such models are particularly useful in case where limited data is available to estimate the variability of such events. In Chapter 2, we propose a limit state for the HCF onset on turbine runner blades. This limit state combined with probabilistic method render possible fatigue reliability and likelihood of crack detection estimate. Subsequently in Chapter 3, our reliability model is applied using the data gathered from one of Hydro-Québec’s power plant. Our objective was to evaluate the influence of loading assumptions. As a result, loading spectra are proposed with different level of simplification in order to determine the minimal number of parameters necessary to adequately estimate the reliability.

Finally, in the conclusion, we discuss the contributions to the reliability assessment of hydroelectric turbine runner blades of the work presented in this thesis. Furthermore, at the same time, we highlight new and emerging research opportunities uncovered during our research activities.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 91-99.
Mots-clés libres: Turbines. Turbines Aubes. Générateurs hydroélectriques. Générateurs hydroélectriques Fiabilité. Fatigue. Fissures. propagation de fissure, modèle stochastique, chargement en fatigue
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Tahan, Souheil-Antoine
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Bocher, Philippe
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 23 mai 2014 18:53
Dernière modification: 23 mai 2014 18:53
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1310

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