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Numerical analysis of convective cooling in hydro generators

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Dang, Dinh-Dong (2018). Numerical analysis of convective cooling in hydro generators. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

With the high demand for electricity for the rapid development of industry and civilian usage over the last decades, there is a need to produce additional power in the energy supply market. Within this context, increasing the power output of the currently-operating generators is considered as a potential solution. However, it is not permitted to push the existing generators to operate at a higher power without a precise assessment of the impact of this increase to the integrity of the machines. One of the goals of Hydro-Québec is to develop new techniques to identify the units capacity and potential for uprating. Apart from the electro-magnetics and structural aspects, the understanding of the thermal performance of the hydro-generator is an important point that needs to be considered in order to accomplish this goal. Although the thermal analysis that employs the traditional approaches, such as the lumped-parameter thermal network combined with the convective correlations, has been successfully applied in the literature, these contain many drawbacks. A more elaborate methodology has to be performed in which the ventilation flow and the heat transfer have to be taken into account with high resolution and fidelity. An experimental approach is expensive and is limited in its application several locations in the machine.

This thesis focuses on characterizing the ventilation flow and thermal features of a large hydro-generator scale model. The investigation was carried out using the computational fluid dynamics (CFD) simulations with different Reynolds-averaged Navier-Stokes turbulence models. The numerical simulations were performed on a full scale model that was designed and built at Institute de recherche d’Hydro-Québec. Initially, the mathematical formulation, including the fluid dynamics and solid heat conduction governing equations, was presented. Secondly, a review of the literature regarding the computational fluid dynamics application for the ventilation flow and thermal analysis of hydro-generators over the last 20 years was investigated. The results of numerical simulations on different numerical models and simplified models were presented in the next three chapters, in which the numerical results were validated by comparing with the available experimental data. For a certain set of appropriate numerical settings, a good agreement between the CFD predicted results and the experimental data was obtained.

Titre traduit

Transfert thermique par convection dans les machines électriques tournantes

Résumé traduit

En raison de la forte demande d’électricité pour le développement rapide de l’industrie et de la consommation civile au cours des dernières décennies, il est nécessaire de produire de l’énergie supplémentaire pour le marché de l’énergie. Dans ce contexte, l’augmentation de la puissance des alternateurs hydroélectriques existants est considérée comme une solution potentielle. Cependant, il n’est pas recommandé de pousser les alternateurs existants à fonctionner à plus haute puissance sans une évaluation précise de l’impact de cette augmentation sur l’intégrité de ces machines. L’un des objectifs d’Hydro-Québec est de développer de nouvelles techniques afin d’identifier la capacité des unités et leur potentiel d’augmentation. À côté des aspects électromagnétiques et structurels, la compréhension de la performance thermique des alternateurs hydroélectriques est un point important qui doit être pris en compte pour atteindre cet objectif. Bien que l’analyse thermique, qui utilise les approches traditionnelles telles que le réseau thermique à paramètres localisés combiné avec les corrélations convectives, a été appliquée avec succès dans la littérature, ces approches contiennent de nombreux inconvénients.

Cette thèse se concentre sur la caractérisation de l’écoulement de ventilation et des caractéristiques thermiques d’un modèle à grande échelle hydro-générateur. L’étude a été réalisée en utilisant les simulations numériques d’écoulement des fluides (CFD) avec différents modèles de turbulence en formulation Reynolds-Averaged Navier-Stokes. Les simulations numériques ont été effectuées sur un modèle réduit qui a été construit à l’Institut de Recherche d’Hydro-Québec. D’abord, le modèle mathématique, incluant la dynamique des fluides et les equations de transfert de chaleur, a été présenté. Puis, une revue de la littérature concernant l’application de la dynamique des fluides sur le calcul de ventilation et l’analyse thermique des alternateurs hydroélectriques au cours des 20 dernières années a été presentée. Ensuite, les résultats de simulations numériques obtenus de différents modèles numériques ont été présentés et validés par comparaison avec les données expérimentales disponibles. Pour un certain ensemble de paramètres numériques appropriés, un bon accord entre les résultats prédits par CFD et les données expérimentales a été trouvé.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 139-143).
Mots-clés libres: alternateur hydroelectrique, interaction de roto-stator, performance thermique, convection, turbulence
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Pham, Tan
Codirecteur:
Codirecteur
Labbé, Paul
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 14 mars 2019 20:32
Dernière modification: 14 mars 2019 20:32
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2232

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