Study of the dynamic behavior of Pelton Turbines

Abstract

The future of hydropower is tied to the rapid increase of new renewable energies, such as photovoltaic and wind energy. With the growing share of intermittent electricity production, the operation of hydropower installations must be more flexible in order to guarantee the balance between supply and demand. As a result, turbines must increase their operating range and undergo more starts and stops, what leads to a faster deterioration of the turbine components, especially the runner. In the current scenario, condition monitoring constitutes an essential procedure to assess the state of the turbines while in operation and can help preventing major damage.
 Pelton turbines are used in locations with high heads and low discharges. The runner is composed by a disk with several attached buckets, which periodically receive the impact of high speed water jets. Buckets must thus endure large tangential stresses that can lead to fatigue problems and, in case the natural modes of the runner are excited, this problem can be severely aggravated. Therefore, a deep comprehension of the modal behavior and dynamics of Pelton turbines is required in order to keep track of the runner condition with monitoring systems. 
 In this thesis, the dynamic behavior of Pelton turbines during different operating conditions has been studied in detail and the knowledge acquired has been used to upgrade the present condition monitoring. The first part of the document comprises the study of the modal behavior of Pelton turbines. A systematic approach has been followed with such purpose; first a single bucket has been analyzed, second the runner and then the whole turbine. With the help of numerical models and experimental tests the natural frequencies and mode shapes have been identified and classified. The effect of the mechanical design and the boundary conditions has also been discussed. 
 The second part of the thesis is focused on determining the transmission of the runner vibrations to the monitoring locations. It is proved that these can be detected from the bearings and that the transmission depends on the mode type. 
 In the third and last part, the analysis of Pelton turbines in operation is carried out. Two different machines have been studied during start-up and under different load conditions to determine which modes are excited, how the frequencies change in operation with respect to the still machine and how they are detected from different positions. The spectrum frequency bands corresponding to the runner modes and the overall vibration levels have been analyzed. Finally, the information obtained has been used to propose an upgrade of the current practice in condition monitoring. A case of damage has been analyzed with a numerical model and with historic data to illustrate the strategy. El futur de l'energia hidràulica està lligat al ràpid creixement de les noves energies renovables, tals com l'energia fotovoltaica i l'eòlica. A mesura que la porció d'energia intermitent que es produeix creix, el funcionament de les instal·lacions hidroelèctriques es veu forçat a ser més flexible per tal de garantir el balanç entre el subministrament i la demanda d'energia. Això es tradueix en un increment del rang de funcionament de les turbines i en més parades i arrancades, fet que contribueix a un deteriorament més ràpid dels seus components, especialment del rodet. En la situació actual, la monitorització de l'estat de les turbines és essencial per tal d'assegurar-ne les bones condicions de funcionament i evitar danys majors. Les turbines Pelton s'utilitzen en emplaçaments amb salts elevats i cabals reduïts. El rodet està compost per un disc amb diverses culleres que reben periòdicament l'impacte de raigs d'aigua a molta velocitat. Com a conseqüència, les culleres han de suportar grans tensions en direcció tangencial, les quals comporten seriosos problemes de fatiga a l'estructura. En cas que els modes naturals del rodet també s'excitin pels rajos d'aigua, aquest problema és altament agreujat. Així, és necessari tenir un coneixement profund del comportament modal i dinàmic de les turbines Pelton per tal de controlar l'estat del rodet amb sistemes de monitorització. En aquesta tesi s'ha estudiat en detall el comportament dinàmic de turbines Pelton en diferents condicions d'operació. El coneixement adquirit s'ha utilitzat per a millorar el sistema de monitorització actual. La primera part del document comprèn l'estudi del comportament modal de turbines Pelton. Amb tal propòsit s'ha abordat el problema de manera sistemàtica: primer s'han analitzat els modes d'una sola cullera, després els del rodet sencer i per últim els de tota la turbina. Amb l'ajuda de models numèrics i de proves experimentals s'han identificat i classificat les corresponents freqüències naturals i formes modals. A més a més s'ha estudiat l'efecte del disseny mecànic i de les condicions de contorn. La segona part d'aquesta tesi està centrada en determinar la transmissió de les vibracions del rodet a les posicions de monitorització. S'ha demostrat que aquestes es poden detectar des dels coixinets i que la qualitat de la transmissió depèn del tipus de mode. A la tercera i última part s'ha dut a terme l'anàlisi de turbines Pelton en funcionament. S'han estudiat dues màquines diferents durant el transitori de posta en marxa i sota diferents càrregues per tal de determinar quines modes s'exciten, com canvien les freqüències de la turbina en funcionament respecte la màquina parada i com es detecten des de les diferents posicions. Les bandes de freqüència de l'espectre de vibració corresponents als diferents modes del rodet i els nivells de vibració s'han analitzat. Finalment, la informació obtinguda ha estat utilitzada per a fer una proposta de millora de l'actual procediment de monitorització. Un cas de dany en un rodet ha estat analitzat amb un model numèric i amb l'històric de vibracions per tal d'il·lustrar l'estratègia a seguir en un futur.