608532 - hyperbole - deliverable d2

31
Deliverable D2.3 Documentation of proposed transposition procedure Project number 608532 Project title HYPERBOLE HYdropower plants PERformance and flexiBle Operation towards Lean integration of new renewable Energies Call (part) identifier FP7‐ENERGY‐2013‐1 Funding scheme Collaborative project Date February 20, 2017 Partner Author P2 – GE Renewable Energy Name e‐mail Florian DUPARCHY [email protected] Deliverable Number Deliverable 2.3

Upload: others

Post on 05-Feb-2022

9 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

Deliverable D2.3 Documentation of proposed transposition procedure    Project number 608532  

Project title HYPERBOLE  ‐  HYdropower  plants  PERformance  and  flexiBle Operation towards  Lean integration of new  renewable Energies 

 Call (part) identifier FP7‐ENERGY‐2013‐1  

Funding scheme Collaborative project  

Date February 20, 2017  

Partner Author P2 – GE Renewable Energy 

Name  e‐mail 

Florian DUPARCHY  [email protected] 

   

   

 

Deliverable Number Deliverable 2.3  

   

Page 2: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 2/31  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

This page is intentionally left blank 

 

 

 

   

Page 3: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 3/31  

Documentation of proposed 

transposition procedure 

Contents 1  General data ...................................................................................................................................... 4 

1.1  Context and objective ................................................................................................................ 4 

1.2  Reference documents ................................................................................................................ 4 

2  Proposed transposition procedure .................................................................................................... 4 

3  Reduced‐scale physical model test.................................................................................................... 5 

3.1  Instrumentation ......................................................................................................................... 5 

3.2  Results ....................................................................................................................................... 7 

3.2.1  Dynamic strain ................................................................................................................... 7 

3.2.2  Frequency signature .......................................................................................................... 8 

4  Full‐scale turbine test ...................................................................................................................... 11 

4.1  Instrumentation ....................................................................................................................... 11 

4.2  Results ..................................................................................................................................... 12 

4.2.1  Dynamic strain ................................................................................................................. 12 

4.2.2  Frequency signature ........................................................................................................ 13 

5  Validation of the transposition procedure ...................................................................................... 16 

5.1  Peak‐to‐peak strain divided by net head ................................................................................. 16 

5.2  Peak‐to‐peak strain divided by U²/2g ...................................................................................... 17 

5.3  Frequency spectra ................................................................................................................... 18 

5.3.1  Deep part load ................................................................................................................. 19 

5.3.2  Part load........................................................................................................................... 21 

5.3.3  Nominal load.................................................................................................................... 23 

5.3.4  Full load ........................................................................................................................... 25 

6  Summary and discussion ................................................................................................................. 27 

6.1  Summary .................................................................................................................................. 27 

6.2  Discussion ................................................................................................................................ 30 

6.3  Potential impacts of the presented results ............................................................................. 30 

 

   

Page 4: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 4/31  

1 General data 

1.1 Context and objective 

Mechanical measurements using strain gauges directly located on the runner have been performed on 

the  full‐scale  hydropower  plant  unit  of  the  Francis  turbine  test  case  in  November  2016.  These 

measurements give the opportunity to compare the mechanical behaviour of the full‐scale runner to 

the  reduced‐scale  runner  previously  tested at  the  Ecole Polytechnique  Fédérale de  Lausanne  (EPFL) 

Laboratory for Hydraulic Machines (LMH). 

The objective of this document is to propose a procedure to transpose the mechanical strain measured 

on the reduced‐scale model to the full‐scale runner. 

1.2 Reference documents 

[Ref. 1] Hyperbole Deliverable D2.1. Steady state and modal analysis. 

[Ref. 2] Hyperbole Deliverable D2.2.  Calculation report. Dynamic behaviour of the Francis runner under 

full load, part load and deep part load. 

[Ref. 3] Hyperbole Deliverable D1.4.  Report of Experimental Hydro‐Mechanical test on Model Turbine. 

2 Proposed transposition procedure 

The  main  characteristics  of  both  the  reduced‐scale  physical  model  and  the  full‐scale  turbine  are 

summarized in the following table. 

Table 1: Main characteristics of the reduced‐scale physical model and of the full‐scale industrial turbine 

Parameter  Symbol  Unit  Reduced‐scale model  Full scale turbine 

Runner outlet diameter 

Øs  [mm]  350  5400 

Net head for the tests 

Hn  [mWC]  26.8  178.5 

Material Young’s modulus 

E  [MPa]  205000  205000 

nED tested  nED  [‐]  0.268  0.288  0.317  0.277 

Nominal QED at given nED 

QED,nom  [‐]  ≈ 0.2  ≈ 0.2  ≈ 0.2  ≈ 0.2 

Rotational speed  n  [rpm]  744  800  880  128.6 

Rotational frequency 

f0  [Hz]  12.4  13.3  14.7  2.14 

Tangential velocity at the low pressure diameter of the runner 

U  [m/s]  13.63  14.66  16.13  36.36 

Grooves for strain gauges 

    Yes, around 0.28 mm deep  No, directly on surface 

Gravity  g  [m/s²]  9.8063  9.8096 

 

 

Page 5: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 5/31  

For the transposition of the dynamic strain from the reduced‐scale model to the full‐scale turbine, two 

approaches are proposed: 

The first one is based on the ratio of the net head, therefore: 

. . 

with:   ε: dynamic strain 

Hn: net head E: Young’s modulus 

M subscript: reduced‐scale model 

P subscript: full‐scale turbine  

The second one is based on the ratio of the kinetic energy at runner low pressure diameter of the runner (U²/2g): 

.

2

.

2

 

with:   ε: dynamic strain 

U: tangential velocity at the low‐pressure diameter of the runner 

E: Young’s modulus g: gravity 

M subscript: reduced‐scale model 

P subscript: full‐scale turbine 

3 Reduced‐scale physical model test 

3.1 Instrumentation 

The  runner  used  for  the  reduced‐scale  physical  model  tests  was  equipped  with  24  strain  gauges 

distributed on 3 different blades, namely blades 5, 9 and 13, as shown in Figure 1. 

 

Figure 1: Location of the strain gauges on the reduced‐scale physical model. 

In order to reduce the impact on the cavitation and the hydraulic performances, the strain gauges were 

not stuck directly on the surface of the blades but at the bottom of grooves. Consequently, the strain at 

the  surface  of  the  blade  was  not  directly  measured.  This  can  have  a  significant  impact  on  the 

transposition of the results between the reduced‐scale model and the full‐scale runner. 

Page 6: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 6/31  

In addition, the geometry of the crown and the band of the reduced‐scale model is different from the 

original full‐scale runner, outside of the water passage. These differences are shown in Figure 2. They 

can affect the mechanical behaviour of the runner and affect the quality of the transposition. 

 

Figure 2: Differences in term of geometry between the reduced‐scale model runner and the full‐scale prototype runner 

According to the conclusions of the deliverable D2.2 [Ref. 2], the strain gauges of the blade 13 are the 

most reliable ones. The study is therefore focused on these strain gauges.  

The following table summarizes the location of the strain gauges. S is the distance measured between 

the trailing edge of the blade and the centre of the strain gauge. W is measured between the fillet radius 

and the centre of the strain gauge. The values are given at the prototype scale in order to be compared 

to the location of the strain gauge on the full‐scale runner (see § 4). 

Table 2: Reduced‐scale runner. Location of the strain gauges (prototype scale) 

        S (distance to trailing edge) 

W (distance to fillet radius) 

   Strain gauge ‐ model Channel name  [mm]  [mm] 

Crown 

B13‐01‐PS‐CR‐TE  B13‐SG1  48  120 

B13‐03‐PS‐CR‐TE  B13‐SG2  131  118 

B13‐05‐PS‐CR‐TE  B13‐SG3  215  116 

B13‐07‐PS‐CR‐TE  B13‐SG4  15.9  268 

B13‐09‐PS‐CR‐TE  B13‐SG5  16.3  422 

Band 

B13‐11‐PS‐BD‐TE  B13‐SG6  76.8  66 

B13‐13‐PS‐BD‐TE  B13‐SG7  79  200 

B13‐15‐PS‐BD‐TE  B13‐SG8  154  65.6 

 

Page 7: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 7/31  

3.2 Results 

3.2.1 Dynamic strain As discussed in the Deliverable D2.2 [Ref. 2], the results are post‐processed as follow: 

‐ The  first  five  harmonics  of  the  rotational  frequency  are  subtracted  since  they  have  been identified to be not generated by hydraulic phenomena; 

‐ A 600 Hz low pass filter is applied. 

The results for nED = 0.268 and nED = 0.288 in cavitation condition (σ‐plant) are presented because these 

nED‐values are the closest to the one tested on the full‐scale‐turbine. These graphs show a significant 

strain elevation at full load, around QED/QED, nom=1.3 and another at part load, for 0.3 < QED/QED, nom < 0.7. 

Note: a nED‐value closer to the one available during the site test has also been tested on the test rig 

during a third measurement campaign. However, during this campaign, most of the sensors have been 

lost and all the validation procedure must be repeated before using these measurements, as it has been 

done in Deliverable D1.4 [Ref. 3]. Consequently, these results are not used in this report. 

Figure 3: Reduced‐scale model. Dynamic strain on blade 13 as a function of the discharge factor. nED = 0.268 

Page 8: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 8/31  

 

Figure 4: R  Reduced‐scale model. Dynamic strain on blade 13. nED = 0.288 

3.2.2 Frequency signature In order to identify the dynamic phenomena that solicit the runner, four frequency spectra are plotted 

hereinafter, with three different frequency scales, for QED/QED, nom = 0.25, 0.55, 1.00 and 1.32 with nED = 

0.288. The spectra are presented for the raw signal without post‐treatment. Therefore, the harmonics 

of the rotational frequency are included with the spectra. 

Figure 5 is plotted within the range 0‐150*f0, where f0 is the rotational frequency of the runner. It gives 

a full overview of the phenomena contained in the spectra without filter and serves as a reference for 

the comparison with the prototype measurement. It can be seen that there is no significant phenomena 

above 30*f0. 

In Figure 6 (zoom in the range 0‐30*f0), a peak at 20*f0 can be seen in the 4 spectra, which corresponds 

to the guide vane passing frequency. In 

Figure  7,  which  is  focused  on  the  low  frequencies  range  (zoom  in  the  range  0‐5*f0),  the  following 

observations can be made: 

‐ There is no distinctive phenomenon at QED, nom and QED/QED, nom=0.25; ‐ A peak at 0.65*f0 is observed at QED/QED, nom=0.55, which corresponds to the frequency signature 

of  the  convective  term of  the part  load helical  vortex  rope  seen  from  the  rotating  frame. A second harmonic is also observed; 

‐ A peak at 0.23*f0 with several harmonics is observed at QED/QED, nom=1.32. It corresponds to the effect of the pressure surge observed in presence of the axial vortex rope; 

‐ Several  peaks  at  f0  and  higher  multiples  of  the  rotation  frequency  are  observed.  They  are induced by the measurement system (electromagnetic noise in the signals of the strain gauges) and is probably not related to hydraulic loadings of the turbine. 

Page 9: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 9/31  

Similar observations can be done on a strain gauge close to the band (Figure 8). 

 

Figure 5: Reduced‐scale model. nED = 0.288. Frequency spectra 0‐150*f0. Crown. B13‐SG1 (B13‐01‐PS‐CR‐TE). 

 

Figure 6: Reduced‐scale model. nED = 0.288. Frequency spectra 0‐30*f0. Crown. B13‐SG1 (B13‐01‐PS‐CR‐TE).  

 

QED/QED, nom  0.25  1.32 1.00 0.55 

QED/QED, nom  0.25  1.32 1.00 0.55 

Page 10: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 10/31  

 

Figure 7: Reduced‐scale model. nED = 0.288. Frequency spectra 0‐5*f0. Crown. B13‐SG1 (B13‐01‐PS‐CR‐TE). 

 

Figure 8: Reduced‐scale model. nED = 0.288. Frequency spectra 0‐30*f0. Band. B13‐SG6 (B13‐11‐PS‐BD‐TE). 

 

QED/QED, nom  0.25  1.32 1.00 0.55 

QED/QED, nom  0.25  1.32 1.00 0.55 

Page 11: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 11/31  

4 Full‐scale turbine test 

4.1 Instrumentation 

The full‐scale runner was equipped with 24 strain gauges distributed on 2 blades angularly spaced by 

180°, namely blades 7 and 15. For both blades, the strain gauges are located at the same position.  

 

Figure 9: Full‐scale runner. Location of the strain gauges 

Table 3: Full‐scale runner. Location of the strain gauges on Blade 7. Pressure side. 

      S (distance to trailing edge)  W (distance to fillet radius) 

  Strain gauge ‐ prototype  mm  mm 

Crown 

B7‐01‐PS‐CR  35  90 

B7‐03‐PS‐CR  65  90 

B7‐05‐PS‐CR  35  170 

B7‐07‐PS‐CR  65  170 

Band B7‐09‐PS‐BD  35  35 

B7‐11‐PS‐BD  65  35 

Table 4: Full‐scale runner. Location of the strain gauges on Blade 7. Suction side. 

      S (distance to trailing edge)  W (distance to fillet radius) 

  Strain gauge ‐ prototype  mm  mm 

Crown 

B7‐02‐SS‐CR  35  90 

B7‐04‐SS‐CR  65  90 

B7‐06‐SS‐CR  35  170 

B7‐08‐SS‐CR  65  170 

Band B7‐10‐SS‐BD  35  35 

B7‐12‐SS‐BD  65  35 

By comparison with Table 2, it can be seen that the location of the strain gauges is different between 

the reduced‐scale model and the full‐scale runner (also see Table 15). 

Page 12: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 12/31  

4.2 Results 

4.2.1 Dynamic strain The  results  in  terms  of  dynamic  strain  are  shown  in  the  following  graphs.  The  nED‐value  during  the 

prototype tests is equal to 0.277. The first analysis has been done on the raw time series without post‐

treatment. These graphs show a significant strain elevation at full  load, around QED/QED, nom = 1.3 and 

another at part load, for 0.3 < QED/QED, nom < 0.6 as it has been observed on the reduced‐scale model (see 

Section 3.2.1). However, for 0.6 < QED/QED, nom < 1.0, an additional strain elevation is observed on the 

prototype. 

 

Figure 10: Full‐scale runner. Dynamic strain on blades 7 & 15. Pressure side, crown. nED = 0.277 

 

Figure 11: Full‐scale runner. Dynamic strain on blades 7 & 15. Suction side, crown. nED = 0.277 

 

Page 13: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 13/31  

 

Figure 12: Full‐scale runner. Dynamic strain on blades 7 & 15. Pressure side, band. nED = 0.277 

 

Figure 13: Full‐scale runner. Dynamic strain on blades 7 & 15. Pressure side, band. nED = 0.277 

4.2.2 Frequency signature 

The frequency spectra for QED/QED, nom = 0.25, 0.5, 0.9 and 1.27 are plotted for a large frequency band, 

from zero to 150*f0, with f0=2.15 Hz.  

In the high frequency range, a strain elevation is clearly visible for frequencies around 60*f0 (130 Hz), 

especially for QED/QED, nom = 0.9. This elevation is suspected to be related with a natural frequency of the 

runner, which is not directly a transposable characteristic between the reduced‐scale runner and the 

full‐scale  runner. Several natural  frequencies around 130 Hz have been calculated  in Deliverable 2.1 

[Ref. 1.]. Therefore, for the validation of the transposition procedure, the signal of the prototype should 

be low‐pass filtered at 25*f0. 

 

 

Page 14: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 14/31  

In Figure 15, which is focused on the range 0‐30*f0, the following observations can be done: 

‐ An emergence at the guide vane passing frequency (20*f0) is visible on all the spectra; ‐ There is no significant phenomenon at QED/QED, nom = 0.9 and QED/QED, nom = 0.25 

In Figure 16, which is focused on the frequency range 0‐5*f0, the following observations can be done: 

‐ The harmonics of the rotational frequency, i.e. f0, 2*f0 and 3*f0 are present and their amplitudes increase with the discharge; 

‐ A peak at 0.61*f0 is observed at QED/QED, nom = 0.5, which corresponds to the frequency signature of  the  convective  term of  the part  load helical  vortex  rope  seen  from  the  rotating  frame. A second harmonic is also observed; 

‐ A peak at 0.35*f0 is observed at QED/QED, nom = 1.27. Two harmonics are also visible; ‐ There is no distinctive phenomenon at QED/QED, nom=0.9. 

 Figure 14: Full‐scale runner. Frequency spectra 0‐150*f0. B7‐01‐PS‐CR. 

 

QED/QED, nom  0.25  1.27 0.9 0.5 

Page 15: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 15/31  

 

Figure 15: Full‐scale runner. Frequency spectra 0‐30*f0. B7‐01‐PS‐CR. 

 

 

Figure 16: Full‐scale runner. Frequency spectra 0‐5*f0. B7‐01‐PS‐CR. 

 

 

 

QED/QED, nom  0.25  1.27 0.9 0.5 

QED/QED, nom 0.25  1.27 0.9 0.5 

Page 16: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 16/31  

5 Validation of the transposition procedure First, the peak‐to‐peak values are compared. For this purpose and based on the previous observations, 

the first five harmonics of the rotational frequency are subtracted and a 25*f0 low pass filter is applied 

to the reduced‐scale model time signals. To be consistent, the same post‐treatment is applied to the 

prototype time signals. 

The measurements at nED = 0.288 and nED = 0.268 on  the  reduced‐scale model are compared  to  the 

prototype measurements (nED=0.277). The strain gauges selected for the comparison are given in Table 

5. 

Table 5: Strain gauges used for the validation of the transposition procedure 

Strain gauge  Reduced‐scale model  Full scale turbine 

Runner crown  B13‐01‐PS‐CR‐TE  B7‐01‐PS‐CR 

Runner band  B13‐06‐PS‐BD‐TE  B7‐10‐SS‐BD 

The frequency spectra are finally compared, as well the magnitude of the main phenomena. 

5.1 Peak‐to‐peak strain divided by net head 

 

Figure 17: Dynamic strain/Hn. Comparison between model and prototype. Crown. 

Page 17: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 17/31  

 

Figure 18: Dynamic strain/Hn. Comparison between model and prototype. Band. 

5.2 Peak‐to‐peak strain divided by U²/2g 

 

Figure 19: Dynamic strain/(U²/2g). Comparison between model and prototype. Crown. 

Page 18: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 18/31  

 

Figure 20: Dynamic strain/(U²/2g). Comparison between model and prototype. Band.

5.3 Frequency spectra 

The  frequency  spectra  at  the  operating  points  given  in  Table  6  are  compared  between model  and 

prototype. The points are selected to have the same QED/QED, nom value on both model and prototype, 

except at full load. On each of them, the amplitude of the main phenomena is extracted. At full load, 

the instability is studied, even if it does not appear at the same QED/QED, nom value for the three tested 

conditions, i.e. nED = 0.268 & 0.288 on the model and nED = 0.277 on the prototype. 

Table 6: Selected points for the frequency spectra comparison 

  Reduced‐scale model  Full scale turbine 

QED/QED,nom  nED =0.268  nED=0.288  nED =0.277 

Deep part load  0.25  0.25  0.25 

Part load  0.60  0.60  0.60 

Nominal load  1.00  1.00  1.02 

Full load  1.27  1.32  1.27 

The following frequency spectra are presented without post‐treatment. Therefore, the harmonics of the 

rotational frequency are included in the spectra. 

 

 

 

 

Page 19: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 19/31  

5.3.1 Deep part load At deep part load, there is no significant phenomena, except the guide vane passing frequency at 20*f0. 

The amplitude of  this phenomenon  is  compared.  In  the  range 0‐30*f0,  the  frequency spectra of  the 

model and the prototype have globally the same shape but their level is different. 

 

Figure 21: Frequency spectra comparison model‐prototype. Deep part load. Crown.

Table 7: Model‐prototype comparison. Amplitude at 20*f0. Deep part load. Crown. 

     Amplitude at 20*f0  Amplitude at 20*f0 /Hn  Amplitude at 20*f0 /(U²/2g) 

      [µm/m RMS]  [(µm/m)/mWC RMS]  [(µm/m)/m RMS] 

Reduced‐scale model 

nED =0.268  0.374  0.014  0.039 

nED=0.288  0.414  0.015  0.038 

Full scale turbine 

nED =0.277  3.950  0.022  0.059 

 

Proto 

nED=0.277 

Model 

nED=0.268 

Model 

nED=0.288 

Page 20: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 20/31  

 

Figure 22: Frequency spectra comparison model‐prototype. Deep part load. Band. 

Table 8: Model‐prototype comparison. Amplitude at 20*f0. Deep part load. Band. 

    Amplitude at 20*f0  Amplitude at 20*f0 /Hn  Amplitude at 20*f0 /(U²/2g) 

    [µm/m RMS]  [(µm/m)/mWC RMS]  [(µm/m)/m RMS] 

Reduced‐scale model 

nED =0.268  0.267  0.010  0.028 

nED=0.288  0.239  0.009  0.022 

Full scale turbine 

nED =0.277  2.720  0.015  0.040 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Proto 

nED=0.277 

Model 

nED=0.268 

Model 

Ned=0.288 

Page 21: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 21/31  

5.3.2 Part load At  part  load,  the  frequency  of  the  convective  component  of  the  part  load  vortex  rope  is  the main 

phenomenon. Its value made dimensionless by the runner frequency is the same on both the model and 

the prototype. However, the amplitude depends on the nED‐value on the model. After transposition, the 

amplitude measured on the model is significantly lower than the amplitude measured on the prototype. 

 

Figure 23: Frequency spectra comparison model‐prototype. Part load. Crown. 

Table 9: Model‐prototype comparison. Amplitude at 0.67*f0. Part load. Crown. 

    Amplitude at 

0.67*f0 Amplitude at 0.67*f0 

/Hn Amplitude at 0.67*f0 /(U²/2g) 

      [µm/m RMS]  [(µm/m)/mWC RMS]  [(µm/m)/m RMS] 

Reduced‐scale model 

nED =0.268  0.359  0.013  0.038 

nED=0.288  0.586  0.022  0.053 

Full scale turbine 

nED =0.277  8.680  0.048  0.129 

 

 

 

Proto 

nED=0.277 

Model 

nED=0.268 

Model 

nED=0.288 

Page 22: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 22/31  

 

Figure 24: Frequency spectra comparison model‐prototype. Part load. Band. 

Table 10: Model‐prototype comparison. Amplitude at 0.67*f0. Part load. Band. 

    Amplitude at 

0.67*f0 Amplitude at 0.67*f0 

/Hn Amplitude at 0.67*f0 /(U²/2g) 

      [µm/m RMS]  [(µm/m)/mWC RMS]  [(µm/m)/m RMS] 

Reduced‐scale model 

nED =0.268  0.101  0.004  0.011 

nED=0.288  0.139  0.005  0.013 

Full scale turbine 

nED =0.277  2.580  0.014  0.038 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Proto 

nED=0.277 

Model 

nED=0.268 

Model 

nED=0.288 

Page 23: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 23/31  

5.3.3 Nominal load At nominal discharge, there is no significant phenomena. However, an emergence at 1.25*f0 is observed 

in the frequency spectra for the full‐scale runner but no for the reduced‐scale model. Moreover, this 

emergence is not visible for other discharge values on the full‐scale runner.  

The amplitude of the peaks at the guide vane passing frequency are compared in the following. 

 

Figure 25: Frequency spectra comparison model‐prototype. Nominal load. Crown. 

Table 11: Model‐prototype comparison. Amplitude at 20*f0. Nominal load. Crown. 

     Amplitude at 20*f0  Amplitude at 20*f0 /Hn  Amplitude at 20*f0 /(U²/2g) 

      [µm/m RMS]  [(µm/m)/mWC RMS]  [(µm/m)/m RMS] 

Reduced‐scale model 

nED =0.268  0.685  0.026  0.072 

nED=0.288  0.418  0.016  0.038 

Full scale turbine 

nED =0.277  7.770  0.044  0.115 

 

 

 

 

 

 

 

Proto 

nED=0.277 

Model 

nED=0.268 

Model 

nED=0.288 

Page 24: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 24/31  

 

Figure 26: Frequency spectra comparison model‐prototype. Nominal load. Band. 

Table 12: Model‐prototype comparison. Amplitude at 20*f0. Nominal load. Band. 

     Amplitude at 20*f0  Amplitude at 20*f0 /Hn  Amplitude at 20*f0 /(U²/2g) 

      [µm/m RMS]  [(µm/m)/mWC RMS]  [(µm/m)/m RMS] 

Reduced‐scale model 

nED =0.268  0.483  0.018  0.051 

nED=0.288  0.264  0.010  0.024 

Full scale turbine 

nED =0.277  4.480  0.025  0.066 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Proto 

Ned=0.277 

Model 

Ned=0.268 

Model 

Ned=0.288 

Page 25: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 25/31  

5.3.4 Full load At full  load,  in presence of the instability, the frequency spectra of the prototype measurements are 

very  different  from  those measured  on  the model. Moreover,  the  frequency  of  the  phenomena  is 

different. On  the model,  its  first  harmonic  is  at  0.18*f0  and 0.23*f0  for  nED =  0.268 and nED =  0.288, 

respectively. On the prototype, its frequency is at 0.36*f0. After transposition, the amplitudes measured 

on the reduced scale model are slightly higher than the amplitudes on the prototype. 

 

Figure 27: Frequency spectra comparison model‐prototype. Full load. Crown. 

Table 13: Model‐prototype comparison. Amplitude of the first harmonic of the instability. Full load. Crown. 

    Amplitude of the first harmonic of the instability 

Amplitude of the first harmonic of the instability /Hn 

Amplitude of the first harmonic of the instability 

/(U²/2g) 

      [µm/m RMS]  [(µm/m)/mWC RMS]  [(µm/m)/m RMS] 

Reduced‐scale model 

nED =0.268  1.540  0.058  0.162 

nED=0.288  2.090  0.078  0.191 

Full scale turbine 

nED =0.277  11.460  0.065  0.170 

 

 

Proto 

nED=0.277 

Model 

nED=0.268 

Model 

nED=0.288 

Page 26: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 26/31  

 

Figure 28: Frequency spectra comparison model‐prototype. Full load. Band. 

Table 14: Model‐prototype comparison. Amplitude of the first harmonic of the instability. Full load. Band. 

    Amplitude of the first harmonic of the instability 

Amplitude of the first harmonic of the instability /Hn 

Amplitude of the first harmonic of the instability 

/(U²/2g) 

      [µm/m RMS]  [(µm/m)/mWC RMS]  [(µm/m)/m RMS] 

Reduced‐scale model 

nED =0.268  0.876  0.033  0.092 

nED=0.288  1.380  0.052  0.126 

Full scale turbine 

nED =0.277  3.070  0.017  0.046 

 

Proto 

nED=0.277 

Model 

nED=0.268 

Model 

nED=0.288 

Page 27: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE  Deliverable 2.3 

6 Summary and discussion 

6.1 Summary 

First, several major differences must be highlighted between the reduced‐scale model runner and the 

full‐scale  runner.  These  differences  have  a  major  impact  on  the  validation  of  the  transposition 

procedure.  

‐ The strain gauges are embedded in grooves in the reduced‐scale model runner whereas they are located at the surface of the blades in the full‐scale runner. By considering that a part of the solicitation of  the blades  is bending,  the strain measured at  the bottom of  the grooves  ‐  i.e. closer to the neutral axis ‐ is very different from the strain measured at the surface of the blades. The difference is accentuated where the thickness of the blade is low as this is the case close the trailing edge;  

 

Figure 29: Illustration of the stress gradient in the section of a beam in bending 

‐ The location of the strain gauges is different between model and prototype. This has a significant impact, particularly where the stress gradients are high, i.e. close to the hotspot; 

‐ The geometry of the runner crown and band are also different between model and prototype. They have been simplified on the reduced‐scale model and the crown is significantly thicker, due to instrumentation constraints. This affects the stiffness of the blade‐to‐crown and blade‐to‐band junctions and, potentially, the stress distribution close to these areas.  

 

Figure 30: Illustration of the dynamic stress gradient (Von Mises) on the reduced‐scale model runner at part load 

   

Page 28: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 28/31  

Table 15: Location of the strain gauges on model and prototype runners. Pressure side. Prototype scale. S: distance to trailing edge, W: distance to fillet radius 

  Reduced‐scale model runner  Full scale runner 

      S  W     S  W 

   Strain gauge ‐ model  [mm]  [mm]  Strain gauge ‐ prototype  [mm]  [mm] 

Crown 

B13‐01‐PS‐CR‐TE  48  120  B7‐01‐PS‐CR  35  90 

B13‐03‐PS‐CR‐TE  131  118  B7‐03‐PS‐CR  65  90 

B13‐05‐PS‐CR‐TE  215  116  B7‐05‐PS‐CR  35  170 

B13‐07‐PS‐CR‐TE  15.9  268  B7‐07‐PS‐CR  65  170 

B13‐09‐PS‐CR‐TE  16.3  422          

Band 

B13‐11‐PS‐BD‐TE  76.8  66  B7‐09‐PS‐BD  35  35 

B13‐13‐PS‐BD‐TE  79  200  B7‐11‐PS‐BD  65  35 

B13‐15‐PS‐BD‐TE  154  65.6          

 

 

Figure 31: Differences in term of geometry between reduced‐scale model runner and full‐scale prototype runner 

‐ Finally,  the  nED‐values  tested  on  the  reduced  scale  model  during  the  second measurement campaign do not correspond to the net head available on the prototype turbine during on‐site tests.  A change in the nED‐value can affect the occurrence and the intensity of the phenomena.  Note: a nED‐value closer to the one available during the on‐site tests has also been tested on EPFL  test  rig  during  a  third measurement  campaign  but  the  measurements  have  not  been validated and post‐treated yet. 

Therefore,  the  measurements  between  the  reduced‐scale  model  runner  and  the  full‐scale  runner 

cannot  be  compared  directly.  Despite  these  differences,  two  transposition  procedures  have  been 

proposed.  The  first  one  is  based  on  the  ratio  of  the  net  heads.  This  transposition  is  based  on  the 

hypothesis that the amplitude of the phenomena does not depend directly on the nED‐value. On the 

contrary, the second transposition procedure takes into account the ratio of U²/2g, which depends on 

the nED‐value for a fixed head on the reduced‐scale model.   

To validate the transposition procedure,  the non‐transposable phenomena have been  identified and 

removed  from  the  signals,  i.e.  natural  frequencies  of  the  runner  and  harmonics  of  the  rotational 

Page 29: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 29/31  

frequency. It can be noted that a wide‐frequency band phenomenon, which is suspected to be related 

to a natural  frequency of the runner, has been  identified on the full‐scale runner. This phenomenon 

generates a significant dynamic strain increase for 0.6 < QED/QED, nom < 1.0, which has not been observed 

on the reduced scale model.  

A homogeneous post‐treatment of the data has been applied: the first five  harmonics of the rotational 

frequency have been removed and a 25*f0 low pass filter has been applied on both model and prototype 

data. 

 

Figure 32: Hill chart. Comparison of the nED‐values used on reduced scale model and prototype 

The evolution of the peak‐to‐peak values with the discharge has been then compared for two strain 

gauge locations on the pressure side of the blade, close to the crown and close to the band. The curves 

show several similarities. A significant strain elevation is found at full load in presence of the self‐excited 

instability. A second strain elevation is observed at part load in presence of the part load vortex rope for 

0.3 < QED/QED, nom < 0.7.  

To compare the measurements more in detail, the frequency spectra at four operating points ‐ deep 

part load, part load, nominal load and full load – have been compared. The signature of the phenomena 

and the shape of the spectra are globally the same between the model and the prototype, except at full 

load. For instance, the frequency of the part load vortex rope is very close. However, some differences 

should be mentioned: an emergence at a frequency of 1.25*f0 in nominal conditions is observed only on 

the prototype. In addition, the frequency of the instability at full load is very different. For this case, the 

differences  in  term  of  hydraulic  circuit  have  certainly  an  important  impact.  The  magnitude  of  the 

phenomena  is also compared and transposed but no conclusion can be done due to the differences 

mentioned previously. 

Proto 

nED=0.277 

Model 

nED=0.288 

Model 

nED=0.268 

Page 30: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 30/31  

6.2 Discussion 

Due  to  the  differences  between  the  reduced‐scale model  runner  and  the  full‐scale  runner,  it  is  not 

possible to validate the transposition procedures proposed in this report. To overpass these differences, 

mechanical calculations of the full‐scale runner could help to evaluate their impact.  

Three mechanical calculations – at deep part load, part load and full load – have been performed on the 

reduced‐scale  model  runner  and  have  shown  a  good  consistency  with  the  measurements  (see 

Deliverable D2.2 [ref. 2]). By applying the same pressure fields on a mechanical model of the full‐scale 

runner and by comparing the results with the on‐site measurements,  it would be possible to have a 

better idea of the validity of the proposed transposition procedures. 

In addition, it has been observed that the maximum dynamic strain intensity caused by the part load 

vortex rope has probably not been reached during the model test. On the full‐scale runner, it occurs at 

QED/QED, nom = 0.5 whereas  there  is no operating point  recorded  for 0.35 < QED/QED, nom < 0.55 on  the 

reduced scale model. 

6.3 Potential impacts of the presented results 

In  the  framework  of  Work  Package  2  (WP2),  a  methodology  for  the  calculation  of  the  dynamic 

mechanical behaviour for conventional and reversible storage hydropower plants in various operation 

modes (full load, part load, deep part load and transients) has been validated. For Francis turbines and 

reversible  pump‐turbines,  the  validation  was  done  by  comparison  of  numerical  results  with 

experimental measurements on both the model‐scale and full‐scale turbines. 

In addition, the structural response of the turbine runner loaded by dynamic pressure fields has been 

analysed and the damage associated to each operation modes has been defined. It was assumed that 

the runner is one of the main impacted component when operating in off‐design conditions. However, 

the dynamic pressure loadings applied on other turbine components (penstock, distributor, head cover 

and bottom ring, draft tube etc.) have also been characterized in the Work Package 1 (WP1) and could 

allow future analyses of the damage generated on such components.  

Finally, relevant parameters for the transposition of the structural dynamic behaviour from model to 

prototype have been identified by comparison between model tests and on‐site tests. A corresponding 

procedure is proposed in this report and further validation will allow improving it. 

Potential impacts of the results obtained in the framework of WP2 can be identified as follows: 

For  the equipment manufacturers,  the unsteady  stress  simulation will  allow designing more 

robust hydraulic turbines with an extended operating range; 

For existing power plants, mastering dynamic phenomena in off‐design conditions will allow the 

utilities to take a balanced strategy to optimize components life‐time and productivity gains; 

Finally,  for  the fast mode change of reversible pump‐turbines,  the knowledge of  the turbine 

behaviour during transients will allow optimizing the control strategy and increasing the lifetime 

of the components. 

More generally, the procedures developed in the framework of WP2 represent a decisive step toward 

the  complete  assessment  of  the  mechanical  behaviour  of  both  conventional  Francis  turbines  and 

reversible pump‐turbines operating in off‐design and transient conditions. This will enable the extension 

of the operating range of the machine, a longer lifetime of the mechanical components of the machine 

and finally a reduction of the maintenance costs inherent to the damages caused by flow instabilities. 

Page 31: 608532 - Hyperbole - Deliverable D2

FP7‐ENERGY‐2013‐1 – N° 608532 – HYPERBOLE    Deliverable 4.2 

02.20.2017    page 31/31  

 

“This  project  has  received  funding  from  the  European  Union’s  Seventh Programme  for  research,  technological  development  and demonstration under grant agreement No ERC/FP7‐ ENERGY‐2013‐1‐Grant 608532”.