Analyse modale opérationnelle des roues de turbines hydroélectriques par l’étude de régimes transitoires

Dollon, Quentin (2021). Analyse modale opérationnelle des roues de turbines hydroélectriques par l’étude de régimes transitoires. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Depuis plusieurs années, l’intermittence des sources de production solaires et éoliennes a poussé les exploitants à utiliser les turbines comme des moyens de production palliatifs, servant de stabilisateurs du réseau. Les turbines se prêtent particulièrement bien à cette mission car ce sont des installations très agiles, qui ont des capacités de modulation de production rapide et des procédures de démarrage/arrêt simples. Cette nouvelle utilisation des roues hydroélectriques implique un fonctionnement bien souvent hors de leur régime optimal, associé à de nombreuses phases transitoires. En conséquence, la capacité des turbines à jouer le rôle de stabilisateur est à pondérer par une dégradation accélérée des installations.

Cette dégradation par fatigue peut s’accompagner d’une perte de fiabilité des modèles numériques. Pour remédier à la détérioration des performances numériques, une idée repose sur l’exploitation de mesures expérimentales réalisées sur des prototypes opérationnels. Ces mesures contiennent de l’information sur le comportement réel de la machine. Correctement traités, les signaux délivrent une estimation fiable des propriétés mécaniques et du comportement de la roue dans certains régimes particuliers. Ces axes de réflexion ont mené au développement de différents projets de recherche à HydroQébec, dont les plus notables sont les projets PREDDIT (Prédiction de la Dégradation et Diagnostic Intégré des Turbines) et THAUR (Turbines Hydroélectriques Adaptées à leur Utilisation Réelle).

En collaboration avec Andritz et l’IREQ, les travaux décrits dans ce mémoire s’intègrent dans la continuité de ces projets, et se concentrent sur le développement d’une méthodologie pour l’identification des paramètres structuraux caractérisant le comportement dynamique des roues de turbine lorsqu’elles fonctionnent en régime transitoire. L’objectif pratique est d’estimer la réponse modale de la machine, afin d’accéder aux paramètres modaux réels et à leurs incertitudes. La méthodologie repose sur l’analyse des résonances synchrones générées par les harmoniques de la vitesse de rotation. Ces résonances sont extraites par des algorithmes de suivi d’ordre synchrone, puis caractérisées à l’aide d’outils d’analyse modale opérationnelle. Il s’est avéré que les outils d’identification bayésiens sont bien adaptés au traitement des données.

Un travail de réflexion a également été mené sur l’usage des paramètres expérimentaux, et sur le développement de modèles hybrides plus précis. Les résultats ont servi d’outils de validation pour les modèles numériques, et de moyen de calibration pour préciser les estimations de vitesse critique. La finalité du projet repose sur l’obtention de niveaux de chargement plus précis, afin d’améliorer la prédiction de l’état de fatigue des roues.

Titre traduit

Operational modal analysis of hydroelectric turbines using transient experiments

Résumé traduit

Since the early 1990’s, the use of hydroelectric turbine has significantly changed to meet the power grid requirements. The energy consumption intermittency and the instability of certain sources of energy have prompted users to operate turbines in a way that balances the grid. Indeed, turbines are particularly well suited for such a task, as they can easily modulate their production and are effortless to start or stop. This new use compels hydroelectric turbines to operate across a wide operating range often away from their best efficient point, and to withstand non-stationary loads during transients. Consequently, the hydroelectric turbine ability to play the role of power buffers must be weighed against early damages and failures.

The fatigue damaging process can come with a numerical reliability loss, due to the difficulty of numerical computations to simulate transient and part load regimes. To compensate for the loss of numerical performances, one recent idea in to take benefit from experimental measurements conducted during turbine commissioning or refurbishments. Such data contains information about the real behavior of the device. Properly handled, signal processing should be able to extract runner mechanical characteristic estimates in some specific regimes. At HydroQuébec, this research area has been investigated for years in two wide research projects : Damage Prediction and Integrated Diagnosis of Turbines (PREDDIT), and Hydroelectric Turbines Suited for their Real Use (THAUR).

In collaboration with IREQ and Andritz, the research introduced in this thesis is a continuation of these projects. The scope of the work is to investigate data recorded during transient regimes, particularly harmful for the structure. The main objective is to estimate the structure’s modal response, in order to extract modal parameters and related uncertainties. The methodology relies on the characterization of synchronous resonances induced by the harmonics of the rotating speed. Such resonances are extracted using advanced order tracking algorithms, then characterized using operational modal analysis. It appears that Bayesian identification tools are well suited to the processing of our data.

Also, a discussion was made about the use of identification results in industrial contexts, to obtain more accurate hybrid models. Results were used to validate numerical models, and for calibrating finite element routines, in order to predict more accurate critical speeds. The final goal is to make better load level assessments, in order to improve the runner fatigue health predictions.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse présentée à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention du doctorat en génie". Comprend des références bibliographiques (pages 239-261).
Mots-clés libres:	analyse modale opérationnelle, inférence bayésienne, résonances synchrones, turbines hydroélectriques
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Tahan, Souheil-Antoine
Codirecteur:	Codirecteur Antoni, Jérôme
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	08 févr. 2022 19:14
Dernière modification:	23 févr. 2022 18:40
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2885

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