Thèse Francisfsi - Turbine Francis Auto-Adaptative à Large Plage d'Opération Efficace H/F - 38

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production
Laboratoire de recherche : Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels
Direction de la thèse : Stefan HOERNER ORCID 0000000191674964
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-15T23:59:59Avec l'intégration croissante des sources d'énergie renouvelables telles que le vent et le soleil dans le réseau électrique, la stabilisation du réseau grâce à l'énergie hydraulique revêt une importance croissante. Les centrales hydroélectriques, en particulier celles équipées de turbines Francis, doivent donc être utilisées de manière plus flexible afin de pouvoir compenser les fluctuations de l'approvisionnement en énergie. Le projet FrancisFSI vise à améliorer la capacité de ces turbines à fonctionner efficacement dans des conditions variables, notamment en cas de cycles de démarrage-arrêt fréquents et d'écarts par rapport au point de conception.
L'énergie hydraulique est une ressource importante pour l'équilibrage du réseau en raison de sa prévisibilité et de sa puissance contrôlable. L'IRENA prévoit une augmentation de 60 % de la capacité hydroélectrique mondiale d'ici 2050. Cela rend les projets tels que FrancisFSI particulièrement importants, notamment dans des régions comme Grenoble, qui sont entourées de centrales hydroélectriques et d'industries hydroélectriques et qui contribuent à la stabilité du réseau énergétique européen.
Cependant, la flexibilité croissante exigée des centrales hydroélectriques représente un défi. Les turbines Francis, qui représentent environ 60 % des centrales hydroélectriques mondiales, sont conçues pour une efficacité maximale à un certain point - jusqu'à 95 % -, mais souffrent d'un fonctionnement en dehors de ce point.
Le fonctionnement en dehors du point de conception entraîne des instabilités telles que la cavitation, les vibrations, les pulsations de pression et le bruit, qui nuisent toutes aux performances de la turbine et réduisent sa durée de vie.
Les solutions actuelles visant à réduire les instabilités de l'écoulement sont plutôt axées sur les symptômes et ne s'attaquent pas à la cause réelle, à savoir le désalignement entre les paramètres de conception de la turbine et les conditions d'écoulement changeantes.
Le projet FrancisFSI propose une approche fondamentalement différente avec des pales de rotor adaptatives. Ces pales changent de forme en réponse aux forces fluctuantes causées par les changements d'écoulement, permettant à la turbine de maintenir des performances optimales dans une large gamme de conditions de fonctionnement. Cette adaptation dynamique améliore l'efficacité, la stabilité et la durabilité.
La conception de ces pales, qui se déforment de manière optimale en temps réel, est un défi. Elle nécessite le développement d'un modèle qui tient compte de différentes conditions de fonctionnement. Le système est complexe, car les forces agissant sur le rotor influencent sa forme, ce qui a à son tour un impact sur l'écoulement. L'écoulement influence à son tour les forces, créant ainsi une boucle de rétroaction qui nécessite une modélisation couplée.
La technologie des pales de rotor adaptatives vise à réduire la cavitation, les vibrations, le bruit et les pulsations de pression, améliorant ainsi l'efficacité et la durée de vie de la turbine. Contrairement aux méthodes conventionnelles, cette solution s'attaque à la cause du désalignement de l'écoulement en adaptant passivement la géométrie des pales en temps réel aux conditions d'écoulement changeantes, assurant ainsi un fonctionnement plus stable et plus efficace.
Le projet comprend plusieurs niveaux de modélisation scientifique : des modèles analytiques pour une conception de base de la roue, des simulations numériques d'écoulement et de structure, ainsi que des simulations FSI couplées dans la phase finale du projet. En outre, un prototype à l'échelle du modèle sera conçu et fabriqué. La caractérisation expérimentale des propriétés de la roue par rapport à une conception classique complète l'étude et fournit une preuve du potentiel réel du projet actuel ainsi qu'une conception pour la construction d'une telle structure de roue auto-adaptative.

Les turbines Francis constituent le coeur de l'infrastructure hydroélectrique mondiale et représentent environ 60 % de la puissance installée. Afin de stabiliser le réseau électrique, pour des raisons écologiques et en raison des conditions limites modifiées dues au changement climatique, les turbines sont de plus en plus souvent utilisées en fonctionnement à charge partielle ou très fréquemment mises en marche et arrêtées. Pour stabiliser le réseau, il peut également être judicieux, voire nécessaire, de faire fonctionner les turbines en régime de surcharge.
Les turbines Francis sont particulièrement sensibles à cet égard. Les fluctuations de pression dans le tuyau d'aspiration entraînent une usure accrue, en particulier au niveau des roulements, tandis que l'érosion par cavitation détruit les roues à moyen terme et réduit considérablement la durée de vie des turbines.
La raison en est la conception rigide du rotor, qui ne permet un guidage optimal de l'écoulement qu'au point de conception. Dès que ce point est quitté, des tourbillons se forment, provoquant des instabilités dans la roue et dans le tuyau d'aspiration. Une géométrie auto-adaptative peut améliorer le guidage de l'écoulement sur une large plage de fonctionnement.

L'objectif est de développer un concept permettant de concevoir une roue Francis auto-adaptative pour le contrôle du débit en fonctionnement hors conception, et de démontrer les avantages de cette approche à l'aide de mesures effectuées sur un prototype à échelle réduite.

Pour concevoir la roue auto-adaptative, plusieurs points de fonctionnement doivent être étudiés. Il s'agit d'un problème couplé, car l'écoulement modifie la géométrie spécialement conçue pour se déformer sous l'effet des forces induites par le fluide, ce qui entraîne une rétroaction sur l'écoulement et donc sur les forces de déformation. Une simulation couplée avec de grandes déformations de la structure est très complexe et provoque souvent des instabilités numériques et des divergences. On utilise donc dans un premier temps un système faiblement couplé de faible ordre, basé sur des simulations d'écoulement pures, pour concevoir la turbine, puis des modèles analytiques pour la structure. Des simulations couplées permettront ensuite de vérifier cette conception.
Un autre défi réside dans la fabrication à l'aide de procédés additifs (impression 3D) et de moulage au silicone. Il faut ici obtenir à la fois une déformabilité ciblée pour contrôler l'écoulement, une rigidité suffisante pour éviter les déformations indésirables et un rotor équilibré, ce qui requiert une grande expertise des procédés utilisés.
La mesure finale du prototype à l'échelle du modèle s'appuie sur une instrumentation complexe, développée au CREMHyG et améliorée dans le cadre du projet. Outre les grandeurs mécaniques et électriques classiques, cette instrumentation permet de caractériser les instabilités dans le tuyau d'aspiration à l'aide de mesures combinées de pression et d'accélération.