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Research unit
SFOE
Project number
SI/502792
Project title
WhiteButterfly – Development and drafting of a methodology ranging from the definition of specifications to the choice of commissioning tests to ensure the correct operation of a butterfly valve

Texts for this project

 GermanFrenchItalianEnglish
Short description
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Publications / Results
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Final report
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Inserted texts


CategoryText
Short description
(German)

Rückmeldungen von Eigentümern und Betreibern von Wasserkraftwerken zeigen, dass das Wissen über die Regeln für die Auslegung und den Bau von Absperrklappen immer mehr verloren geht. Da Absperrklappen eine wichtige Rolle für die Sicherheit einer Anlage spielen, ist es unerlässlich, dieses Thema wieder aufzugreifen, um den derzeitigen Wissensverlust auszugleichen. Darüber hinaus ermöglichen die aktuellen digitalen Simulationswerkzeuge eine genauere Simulation transienter Phänomene und sollten in Zukunft in die Konstruktion solcher Geräte einbezogen werden. Zu diesem Zweck soll im Rahmen dieses Projekts ein Weißbuch erstellt und kostenlos zur Verfügung gestellt werden, in dem die zu befolgende Methodik beschrieben wird, damit die Anlagenbetreiber die richtigen Spezifikationen festlegen können. Die Hersteller wissen, was nachgewiesen werden muss, damit die Spezifikationen validiert werden können, und die Betreiber können schließlich die Gebrauchstauglichkeit einer solchen Komponente zertifizieren. Das Projekt gliedert sich in drei Hauptbereiche. Der erste umfasst Modellstudien zur Festlegung des Rahmens, in dem die numerischen Studien durchgeführt werden. Der zweite Bereich umfasst die Validierung des Ansatzes durch den Vergleich von Messungen und Berechnungen im großen Maßstab. Schließlich wird ein Weißbuch erstellt, in dem die Spezifikationen für die Entwicklung eines Ventils festgelegt werden, das die Sicherheit der Anlage und ihrer Umgebung gewährleistet.

Short description
(English)

Feedback from owners and operators of hydroelectric powerplants shows that there is a steady loss of knowledge of about the rules governing the design and construction of butterfly valves. As butterfly valves play an important role in the safety of a facility, it is vital to revisit this subject to make up for the current loss of knowledge. In addition, current digital simulation tools allow more accurate simulation of transient phenomena and should be incorporated into the design of such devices in the future. To this end, this project aims to draw up and make available free of charge a white paper describing the methodology to be followed so that facility owners can define the correct specifications. Manufacturers know what needs to be demonstrated for the specifications to be validated, and finally operators can certify the serviceability of such a component. The project is organised around three main areas. The first involves model scale studies to define the framework within which the numerical studies are carried out. The second involves validating the approach by comparing measurements and calculations at full scale. Finally, a white paper will be drawn up to define the specifications to be followed in designing a valve that ensures the safety of the development and its surroundings.

Short description
(French)

Le retour d’expérience de la part des propriétaires et exploitants d’aménagements hydroélectriques montre qu’il y a une perte régulière de connaissances sur les règles de conception et de construction des vannes papillon. Cet organe jouant un rôle important dans la sécurité d’un aménagement, il est primordial de remettre ce sujet à l’étude afin de combler les pertes de connaissance actuelles. De plus, les outils de simulation numérique actuels permettent un calcul plus précis des phénomènes transitoires et devront être intégrés dans le dimensionnement de tels organes à l’avenir. Pour cela, ce projet a l’ambition d'élaborer et de mettre à disposition gratuitement un livre blanc décrivant la méthodologie à suivre afin que les propriétaires d’aménagements puissent définir un cahier des charges correct, que les constructeurs sachent ce qu’il faut démontrer pour que le cahier des charges soit validé et enfin que les exploitants puissent certifier l’aptitude au service d’un tel composant. Le projet s’organise autour de trois axes principaux. Le premier axe concerne toutes les études à l’échelle du modèle, afin de définir le cadre dans lequel les études numériques sont réalisées. Le deuxième axe consiste à valider l’approche en comparant des mesures et des calculs à l’échelle réelle. Enfin, un livre blanc sera rédigé afin de définir les spécifications à suivre pour concevoir une vanne assurant ainsi la sécurité de l’aménagement et de son environnement.

Publications / Results
(German)

Die Rückmeldungen von Eigentümern und Betreibern von Wasserkraftwerken zeigen, dass es regelmäßig zu einem Wissensverlust über die Regeln für die Konstruktion und den Bau von Absperrklappen kommt. Da dieses Organ eine wichtige Rolle für die Sicherheit einer Entwicklung spielt, ist es unerlässlich, dieses Thema erneut zu untersuchen, um den aktuellen Wissensverlust auszugleichen. Darüber hinaus erlauben aktuelle numerische Simulationswerkzeuge eine genauere Berechnung transienter Phänomene und müssen in Zukunft in die Konstruktion solcher Komponenten integriert werden. Zu diesem Zweck zielt dieses Projekt darauf ab, ein Whitepaper zu entwickeln und kostenlos zur Verfügung zu stellen, in dem die zu befolgende Methodik beschrieben wird, damit die Anlagenbesitzer die richtigen Spezifikationen festlegen können, damit die Bauherren wissen, was nachgewiesen werden muss, damit die Spezifikationen validiert werden können, und schließlich die Betreiber die Eignung einer solchen Komponente für den Betrieb zertifizieren können. Das Projekt gliedert sich in drei Hauptachsen. Die erste Achse betrifft alle Studien eines skalierten Modells, um den Rahmen zu definieren, in dem numerische Studien durchgeführt werden. Die zweite Achse besteht darin, den Ansatz durch den Vergleich von Messungen und Berechnungen im realen Maßstab zu validieren. Schließlich wird ein Whitepaper geschrieben, um die Spezifikationen zu definieren, die befolgt werden müssen, um ein Ventil zu entwickeln, das die Sicherheit der Entwicklung und ihrer Umgebung gewährleistet. Eine der Aufgaben dieses ersten Jahres bestand darin, die Struktur des Whitepapers festzulegen. Wir brauchten eine Struktur, die den Leser bei dem Gesamtprojekt der Dimensionierung oder Sanierung einer Drosselklappe anleitet. Es wurde beschlossen, mit einem pragmatischen Ansatz zu beginnen, der dem SIA-Normenansatz ähnelt. Es wurde ein Diagramm der verschiedenen Phasen von der Machbarkeitsstudie bis zu den Tests der Inbetriebnahme eines Ventils erstellt. Auch die Risikoanalyse hat begonnen, insbesondere um zu definieren, welche Elemente einer Wasserkraftentwicklung berücksichtigt werden sollten. Diese Risikoanalyse ist bedingend, um die Lastfälle (Einwirkungen auf das Ventil im Whitepaper) zu definieren. Gleichzeitig wurden die verschiedenen Aufgaben des Projekts vorangeschritten. Nachdem wir das Projekt gestartet und über die Spezifikationen einer Drosselklappe und auch über den Zweck von Prototypentests nachgedacht hatten, stellte sich heraus, dass das Ventil von Ernen möglicherweise nicht die beste Wahl war. In der Tat ist dieses Ventil für Messungen schwer zugänglich und hat eine Konfiguration, die vielleicht nicht die repräsentativste für Sicherheitsventile vom Typ Drosselklappe ist. Wir haben uns entschieden, uns auf das Péroua-Ventil (Durchmesser 3 m) zu konzentrieren. Dieses Ventil befindet sich in einer der Anlagen der Grande Dixence und dient als Sicherheitselement zwischen dem Speicherbecken von Fionnay und der Anlage in Nendaz. Daher wurde ein 150 mm Péroua-Drosselklappe (Maßstab 1:20) entwickelt, gefertigt und auf dem Prüfstand der HES-SO installiert. Die Messungen werden im Juni-Juli 2025 durchgeführt. Die stationären numerischen Simulationen, die in diesem Bericht vorgestellt werden, wurden auch an der Geometrie von Péroua durchgeführt, und zwar sowohl im Modell- als auch im Prototypmaßstab.

Publications / Results
(French)

Le retour d’expérience des propriétaires et exploitants d’aménagements hydroélectriques montre qu’il y a une perte régulière de connaissances et de savoir-faire en matière de conception et de dimensionnement des vannes papillon. Cet organe jouant un rôle primordial dans la sécurité d’un aménagement, il est nécessaire de remettre ce sujet à l’étude afin de combler ces pertes de connaissance. De plus, l’évolution des outils de simulation numérique permet un calcul plus précis des phénomènes transitoires et doit être intégrés dans le dimensionnement de tels organes à l’avenir. Ainsi, ce projet a l’ambition d'élaborer et de mettre gratuitement à disposition des propriétaires d’aménagements, un livre blanc décrivant la méthodologie à suivre pour établir un cahier des charges complet et correct. Ce projet a également pour objectif que les constructeurs sachent ce qu’il faut démontrer pour que la conception et le dimensionnement de la vanne soient validés par le propriétaire. Finalement, la méthodologie développée dans ce projet doit soutenir les exploitants et propriétaires pour vérifier l’aptitude au service d’un composant existant. Le projet s’organise autour de trois axes principaux. Le premier axe concerne les études à l’échelle du modèle, afin de définir le cadre dans lequel les études numériques sont réalisées. Le deuxième axe consiste à valider l’approche en comparant des mesures et des calculs à l’échelle réelle. Enfin, un livre blanc sera rédigé afin de définir les spécifications à suivre pour concevoir une vanne assurant ainsi la sécurité de l’aménagement et de son environnement. Une des tâches de cette première année a été de définir la structure du livre blanc qui doit guider le lecteur dans le projet global de dimensionnement ou de vérification d’une vanne papillon. Il a été décidé de partir sur une approche pragmatique et similaire à l’approche des normes SIA. Un diagramme des différentes étapes allant de l’étude de faisabilité aux tests de mise en service d’une vanne a été établi. Le projet a débuté par l’établissement d’une analyse de risque qui permet de définir quels éléments d’un aménagement hydro-électrique doivent être pris en compte. Cette analyse de risque sera primordiale pour définir les cas de charge (actions sur la vanne dans le livre blanc) à considérer pour le dimensionnement d’une nouvelle vanne ou la vérification de l’aptitude au service d’une vanne existante.En parallèle de l’analyse de risques, les différentes tâches du projet ont avancé. Après avoir analysé l’objectif des essais sur prototype, il s’est avéré que la vanne d’Ernen n’était peut-être pas le meilleur choix. En effet cette vanne est difficile d’accès pour des mesures et elle a une configuration qui n’est peut-être pas la plus représentative des vannes de sécurité de type papillon. Il a donc été décidé de s’orienter sur la vanne de Péroua (diamètre 3 m). Cette vanne se trouve sur un des aménagements de Grande Dixence et officie comme élément de sécurité entre le bassin d’accumulation de Fionnay et l’usine de Nendaz. Par conséquent, une vanne modèle réduite de Péroua de 150 mm (échelle 1:20) a été conçue, fabriquée et montée sur le banc d’essai de la HES-SO. Les mesures seront effectuées courant juin-juillet 2025. Les simulations numériques stationnaires présentées dans ce rapport ont également été effectuées sur la géométrie de Péroua que ce soit à l’échelle modèle ou à l’échelle prototype.

Related documents
Final report
(English)

Feedback from owners and operators of hydroelectric facilities shows that there is a regular loss of knowledge on the rules for the design and construction of butterfly valves. As this organ plays an important role in the safety of a development, it is essential to re-examine this subject to make up for the current loss of knowledge. In addition, current numerical simulation tools allow a more precise calculation of transient phenomena and will have to be integrated into the design of such components in the future. To this end, this project aims to develop and make available free of charge a white paper describing the methodology to be followed so that facility owners can define correct specifications, so that builders know what needs to be demonstrated for the specifications to be validated and finally so that operators can certify the suitability for service of such a component. The project is organized around three main axes. The first axis concerns all studies at the scale of the model, to define the framework in which numerical studies are carried out. The second axis consists of validating the approach by comparing measurements and calculations at the real scale. Finally, a white paper will be written to define the specifications to be followed to design a valve that ensures the safety of the development and its environment. One of the tasks of this first year was to lay down the structure of the White Paper. We needed a structure that would guide the reader in the overall project of sizing or rehabilitating a butterfly valve. It was decided to start with a pragmatic approach like the SIA standards approach. A diagram of the different stages from the feasibility study to the commissioning tests of a valve has been established. The risk analysis has also begun, to define which elements of a hydroelectric development should be considered. This risk analysis will be essential to define the load cases (actions on the valve in the white paper). At the same time, the various tasks of the project have progressed. After starting the project and thinking about the specifications of a valve and the purpose of prototype testing, it turned out that Ernen's valve might not be the best choice. Indeed, this valve is difficult to access for measurements, and it has a configuration that is perhaps not the most representative of butterfly type safety valves. We decided to focus on the Péroua valve (diameter 3 m). This valve is located on one of the Grande Dixence facilities and acts as a safety element between the Fionnay compensation basin and the Nendaz plant. Therefore, a 150 mm Péroua model valve (1:20 scale) was designed, manufactured and installed on the test bench of the HES-SO. The measurements will be carried out in June-July 2025. The stationary numerical simulations presented in this report were also performed on the geometry of Péroua, both at the model and prototype scales.