2026-04-05T10:46:40Zhttps://recercat.cat/oai/request

oai:recercat.cat:2117/4468572026-01-14T17:48:58Zcom_2072_1033col_2072_452951

Predictive modeling of crack propagation in pelton turbine runners under realistic operating conditions Cortés Balcells, Ethel Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria mecànica Electric power Hydraulic turbines -- Cracking Energia elèctrica Turbines hidràuliques -- Fissuració A mesura que les fonts d’energia renovables com l’eòlica i la solar contribueixen cada cop més a la xarxa elèctrica, la naturalesa intermitent de la seva generació planteja desafiaments per a l’estabilitat del sistema elèctric. La importància de l’energia hidràulica cau en la seva capacitat única per equilibrar la xarxa, alhora que ´es una font d’energia neta i renovable. Les turbines són el nucli d’aquests sistemes hidroelèctrics, ja que transformen l’energia cinètica de l’aigua en moviment en energia mecànica, que finalment es converteix en energia elèctrica. Entre els diversos tipus de turbines, les turbines Pelton són especialment adequades per a aplicacions amb grans desnivells i baixos cabals, cosa que les fa predominants en regions muntanyoses. A Suïssa, les turbines Pelton representen el 38% de la generació hidroelèctrica total [1] i aconsegueixen habitualment rendiments superiors al 90%, fet que subratlla la seva gran importància. Tot i la seva eficiència i fiabilitat, les turbines Pelton s’enfronten a problemes estructurals a causa de la propagació de fissures per fatiga. El repte principal ´es predir amb precisió la vida útil de la turbina i les necessitats de manteniment sota seqüències operatives reals. Diversos estudis han investigat la fatiga mitjançant models analítics i de Dinàmica de Fluids Computacional (CFD) [2] [3] [4], però pocs han estimat de manera efectiva la progressió dels danys en condicions operatives reals. Aquesta tesi aborda aquest repte integrant mesures operatives reals amb un model analític de propagació de fissures basat en la llei de Walker. Les dades de tensió es recullen experimentalment d’una turbina Pelton a escala reduïda i després s’escalen per representar les seqüències operatives reals d’una central hidroelèctrica. Concretament, d’una central de 240 MW situada al cantó de Vaud, Suïssa. Aquestes dades de tensió alimenten el model de propagació de fissures per estimar amb precisió la progressió dels danys i el creixement de les fissures en condicions realistes. L’anàlisi del creixement de les fissures sota condicions reals de funcionament permet optimitzar el manteniment, anticipar fallades amb criteris basats en llindars i integrar tecnologies que prolonguin la vida operativa de les turbines Pelton. As renewable energy sources such as wind and solar increasingly contribute to the power grid, the intermittent nature of their generation causes challenges for grid stability. The strength of hydropower lies in its unique ability to balance the grid, while also being a clean, renewable source of energy. Turbines are at the core of these hydropower systems, transform kinetic energy from f lowing water into mechanical energy, ultimately converted into electrical power. Among various turbine types, Pelton turbines are especially suitable for high-head, low-flow applications, making them predominant in mountainous regions. In Switzerland, Pelton turbines account for 38% of total hydropower generation [1] and consistently achieve efficiencies exceeding 90%, underlining their great importance. Despite their efficiency and reliability, Pelton turbines face structural challenges due to fatigueinduced crack propagation. The key challenge is accurately predicting turbine lifespan and maintenance needs under realistic operational sequences. Many studies have investigated fatigue through Computational Fluid Dynamics (CFD) and analytical models [2] [3] [4], yet few effectively estimate damage progression under real operational conditions. This thesis addresses this challenge by integrating real operational measurements with an analytical crack propagation model based on Walker’s law. Stress data is collected experimentally from a reduced-scale Pelton turbine and then scaled to represent actual operational sequences from a real hydropower plant. Specifically, a 240 MW power plant situated in the canton of Vaud, Switzerland. This stress data informs the crack propagation model to accurately estimate damage progression and crack growth under realistic conditions. By revealing how cracks develop under actual operational loading, this approach helps improve maintenance strategies, prevents failures through threshold-based findings, and may facilitate the integration of additional tools to extend the operational lifespan of Pelton turbines. Outgoing 2025-10-31 Bachelor thesis Restricted access - confidentiality agreement east=6.536765; north=46.5613135; name=Chem. Neuf, 1030 Bussigny, Suïssa Universitat Politècnica de Catalunya