Analyse modale harmonique des roues de turbines hydroélectriques par l’étude des régimes permanents

Morin, Nicolas (2023). Analyse modale harmonique des roues de turbines hydroélectriques par l’étude des régimes permanents. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La nouvelle réalité d’utilisation des turbines hydroélectriques comme régulateur de réseau et les récents mouvements de valorisations de la donnée justifient les efforts actuels de développement de jumeaux numériques dans le domaine. L’exploitation des données d’opération des turbines est au cœur du mouvement. En effet, des outils de surveillance permettent de réaliser, en temps réel, le diagnostic sur l’état des groupes. Les deux principaux modes de défaillance des roues des turbines Francis sont la fatigue et la cavitation. Le calcul de leur durée de vie en fatigue est tributaire de l’état initial des micro-défauts sur la surface des aubes dans les zones du raccordement à la couronne et à la ceinture, et aussi de leur historique de chargement. De plus, les outils de conception par simulation numérique gagnent encore à être validés à l’aide de données expérimentales. La caractérisation des comportements dynamiques dans un groupe turbine-alternateur par l’analyse modale en opération est toujours d’actualité en recherche.

Les travaux de ce mémoire s’inscrivent sous la thématique de l’identification modale des roues de turbines hydroélectriques en régime stationnaire. Le projet est en collaboration avec l’IREQ (Hydro-Québec) et Andritz Hydro. Le mémoire présente une revue de littérature succincte sur le comportement dynamique des roues, les méthodes d’identification modale et leurs incertitudes. La méthodologie proposée repose sur l’analyse des harmoniques synchrones de la roue telles que mesurées par des jauges de déformation, en retenant l’hypothèse que chaque harmonique excite un groupe précis de modes vibratoires.

Trois grands volets techniques sont explorés: la modélisation de la réponse de la roue à une excitation périodique, l’identification de systèmes sous le formalisme bayésien et l’analyse modale opérationnelle. Des biais sur la méthode telle que l’omission des excitations stochastiques et de l’amortissement dans le modèle ont été identifiés. Des limites d’identifiabilité au niveau des différentes périodicités d’excitation et de la quantité de modes considérés ont également été identifiées. Des connaissances supplémentaires sont à acquérir, entre autres, sur la séparation des composantes stochastiques et périodiques de signal, sur l’amortissement des turbines et sur les outils de sélection de modèles.

Titre traduit

Harmonic modal analysis of hydroelectric turbine runners in steady-state operations

Résumé traduit

The emerging use of hydroelectric turbines as grid regulators and recent trends in data valuation justify current efforts to develop digital twins in the field. Indeed, monitoring tools enable real-time diagnosis of turbine conditions. For the runner, fatigue and cavitation are the two main failure modes. For a Francis runner, fatigue calculations depend on the initial state of micro defects on the blades in the connection areas between the crown and the belt, as well as the runner's loading history. Furthermore, the calibration of numerical simulation tools using experimental data is still relevant. Therefore, the characterization of the dynamic behaviour of a turbine-generator unit through modal analysis in operation remains a current research topic.

The presented research works focus on the modal identification of hydroelectric turbine runners in steady-state operation. The project is in collaboration with IREQ (Hydro-Québec) and Andritz Hydro. The master’s thesis provides a concise literature review on the dynamic behaviour of turbine runners, modal identification methods and their associated uncertainties. The proposed methodology is based on the analysis of synchronous harmonics of the runner observed in strain gauge measurements, assuming that each harmonic excites a specific group of vibrational modes.

Three main technical aspects are explored: modelling of a runner’s response to periodic excitations, system identification using Bayesian formalism, and operational modal analysis. Biases in the method, such as the omission of stochastic excitations and damping in the model have been identified. The method’s sensitivity to different excitation periodicities and the number of considered modes have been assessed and applicability limits were also identified. Additional knowledge is required to enhance the proposed method, particularly regarding the separation of stochastic and periodic signal components, understanding turbine runners damping applied to the method, and model selection tools.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 129-134).
Mots-clés libres:	analyse modale opérationnelle, inférence bayésienne, vibrations synchrones, turbines hydroélectriques, régime stationnaire
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Tahan, Souheil-Antoine
Codirecteur:	Codirecteur Antoni, Jérôme
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	01 févr. 2024 15:24
Dernière modification:	01 févr. 2024 15:24
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3394

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