Intégration de pales en céramique dans un rotor de microturbine axiale en configuration renversée

Le marché de l'énergie distribuée est actuellement en pleine expansion et favorise l'intégration d'une multitude de sources d'énergie, et les machines à combustion interne ne sont pas exclues. Les moteurs à piston sont actuellement les principaux acteurs du marché, en raison de leur rendement élevé et de leur faible coût en capital. Cependant, la réglementation de plus en plus sévère sur les émissions ainsi que les coûts liés à la maintenance et les temps d'arrêt sont prohibitifs pour ce type de machines, en particulier dans le segment de basse puissance et de production d’énergie et de chaleur combinées (CHP). C'est là que les microturbines opérant sous le cycle récupéré – de petites turbines à gaz qui produisent moins de 1 MW de puissance – ont un avantage concurrentiel, grâce à moins de pièces en mouvement, une combustion plus propre et une température élevée d'échappement. Les petites turbomachines récupérées doivent atteindre des températures d'entrée de turbine (TIT) très élevées, requises pour atteindre 40% de rendement thermique. Les céramiques non refroidies offrent une solution très attrayante, avec plusieurs essais mais des résultats peu concluants dans la littérature. Ce travail présente une nouvelle architecture qui prend en charge des pales en céramique monolithique dans un environnement d’opération à chaud. La turbine renversée en céramique (ICT) est constituée d'un moyeu métallique flexible qui fournit une base souple pour les pales individuelles en céramique qui sont supportées par l'extérieur par un anneau en composite carbone-polymère. Les forces centrifuges chargent les pales en compression au lieu d’en tension, exploitant ainsi la résistance en compression typiquement élevée des céramiques techniques. Le document présente la validation expérimentale entreprise pour vérifier l'intégrité structurelle d’un prototype de configuration ICT à petite échelle, dans des conditions de fonctionnement à froid et à chaud, ainsi que les étapes qui y ont mené. Les résultats expérimentaux montrent que l'ICT supporte des pales en alumine dans les tests à froid et le nitrure de silicium pour des températures d'entrée du rotor jusqu'à 1000 K, avec des vitesses de pointe de pale atteignant 271 m/s. L’incursion d’objet domestique, l'événement le plus désastreux à se produire dans les turbines en céramique dans la littérature, n'a pas causé de dommages aux pales dans cette configuration. Ces résultats indiquent que l'architecture ICT est robuste et viable, et que le développement peut être poursuivi pour augmenter la TIT et la vitesse de pointe de la turbine, afin d’éventuellement parvenir à une microturbine récupérée en céramique de 1600 K de TIT.

Energy harvesting from hydroelectric systems for remote sensors

Hydroelectric systems are well-known for large scale power generation. However, there are virtually no studies on energy harvesting with these systems to produce tens or hundreds of milliwatts. The goal of this work was to study which design parameters from large-scale systems can be applied to small-scale systems. Two types of hydro turbines were evaluated. The first one was a Pelton turbine which is suitable for high heads and low flow rates. The second one was a propeller turbine used for low heads and high flow rates. Several turbine geometries and nozzle diameters were tested for the Pelton system. For the propeller, a three-bladed turbine was tested for different heads and draft tubes. The mechanical power provided by these turbines was measured to evaluate the range of efficiencies of these systems. A small three-phase generator was developed for coupling with the turbines in order to evaluate the generated electric power. Selected turbines were used to test battery charging with hydroelectric systems and a comparison between several efficiencies of the systems was made. Keywords

Problem of Hydroelectric Resources Management: Numerical Approach

In this work we analyze an optimal control problem for a system of two hydroelectric power stations in cascade with reversible turbines. The objective is to optimize the profit of power production while respecting the system’s restrictions. Some of these restrictions translate into state constraints and the cost function is nonconvex. This increases the complexity of the optimal control problem. The problem is solved numerically and two different approaches are adopted. These approaches focus on global optimization techniques (Chen-Burer algorithm) and on a projection estimation refinement method (PERmethod). PERmethod is used as a technique to reduce the dimension of the problem. Results and execution time of the two procedures are compared.