In this thesis, a parametric methodology is investigated to design a Pump-Turbine system using Computational Fluid Dynamics ( CFD ). The parts of Pump-Turbine are created parametrically according to the experience curves and theoretical design methods. Then, these parts are modified to obtain 500 kW turbine working as a pump with 28.15 meters head. The final design of Pump-Turbine parts are obtained by adjusting parameters according to the results of the CFD simulations. The designed parts of the Pump-Turbine are spiral case, stay vanes, guide vanes, runner and draft tube. These parts are designed to obtain not only turbine mode properties but also pump mode properties.

Boiler feed pump turbines (BFPTs) are in use at a number of Eskom power stations. They utilise bled steam extracted from the main turbine in order to drive multistage centrifugal pumps which supply the boilers with feedwater. With an increase of renewables in the energy mix, the need for Eskom’s coal-fired power stations to run for extended periods at very low loads has arguably never been this great. Various systems affect the ability of these generation units to run economically at low loads. One such system is the boiler feed pump turbine and its associated pumps. A station was selected from Eskom’s fleet based on access to information and the station being a relatively typical plant. The Unit (a boiler and turbogenerator set) selected for study was one with the most thorough instrumentation available for remote monitoring. The BFPT system of this Unit was modelled in Flownex, a one-dimensional thermofluid process modelling package. The model included individual pump stages, steam admission valves and a stage-by-stage turbine model utilising custom stage components. These turbine stage components represent each stage with nozzles and other standard Flownex components. The boundary conditions of the system were set as functions of generator load in order to represent typical values for use in case studies. The relationships between load and boundary conditions were based on large samples of data from the station’s data capture system (DCS). A corresponding standby electric feed pump system was also modelled in Flownex for a comparative case study. After model validation, a number of case studies were performed, demonstrating the functionality of the model and also providing specific results of value to the station in question. These results include the minimum generator load possible with different steam supplies; maximum condenser back pressure before plant availability is affected; the viability of changing the pump leak-off philosophy; and the effect of electric feed pump use on power consumption. The main recommendations from the case studies were as follows: i. to stroke the steam admission valves as per the design charts, ii. to test the operation of the BFPT down to 40 % generator load, iii. to keep the pump leak-off philosophy unchanged, iv. to maintain the cooling water system and condensers sufficiently to avoid poor condenser vacuum, v. to reconsider the decommissioning of the “cold reheat” steam supply, vi. and, to favour use of the BFPT over the electric feed pumps at all generator loads.

Actuellement, la flexibilité et le stockage de l'énergie sont parmi les principaux défis de l'industrie de l'énergie. Les stations de transfert d'énergie par pompage (STEP), en utilisant des turbines-pompes réversibles, comptent parmi les solutions les plus rentables pour répondre à ces besoins. Pour assurer un réglage rapide du réseau électrique, les turbines-pompes sont sujettes à de rapides changements entre modes pompage et turbinage. Elles sont souvent exposées à un fonctionnement prolongé dans des conditions hors nominal. Pour assurer la stabilité du réseau, la zone d'exploitation continue de turbines-pompes réversibles doit être libre de toute instabilité hydraulique. Deux sources principales d'instabilités en mode pompage peuvent limiter la plage de fonctionnement continu. Il s'agit de la présence de cavitation et de décollement tournant, tous deux survenant à charge partielle. La cavitation peut conduire à des vibrations, des pertes de performance et parfois même à l'érosion de la turbine-pompe. En outre, en raison de décollements tournants (apparition et décomposition périodique de zones de recirculation dans les régions du distributeur), la machine peut être exposée à un changement incontrôlable entre les points de fonctionnement, avec une modification de charge et une baisse significative des performances. Les deux phénomènes sont très complexes, tri-dimensionnels et délicats à étudier. Surtout le phénomène de décollement tournant dans les turbines-pompes est peu abordé dans la littérature. Le premier objectif de l'étude du doctorat présenté a été d'utiliser un code numérique, testé au laboratoire, et de développer une méthodologie de calcul pour permettre la prévision des phénomènes à charge partielle. L'étude a été faite sur une géométrie à échelle réduite d'une turbine-pompe de haute chute. Des calculs numériques ont été effectués en utilisant le code FINE/Turbo avec le modèle de cavitation barotrope qui a été développé au laboratoire. L'analyse des écoulements cavitants a été faite pour des débits et de niveaux de cavitation différents. Les principales analyses portent sur des valeurs naissantes de cavitation, des courbes de chute et sur le prédiction des formes de cavitation pour différents débits et valeurs de NPSH. Une attention particulière a été portée sur l'interaction entre les formes de cavitation à l'entrée de la roue et la baisse de performance (zone de feston), causée par le décollement tournant qui apparaît dans la région du distributeur. Les résultats numériques ont montré un bon accord avec les données expérimentales disponibles. La deuxième partie de la thèse a concerné la prédiction et l'analyse de décollements tournants. Des simulations ont été utilisées pour prédire les régions d'exploitation stables et instables de la machine. La méthodologie mentionnée pourrait fournir des résultats globaux précis pour différents points de fonctionnement avec un faible coût de calcul. Afin d'obtenir des informations détaillées sur les écoulements instables, des simulations instationnaires plus précises ont été réalisées. L'analyse locale des écoulements a permis la description des mécanismes gouvernant le phénomène de décollement tournant. Les analyses permettent l'étude du nombre, de l'intensité et des fréquences de rotation des cellules tournants. En outre, les calculs instationnaires donnent une très bonne prédiction de la performance de la turbine-pompe. L'approche proposée est fiable, robuste et précise. La méthodologie de calcul proposée peut être utilisée sur plusieurs géométries de turbine-pompe (ou pompe centrifuge), pour une large gamme de débits et de géométries de directrices. Les simulations proposées peuvent être utilisées à l'échelle industrielle pour étudier les effets de géométrie, d'angles d'ouverture de directrices ou de l'influence du jeu entre la roue et le distributeur afin de réduire ou même éliminer les effets négatifs des décollements tournants. / Flexibility and energy storage seem to be the main challenges of the energy industry at the present time. Pumped Storage Power Plants (PSP), using reversible pump-turbines, are among the most cost-efficient solutions to answer these needs. To provide a rapid adjustment to the electrical grid, pump-turbines are subjects of quick switching between pumping and generating modes and to extended operation under off-design conditions. To maintain the stability of the grid, the continuous operating area of reversible pump-turbines must be free of hydraulic instabilities. Two main sources of pumping mode instabilities are the presence of the cavitation and the rotating stall, both occurring at the part load. Presence of cavitation can lead into vibrations, loss of performance and sometimes erosion. Moreover, due to rotating stall that can be observed as periodic occurrence and decay of recirculation zones in the distributor regions, the machine can be exposed to uncontrollable shift between the operating points with the significant discharge modification and the drop of the efficiency. Both phenomena are very complex, three-dimensional and demanding for the investigation. Especially rotating stall in the pump-turbines is poorly addressed in the literature. First objective of the presented PhD study has been to develop the cost-efficient numerical methodology in order to enable the accurate prediction and analysis of the off-design part load phenomena. The investigations have been made on the reduce-scaled high head pump-turbine design (nq = 27rpm) provided by Alstom Hydro. Steady and unsteady numerical calculations have been performed using code FINE/Turbo with barotropic cavitation model implemented and developed before in the laboratory. Some of the numerical results have been compared to the experimental data. Cavitating flow analysis has been made for various flow rates and wide range of cavitation levels. Flow investigation has been focused on the cavitation influence on the flow behavior and on the performance of the machine. Main analyses include incipient cavitation values, head drop curves and cavitation forms prediction for wide ranges of flow rates and NPSH values. Special attention has been put on the interaction between cavitation forms and the performance drop (hump zone) caused by the rotating stall. Cavitation results showed good agreement with the provided experimental data. Second part of the thesis has been focused on the prediction and analysis of the rotating stall flow patterns. Computationally fast steady simulations has been presented and used to predict stable and unstable operating regions. The analyses have been done on 4 different guide vanes openings and 2 guide vanes geometries. In order to get detailed information about the unsteady flow patterns related to the rotating stall, more exact unsteady simulations have been performed. Local flow study has been done to describe in details the governing mechanisms of the rotating stall. The analyses enable the investigations of the rotating stall frequencies, number of stalled cells and the intensity of the rotating stall. Moreover, the unsteady calculations give very good prediction of the pump-turbine performance for both, stable and unstable operating regions. Numerical results give very good qualitative and quantitative agreement with the available experimental data. The approach appears to be very reliable, robust and precise. Even though the numerical results (rotating stall frequencies, number of cells...) on the actual geometry should be confirmed experimentally, author believes that the methodology could be used on any other pump-turbine (or centrifugal pump) geometry. Moreover, the simulations can be used industrially to study the effects of the guide vanes geometries, guide vanes opening angles and influence of the gap between the impeller and the distributor in order to reduce or even eliminate the negative effects of the rotating stall.

Les Stations de Transfert de l’Énergie par Pompage (STEP) munies de turbines-pompes réversibles de type Francis (TP) permettent de stocker et de restituer de grandes quantités d’énergie avec des rendements très élevés. Celles-ci apparaissent comme un moyen viable d’assurer la réactivité et la stabilité du réseau électrique vis-à-vis de l’augmentation croissante des sources d’énergie renouvelables intermittentes. Pour répondre aux nouveaux besoins en régulation du réseau électrique, la technologie actuelle des STEP doit être adaptée. Accroître la réactivité requiert d’optimiser les procédures de démarrage et d’arrêt des machines. Dans les quadrants turbine, turbine-frein et pompe inverse, les TP de haute chute ont des courbes caractéristiques présentant la forme d’un « S ». Cette forme particulière peut engendrer des coups de béliers lors des phases d’arrêts d’urgences, exposant les conduites à de sévères surpressions et dépressions. De plus, pour ces points de fonctionnement associés au « S » les écoulements sont fortement instationnaires et induisent des fluctuations de pression responsables de chargements dynamiques sur les parties mécaniques. Les objectifs de ce travail sont la modélisation et la compréhension des phénomènes hydrauliques complexes liés au « S ». Des simulations numériques instationnaires sont réalisées en utilisant le modèle de turbulence SAS-SST. Moins couteux que les modèles LES, ce modèle permet de résoudre d’une partie du spectre turbulent et ainsi de prendre en compte les principaux effets instationnaires. Trois configurations de turbine-pompe de même vitesse spécifique (nq=40) sont étudiées. Une seule (grande) ouverture de directrices est retenue pour chaque configuration. Les points de fonctionnement considérés couvrent une large gamme de conditions d’opération, allant du fonctionnement en régime continu (rendement élevé) jusqu’au débit nul, en passant par le point d’emballement. Les résultats des calculs sont comparés aux mesures expérimentales. La bonne corrélation entre valeurs numériques et expérimentales valide la pertinence du modèle numérique. Les analyses des performances de la machine et des fluctuations de pression permettent d’identifier les régions de l’écoulement associées aux principales instabilités. Enfin, les visualisations de l’écoulement couplées à une étude des mécanismes de dissipation de l’énergie mettent en évidence les principaux phénomènes à l’origine de la forme en « S » des courbes caractéristiques. / Pumped Storage Plants (PSP) using reversible Francis pump-turbines can store large amounts of energy with high efficiency. They therefore appear as a cost-effective tool to provide stability to the energy production network against the intermittency of renewable energy sources. Nevertheless, start-up and shutdown procedures still need to be improved to increase the reactivity of the PSP. Reversible high head pump-turbines have characteristic curves that exhibit an S-Shape in the turbine, turbine-brake and reverse pump quadrants. This S-Shape may be responsible for surge transient phenomena in the case of an emergency shutdown (for large guide vane opening). Moreover, for operating point in the S-Shape region, the flow is highly unsteady and leads to a high level of pressure fluctuations and strong dynamic loadings on the mechanical parts. The objective of the current work is to perform a comprehensive study of the complex hydraulic phenomena linked with the S-Shape. Unsteady numerical computations are carried out using the turbulence model SAS-SST. Such a model can resolve part of the turbulent spectrum while maintaining affordable computational cost. It therefore offers an interesting alternative to more expensive LES computations. Three different configurations of pump-turbine with the same specific speed (nq=40) are investigated. Several operating conditions from optimal efficiency point to zero discharge condition for a given large guide vane opening are studied. Numerical results show good agreement with the experimental data. Accuracy of the numerical model is thus assessed. The investigations of the global performances of the pump-turbine and the pressure pulsations help to identify the region of the flow which are associated with the main instabilities. Finally, flow visualizations linked with the analysis of the mechanisms of energy dissipation reveal the major flow phenomena at the origin of the S-Shape.

Tato dizertační práce se zabývá vývojem optimalizačního nástroje, který je založen na metodě Particle swarm optimization a je poté aplikován na dva typy oběžných kol radiálních čerpadel.