Quentin Dollon - Doctorant LVA & ETS Montréal - Séminaire du LVA

Analyse modale opérationnelle de roues de turbines hydroélectriques en régime transitoire

Depuis le début des années 1990, l'utilisation des turbines hydroélectriques a grandement changé pour s'adapter à l'évolution des besoins du réseau. L’intermittence du besoin en énergie des populations (alternance jour/nuit), ainsi que l’instabilité innée de certaines sources de production (les énergies « vertes », tributaires de la météo), ont poussé les exploitants à se servir des turbines comme des moyens de productions palliatifs, servant de stabilisateurs de puissance. Les turbines se prêtent particulièrement bien à cette mission car elles présentent le double avantage de pouvoir moduler leur production rapidement et d'être très simple à démarrer ou arrêter. Cette nouvelle utilisation des roues hydroélectriques implique un fonctionnement bien souvent hors de leur régime optimal, agrémenté de nombreuses phases transitoires (ajustement de la charge, démarrages, arrêts). En conséquence, la capacité des turbines à jouer le rôle de stabilisateur est à pondérer par une dégradation accélérée des installations.
Malheureusement, le comportement dynamique des turbines en transitoire est très mal connu, et la prédiction de leur durée de vie et de la fiabilité est donc approximative. L'amélioration de l'évaluation des indices de performance des machines hydrauliques repose donc sur une meilleure appréhension des phénomènes transitoires, et par le développement de modèles prédictifs efficients. Si les outils numériques sont particulièrement précis pour des simulations en régime stationnaire, ils montrent rapidement des limites lors de l’estimation du comportement transitoire. Pour pallier à la détérioration des performances numériques, une idée émergente repose sur l’exploitation de mesures expérimentales réalisées lors de la mise en service de machines ou lors de sessions de maintenances.
Ces mesures contiennent de l’information sur le comportement réel de la machine. Correctement traités, les signaux délivrent des estimations fiables sur les propriétés mécaniques et sur le comportement de la roue dans certains régimes particuliers. Les résultats peuvent servir d’outils de validation pour les modèles numériques, ou encore de moyens de calibration pour améliorer les prédictions. La portée des travaux engagés se limite à l’exploration de données enregistrées lors de régimes à vide, particulièrement dégradants. L’objectif est d’estimer la réponse modale de la machine, afin d’accéder aux paramètres modaux réels, difficiles à estimer autrement (difficulté principalement due aux interactions fluides-structures). La quantification et la minimisation des incertitudes reliées aux modèles de traitement de signal est capitale, afin de générer des résultats crédibles exploitables. À terme, l’analyse modale opérationnelle des machines est appelée devenir une routine systématique. Les paramètres modaux peuvent ensuite servir à calibrer les modèles pour obtenir des niveaux de chargement plus précis, et améliorer la prédiction de l’état de fatigue des roues. Couplées à des méthodes inverses, ces mêmes données peuvent également servir à estimer les paramètres d’interaction fluide-structure, afin d’optimiser la conception des structures hydrauliques au regard de leur comportement réel.