Comparison of Compound Lean Nozzles and Controlled Flow Nozzles at Off-Design

Turbokoneet ja etenkin höyryturbiinit ovat usein suunniteltu ja optimoitu toimimaan tietyssä toimintapisteessä jossa häviöt on minimoitu ja hyötysuhde maksimoitu. Joissakin tapauksissa on kuitenkin tarpeellista käyttää turbiinia toimintapisteen ulkopuolella. Tällöin turbiinin läpi virtaava massavirta muuttuu ja yleensä heikentää hyötysuhdetta. Turbokoneiden suorituskykyä voidaan parantaa käyttämällä kolmidimensionaalisesti muotoiltuja siipiä. Työssä on vertailtu laskennallisesti kahta kohtuullisesti muotoiltua suutinta (Compound lean ja Controlled flow) niiden suunnitellun toimintapisteen ulkopuolella. Kolmas suutin, ilman kolmidimensionaalista muotoilua on mukana vertailukohteena. Suutinten suorituskykyä tutkitaan laskennallisen virtausmekaniikan avulla olosuhteissa, jotka ovat toimintapisteen ulkopuolella. Virtauksen muutoksia tutkitaan kokonaispainehäviön, isentrooppisen hyötysuhteen ja virtauspinnan yhdenmukaisuuden avulla. Virtauspintoja verrataan ulosvirtauskulman, massavirran ja toisiovirtausvektoreiden jakauman avulla. Erot suutinten suorituskykyvyssä korostavat ylikuormalla. Kun massavirran arvoa on kohotettu eniten, Compound lean suuttimilla hyötysuhde laskee Controlled flow suuttimeen verrattuna vähemmän. Alikuormalla, kun massavirran arvoa lasketaan, erot suuttimien suorituskyvyssä pienenevät ja tutkittujen suuttimien ulosvirtaus on samankaltainen.

Simulação numérica de escoamentos de fluidos com efeitos de rotação

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Asymptotic Description of Flutter Amplitude Saturation by Nonlinear Friction Forces

The computation of the non-linear vibration dynamics of an aerodynamically unstable bladed-disk is a formidable numerical task, even for the simplified case of aerodynamic forces assumed to be linear. The nonlinear friction forces effectively couple dif- ferent travelling waves modes and, in order to properly elucidate the dynamics of the system, large time simulations are typically required to reach a final, saturated state. Despite of all the above complications, the output of the system (in the friction microslip regime) is basically a superposition of the linear aeroelastic un- stable travelling waves, which exhibit a slow time modulation that is much longer than the elastic oscillation period. This slow time modulation is due to both, the small aerodynamic effects and the small nonlinear friction forces, and it is crucial to deter- mine the final amplitude of the flutter vibration. In this presenta- tion we apply asymptotic techniques to obtain a new simplified model that captures the slow time dynamics of the amplitudes of the travelling waves. The resulting asymptotic model is very re- duced and extremely cheap to simulate, and it has the advantage that it gives precise information about the characteristics of the nonlinear friction models that actually play a role in the satura- tion of the vibration amplitude.

Asymptotic Description of Flutter Amplitude Saturation by Nonlinear Friction Forces

The computation of the non-linear vibration dynamics of an aerodynamically unstable bladed-disk is a formidable numerical task, even for the simplified case of aerodynamic forces assumed to be linear. The nonlinear friction forces effectively couple dif- ferent travelling waves modes and, in order to properly elucidate the dynamics of the system, large time simulations are typically required to reach a final, saturated state. Despite of all the above complications, the output of the system (in the friction microslip regime) is basically a superposition of the linear aeroelastic un- stable travelling waves, which exhibit a slow time modulation that is much longer than the elastic oscillation period. This slow time modulation is due to both, the small aerodynamic effects and the small nonlinear friction forces, and it is crucial to deter- mine the final amplitude of the flutter vibration. In this presenta- tion we apply asymptotic techniques to obtain a new simplified model that captures the slow time dynamics of the amplitudes of the travelling waves. The resulting asymptotic model is very re- duced and extremely cheap to simulate, and it has the advantage that it gives precise information about the characteristics of the nonlinear friction models that actually play a role in the satura- tion of the vibration amplitude.

Estudio numérico y experimental de fenómenos hidrodinámicos que ocurren en bombas centrífugas como turbinas

La tendencia mundial de administrar y operar a distancia las centrales hidroeléctricas está obligando a los expertos a replantear los estrategias de monitoreo y diagnóstico de sus máquinas -- Esto ha conducido también, a reducir el personal experto que reside in-situ y que se encarga de operar y mantener los sistemas técnicos, y además de atender cualquier eventualidad que pueda ocurrir -- Por eso, desde hace ya varios años se han venido desarrollando sistemas expertos que puedan suplir las deficiencias del recurso humano -- Pero aunque tales sistemas han alcanzado niveles interesantes de independencia, aún requieren del acompañamiento de un experto que pueda interpretar las evidencias, emitir un diagnóstico y tomar una decisión -- Un ejemplo de los aspectos que aún se deben perfeccionar, es el se las falsas alarmas que llegan a producir el efecto “cry wolf” y que terminan por inactivar el sistema -- Otra forma de enfrentar esta nueva dinámica de operación es la de subcontratar el servicio de diagnóstico técnico, que puede dar resultados aceptables, pero no siempre en el caso de centrales hidroeléctricas -- Las centrales por lo general se encuentran en sitios remotos y en ocasiones blindadas por condiciones geográficas y climatológicas por lo que no es posible reaccionar rápidamente para atender una eventualidad cuando el experto y sus instrumentos no están cerca -- Una solución que resulta conveniente es de hecho, la centralización de la experticia para los servicios de monitoreo y diagnóstico técnico, soportados por una plataforma portátil e idealmente no-invasiva, que permanezca siempre junto a las máquinas y que pueda ser consultada on-line -- De este modo una cantidad reducida de expertos tendrán acceso permanente a las variables o síntomas que definen el estado técnico de la maquinaria; ellos se encargarán de analizar las señales sintomáticas, evaluar los resultados, emitir juicios y elaborar reportes ejecutivos que finalmente llegarán a manos del administrador o persona encargada de la operación -- Esta alternativa aliviará molestias relacionadas con los procesos de monitoreo y diagnóstico: instrumentación/sensórica, cableado, acondicionamiento de señales, adquisición digital de datos, procesamiento de señales, administración y gestión de equipos, reporte de resultados, recomendaciones, etc. -- Este proyecto propone en dos etapas, el diseño de una plataforma tecnológica que pueda soportar la alternativa mencionada -- En detalle, el diseño de un sistema integrado de adquisición de datos que además de ser portátil, modular y escalable, adecuado para monitoreo de las principales variables de diagnóstico de una central hidroeléctrica; que aunque no incorpore un sistema experto, si ofrece las herramientas de análisis, diagnóstico y toma de decisiones del estado del arte

Non-contact test set-up for aeroelasticity in a rotating turbomachine combining a novel acoustic excitation system with tip-timing

Due to trends in aero-design, aeroelasticity becomes increasingly important in modern turbomachines. Design requirements of turbomachines lead to the development of high aspect ratio blades and blade integral disc designs (blisks), which are especially prone to complex modes of vibration. Therefore, experimental investigations yielding high quality data are required for improving the understanding of aeroelastic effects in turbomachines. One possibility to achieve high quality data is to excite and measure blade vibrations in turbomachines. The major requirement for blade excitation and blade vibration measurements is to minimize interference with the aeroelastic effects to be investigated. Thus in this paper, a non-contact-and thus low interference-experimental set-up for exciting and measuring blade vibrations is proposed and shown to work. A novel acoustic system excites rotor blade vibrations, which are measured with an optical tip-timing system. By performing measurements in an axial compressor, the potential of the acoustic excitation method for investigating aeroelastic effects is explored. The basic principle of this method is described and proven through the analysis of blade responses at different acoustic excitation frequencies and at different rotational speeds. To verify the accuracy of the tip-timing system, amplitudes measured by tip-timing are compared with strain gage measurements. They are found to agree well. Two approaches to vary the nodal diameter (ND) of the excited vibration mode by controlling the acoustic excitation are presented. By combining the different excitable acoustic modes with a phase-lag control, each ND of the investigated 30 blade rotor can be excited individually. This feature of the present acoustic excitation system is of great benefit to aeroelastic investigations and represents one of the main advantages over other excitation methods proposed in the past. In future studies, the acoustic excitation method will be used to investigate aeroelastic effects in high-speed turbomachines in detail. The results of these investigations are to be used to improve the aeroelastic design of modern turbomachines.

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.

Optimisation thermodynamique d’un procédé solaire utilisant un système de réfrigération à éjecto-compression pour la production du froid

L’objectif essentiel de cette thèse est de développer un système industriel de réfrigération ou de climatisation qui permet la conversion du potentiel de l’énergie solaire en production du froid. Ce système de réfrigération est basé sur la technologie de l’éjecto-compression qui propose la compression thermique comme alternative économique à la compression mécanique coûteuse. Le sous-système de réfrigération utilise un appareil statique fiable appelé éjecteur actionné seulement par la chaleur utile qui provient de l’énergie solaire. Il est combiné à une boucle solaire composée entre autres de capteurs solaires cylindro-paraboliques à concentration. Cette combinaison a pour objectif d’atteindre des efficacités énergétiques et exergétiques globales importantes. Le stockage thermique n’est pas considéré dans ce travail de thèse mais sera intégré au système dans des perspectives futures. En première étape, un nouveau modèle numérique et thermodynamique d’un éjecteur monophasique a été développé. Ce modèle de design applique les conditions d’entrée des fluides (pression, température et vitesse) et leur débit. Il suppose que le mélange se fait à pression constante et que l’écoulement est subsonique à l’entrée du diffuseur. Il utilise un fluide réel (R141b) et la pression de sortie est imposée. D’autre part, il intègre deux innovations importantes : il utilise l'efficacité polytropique constante (plutôt que des efficacités isentropiques constantes utilisées souvent dans la littérature) et n’impose pas une valeur fixe de l'efficacité du mélange, mais la détermine à partir des conditions d'écoulement calculées. L’efficacité polytropique constante est utilisée afin de quantifier les irréversibilités au cours des procédés d’accélérations et de décélération comme dans les turbomachines. La validation du modèle numérique de design a été effectuée à l’aide d’une étude expérimentale présente dans la littérature. La seconde étape a pour but de proposer un modèle numérique basé sur des données expérimentales de la littérature et compatible à TRNSYS et un autre modèle numérique EES destinés respectivement au capteur solaire cylindro-parabolique et au sous-système de réfrigération à éjecteur. En définitive et après avoir développé les modèles numériques et thermodynamiques, une autre étude a proposé un modèle pour le système de réfrigération solaire à éjecteur intégrant ceux de ses composantes. Plusieurs études paramétriques ont été entreprises afin d’évaluer les effets de certains paramètres (surchauffe du réfrigérant, débit calorifique du caloporteur et rayonnement solaire) sur sa performance. La méthodologie proposée est basée sur les lois de la thermodynamique classique et sur les relations de la thermodynamique aux dimensions finies. De nouvelles analyses exergétiques basées sur le concept de l’exergie de transit ont permis l'évaluation de deux indicateurs thermodynamiquement importants : l’exergie produite et l’exergie consommée dont le rapport exprime l’efficacité exergétique intrinsèque. Les résultats obtenus à partir des études appliquées à l’éjecteur et au système global montrent que le calcul traditionnel de l’efficacité exergétique selon Grassmann n’est désormais pas un critère pertinent pour l'évaluation de la performance thermodynamique des éjecteurs pour les systèmes de réfrigération.

Étude Numérique d'identification des sources acoustiques d'une pale de ventilateur

Dans les turbomachines, le bruit du volume tournant est considéré comme une source majeure d’inconfort. La connaissance et l’identification des sources de bruit du rotor sont primordiales pour la conception d’une machine silencieuse et énergétiquement plus efficace. Ce document examine la capacité à la fois de la décomposition orthogonale aux valeurs (POD) et la décomposition aux valeurs singulières (SVD) à identifier les zones sur la surface d’une source (pale de ventilateur) fixe ou en mouvement subsonique qui contribuent le plus à la puissance acoustique rayonnée. La méthode de calcul de la dynamique des fluides (CFD) du code source OpenFoam est utilisée comme une première étape pour évaluer le champ de pression à la surface de la pale en mouvement subsonique. Les fluctuations de ce champ de pression permettent d’estimer à la fois le bruit de charge et la puissance sonore qui est rayonnée par la pale basée sur l’analogie acoustique de Ffowcs Williams et Hawkings (FW&H). Dans une deuxième étape, le bruit de charge estimé est également utilisé tant pour les approches POD et SVD. On remarque que la puissance sonore reconstruite par les deux dernières approches en se fondant uniquement sur les modes acoustiques les plus importants est similaire à celle prédite par l’analogie de FW&H. De plus, les modes les plus rayonnants estimés par la méthode SVD sont projetés sur la surface de la pale, mettant ainsi en évidence leurs emplacements. Il est alors prévu que cette identification soit utilisée comme guide pour l’ingénieur dans la conception d’une roue moins bruyante.

Numerical Analysis and Redesign of a High Speed Linear Cascade Wind Tunnel for Aircraft Gas Turbine Engines Testing

Linear cascade testing serves a fundamental role in the research, development, and design of turbomachines as it is a simple yet very effective way to compute the performance of a generic blade geometry. These kinds of experiments are usually carried out in specialized wind tunnel facilities. This thesis deals with the numerical characterization and subsequent partial redesign of the S-1/C Continuous High Speed Wind Tunnel of the Von Karman Institute for Fluid Dynamics. The current facility is powered by a 13-stage axial compressor that is not powerful enough to balance the energy loss experienced when testing low turning airfoils. In order to address this issue a performance assessment of the wind tunnel was performed under several flow regimes via numerical simulations. After that, a redesign proposal aimed at reducing the pressure loss was investigated. This consists of a linear cascade of turning blades to be placed downstream of the test section and designed specifically for the type of linear cascade being tested. An automatic design procedure was created taking as input parameters those measured at the outlet of the cascade. The parametrization method employed Bézier curves to produce an airfoil geometry that could be imported into a CAD software so that a cascade could be designed. The proposal was simulated via CFD analysis and proved to be effective in reducing pressure losses up to 41%. The same tool developed in this thesis could be adopted to design similar apparatuses and could also be optimized and specialized for the design of turbomachines components.