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Le Rim-Rotor Rotary Ramjet Engine (R4E) est un moteur très haute densité de puissance utilisant des statoréacteurs en rotation pour produire un couple à grande vitesse angulaire.Le design structurel d'une première génération de R4E est présenté dans ce mémoire ainsi qu'une validation expérimentale avec combustion haute température. Ces travaux s'imbriquent dans un programme de recherche où l'objectif ultime est de démontrer expérimentalement qu'il est possible de produire de la puissance positive de ce type de moteur. La structure principale du moteur est basée sur l'utilisation d'un Rim-Rotor, un anneau de Carbone-PEEK unidirectionnel, qui reprend partiellement le chargement des propulseurs en compression. Un moyeu en aluminium en une pièce inclut les propulseurs et supporte le système d'allumage inductif intégré à la structure. Ce dernier a été caractérisé indépendamment afin de connaître l'effet des paramètres tels la distance entre les électrodes sur la puissance et l'énergie des étincelles.Le concept final proposé pèse 76 g, ne contient que 5 pièces dans un assemblage unique et peut résister à une vitesse tangentielle de 330 m/s (120 krpm) au niveau des propulseurs lors d'une combustion d'hydrogène de 1 sec. Un autre concept présenté est conçu pour résister 560 m/s (200 krpm) pour des durées de combustion très courtes, sans échauffement significatif des composants. Un modèle structurel analytique est proposé et validé par un modèle numérique ainsi que des essais expérimentaux sans combustion réalisés jusqu'à 188 krpm sans rupture.Le prototype conçu pour la combustion est validé par rapport à ses paramètres de conception et une rupture des pales de turbine survient tel que prédit par le modèle couplé thermique-structurel numérique. Les recherches ont démontré que le concept d'un R4E est viable et qu'il a le potentiel d'atteindre une vitesse tangentielle de près de 1000 m/s en utilisant des matériaux disponibles aujourd'hui. Les dissimilitudes d'expansion thermique entre les composantes, la différence de rigidité entre les pièces de l'assemblage ainsi que le transfert de chaleur vers le Rim-Rotor ont été identifiés comme des considérations importantes pour les futurs concepts de R4E.

Dans un contexte mondial où les ressources énergétiques commencent à se faire rares, beaucoup de recherches se font sur l’amélioration de l’efficacité thermique et de la densité de puissance des sources d’énergie existantes. Ainsi, un projet de développement d’une microturbine à gaz avec une architecture de nouveau genre permettant d’augmenter la densité de puissance tout en réduisant les coûts a vu le jour. La recherche proposée dans le présent document se concentre sur la conception et la caractérisation d’une chambre de combustion et d’un banc d’essai pour la turbine SRGT-2. Une chambre de combustion à écoulement inverse est conçue et caractérisée expérimentalement. Un modèle 0D de la chambre est tout d’abord fait. Par la suite, une optimisation numérique est faite jusqu’à l’atteinte des objectifs de conception. Finalement, la chambre de combustion est testée durant 30 secondes avec de l’hydrogène comme carburant. Une température de sortie de la chambre de combustion de 1000 K a été maintenue avec une efficacité de combustion de plus de 85%. Le banc d’essai conçu pour le projet de recherche utilise un démarreur électropneumatique permettant d’accélérer le prototype jusqu’à 102 000 RPM. Le module fluide est la partie du banc d’essai qui contient les différentes parties de la turbine SRGT-2 comme le rotor, les stators et la chambre de combustion. Le module est instrumenté dans le but d’obtenir une caractérisation complète de la turbine. Sa configuration modulaire permet aussi de caractériser chacune des composantes individuellement en changeant certaines sections.

Résumé: Dans un turboréacteur civil à haut taux de dilution, l'étage de soufflante contribue significativement au rayonnement acoustique d'un avion en phase d'approche. La problématique de ce projet de recherche s'inscrit dans le cadre de l'amélioration des méthodes de prédiction du bruit tonal et large bande créé par l'interaction rotor-stator d'un étage de soufflante, afin de fournir des outils pour une conception silencieuse des avions. Une étude bibliographique conduit à choisir deux approches pour la prédiction du bruit de soufflante. D'une part, les modèles analytiques prenant en compte l'effet de grille sont adaptés à des études paramétriques dans un contexte industriel, mais font appel à plusieurs hypothèses simplificatrices. D'autre part, les méthodes numériques permettent de considérer des configurations réalistes au prix d'efforts de calculs importants. Les objectifs originaux consistent donc à évaluer des modèles avec effets de grille, à proposer des améliorations afin de les rendre plus fiables et à développer une nouvelle méthode numérique pour le bruit de turbomachine. Celle-ci repose sur des simulations aérodynamiques compressibles instationnaires dans lesquelles les sources acoustiques sont directement calculées puis rayonnées à l'aide d'une analogie acoustique. Dans le cadre du bruit tonal, des simulations instationnaires d'écoulement par la méthode des équations de Navier-Stokes moyennées (UftANS) sont réalisées sur des configurations simplifiées d'étages rotor-stator et sur un compresseur axial réaliste. Les sources acous-tiques déterministes créées par l'interaction des sillages moyens du rotor avec les aubes du stator sont correctement résolues, permettant l'application de la méthode numérique. Un modèle de grille est amélioré afin de prendre en compte une décomposition plus fine de l'excitation ainsi que les effets de cambrure de l'aube dans la prédiction des sources. Ces améliorations sont validées par comparaisons avec les résultats de la méthode numérique. Cette dernière s'avère très efficace pour la prédiction du bruit tonal lorsque les sources sont réparties sur la cambrure réelle des aubes puisque les effets pleinement 3D de la réponse du stator et de la géométrie des aubes sont inclus. Concernant le bruit à large bande, trois modèles avec effets de grilles sont évalués sur deux cas tests réalistes. L'effet de grille est significatif pour des stators avec recouvrement, à la fois sur les sources et sur la puissance rayonnée sur toute la bande de fréquences. De plus, un modèle avec une réponse de grille tridimensionnelle et une analogie acoustique en conduit fournit les meilleurs résultats relativement aux mesures. Par ailleurs, une simulation aux grandes échelles (LES) est effectuée sur le compresseur axial. L'interaction des sillages turbulents du rotor avec les aubes est correctement résolue et crée les sources acoustiques à large bande. La LES permet une meilleure compréhension des phénomènes physiques en vue d'une amélioration des modèles analytiques. Enfin, l'application de la méthode numérique fournit les spectres de puissances acoustiques et s'avère prometteuse.||Abstract: In a modern high bypass ratio turbofan engine, the fan stage significantly contributes to the acoustic energy radiated by an aircraft at approach conditions. This research project takes place in the framework of improving prediction methods for tonal and broadband noise created by the rotor-stator interaction in a fan stage in order to provide tools for quieter designs of aircrafts. A literature review leads to the choice of two approaches for the fan noise prediction. On the one hand, analytical models taking into account cascade effects are designed for parametrical studies in an industrial context although they use several simplifying hypotheses. On the other hand, numerical methods allow considering realistic configurations but are computationally demanding. Thus the original objectives of this work consist in evaluating cascade based acoustic models, in proposing modifications to improve their reliability, and in developing a new numerical method for turbomachinery noise. The latter is based on unsteady compressible aerodynamic simulations to directly compute acoustic sources that are then radiated with an acoustic analogy. For tonal noise studies, unsteady flow simulations using Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations (URANS) are performed on simplified rotor-stator configurations as well as on a realistic axial compressor stage. The deterministic acoustic sources created by the rotor wake interaction with the downstream stator vanes are correctly resolved, allowing the application of the numerical method. A cascade analytical model is improved in order to introduce a better decomposition of the excitation as well as vane camber effects in the acoustic sources prediction. These improvements are validated by comparisons with the results of the numerical method. The vane thickness is also seen to have a second order effect. Finally the developed numerical method is shown to be very efficient for tonal noise prediction with a distribution of sources following the mean vane camber line since the fully 3D effects of the stator response and of the vane geometry are included. In the broadband noise context, three cascade based analytical models are evaluated and compared to an isolated airfoil model on two realistic test cases. Cascade effects are found to play a major role both on the acoustic sources and on the acoustic power over the frquency band for overlapping vanes. A model including a tri-dimensional cascade response as well as an acoustic analogy within an annular duct provides the best results compared to measurements. Moreover a Large-Eddy Simulation (LES) is performed on the axial compressor. The turbulent rotor wakes interaction with the downstream stator vanes is correctly resolved and creates broadband acoustic sources. The LES allows a better understanding of physical phenomena in order to improve analytical models. Finally the application of the numerical method provides the acoustic power spectra radiated within the duct and appears to be promising.

Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: Stellenbosch University participated in a project to re-design the compressor section of a diesel locomotive turbocharger. Tests conducted on the prototype compressor showed possible rotating stall in the diffuser section before the designed higher pressure ratio could be achieved. When approaching the higher pressure ratio, the compressor inlet trunk started to rhythmically collapse (due to suction), the engine shook and bellows of black smoke were exhausted by the engine. It was decided to simulate the prototype compressor's operation by using the 1-D theory of Aungier (2000) and to perform a 3-D CFD analysis of the compressor using FINE/Turbo of NUMECA International. A veri cation process was followed to show the accuracy of the 1-D and 3-D modelling methods using two well-known centrifugal compressor test cases found in the literature, namely the O-Rotor by Eckardt (1975, 1976, 1980) and the "Radiver" open CFD test case by Ziegler et al. (2003c). Results from the models were compared to available experimental results and the accuracy was found to be su cient to investigate the prototype compressor's impeller and diffuser. Both prediction methods con rmed separation in the vaned di user across the entire operating ow range of the prototype compressor at the design impeller speed. The 3-D method identi ed supersonic ow at the vaned diffuser inlet at the operating point and also predicted a smaller operating range than originally anticipated. Both the 1-D and 3-D methods also predicted impeller blade stall over the entire operating ow range at the design impeller speed. A recommendation was made to redesign the impeller and diffuser of the prototype compressor. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die Universiteit van Stellenbosch het deel geneem aan 'n projek om die kompressor gedeelte van 'n diesel lokomotief se turbo-aanjaer te herontwerp. Toetse uitgevoer op die prototipe kompressor het moontlike roterende wegbreking in die diffuser seksie uitgewys voordat die ontwerpte hoër drukverhouding bereik kon word. Toe die hoër drukverhouding genader is, het die kompressor inlaatpyp begin ritmies inmekaar vou (as gevolg van die suig aksie), die enjin het geskud en wolke swart rook is deur die enjin uitgeblaas. Die besluit is geneem om die prototipe kompressor se werking te simuleer met behulp van die 1-D teorie van Aungier (2000) en om ook 'n 3-D berekenings vloeimeganika (BVM) analise op die kompressor uit te voer met behulp van FINE/Turbo van NUMECA Internasionaal. 'n Veri kasieproses is gevolg om die akkuraatheid van die 1-D en 3-D modelle te illustreer met behulp van twee welbekende sentrifugaal kompressor toetsgevalle beskikbaar in die literatuur, naamlik die O-Rotor deur Eckardt (1975, 1976, 1980) en die "Radiver" oop BVM toetsgeval deur Ziegler et al. (2003c). Resultate van die modelle is vergelyk met beskikbare eksperimentele resultate en die bevinding is gemaak dat die akkuraatheid genoegsaam is om die prototipe kompressor se rotor en diffuser te ondersoek. Beide voorspellingsmetodes het wegbreking bevestig in die gelemde diffuser oor die hele werksbestek van die prototipe kompressor teen die ontwerp rotorspoed. Die 3-D metode het supersoniese vloei by die gelemde diffuser se inlaat by die bedryfspunt geïdenti seer en het ook 'n kleiner werksbestek voorspel as wat vroeër verwag is. Beide die 1-D en 3-D metodes het ook wegbreking in die rotor oor die hele werksbestek teen die ontwerp rotorspoed voorspel. 'n Voorstel is gemaak om die rotor en diffuser van die prototipe kompressor te herontwerp.

Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: Turbomachines are exposed to several environmental factors which may cause failure of components. One of these factors, high cycle fatigue, is often caused by blade utter. This thesis forms part of a project of the European Seventh Framework Programme (FP7), called project Future. Project Future is doing theoretical and experimental investigation into the occurrence of utter in turbomachinery. The objective of this thesis was to evaluate the effectiveness of a gas injection system as a means of exciting vibrations on the rst stage rotor blades of a compressor. Unsteady simulations of the excitation velocity perturbations were performed in the Computational Fluid Dynamics (CFD) software, Numeca FINE/Turbo. Experimental testing on the in-house Rofanco compressor test bench, using one prototype of the 15 injector system, provided data that was used to implement boundary conditions and to verify certain aspects of the unsteady simulation results. The simulation results revealed the following: the injector bypass frequency was so dominant that the excitation frequency was hardly detectable in the majority of cases. Furthermore, several secondary frequencies were consistently present. The injector bypass frequency, as well as the secondary frequencies, occurred as a result of the convolution of Fast Fourier Transforms. While the injector bypass frequencies can theoretically be eliminated, it will not be possible to eliminate the secondary frequencies from the blade response. In conclusion, according to the CFD results, it will not be possible to excite a single excitation frequency by making use of a nite number of gas injector vibration exciters. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Turbomasjiene word onderwerp aan verskeie omgewingsfaktore wat falings van komponente kan veroorsaak. Een van hierdie faktore, naamlik hoëfrekwensie vermoeidheid, word onder andere veroorsaak deur lem adder. Hierdie tesis is deel van 'n projek in die Sewende Europese Raamwerk Program (European Seventh Framework Programme - FP7), projek Future. Projek Future doen teoretiese en eksperimentele ondersoek na die voorkoms van lemfl adder in turbomasjienerie. Die doelwit van hierdie tesis was om die effektiwiteit van 'n gasinspuiter vibrasie-opwekkingstelsel te evalueer, deur gebruik te maak van onbestendige simulasie in die berekenings vloei-meganika sagtewarepakket, Numeca FINE/Turbo. Eksperimentele toetswerk op die plaaslike Rofanco kompressortoetsbank, met 'n prototipe van die 15 inspuiter stelsel, het inligting verskaf wat gebruik is om die inlaattoestande te spesi seer en simulasieresultate te korreleer. Die simulasieresultate het getoon dat die frekwensie waarteen 'n lem by die inspuiters verbybeweeg, so prominent is, dat dit in die meerderheid van gevalle baie meer prominent is as die opwekkingsfrekwensie. Verder was daar ook deurgaans 'n aantal sekondêre frekwensies teenwoordig. Die teenwoordigheid van die inspuiter verbybeweeg frekwensie en die sekondêre frekwensies is die resultaat van die konvolusie van Vinnige Fourier Transforme. Alhoewel dit in teorie moontlik sal wees om die inspuiter verbybeweeg frekwensie te elimineer, is dit onmoontlik om die sekondêre frekwensies uit die lem vibrasie te elimineer. Ter opsomming, volgens die berekenings vloei-meganika resultate, is dit nie moontlik om met 'n stelsel van 'n eindige aantal inspuiters, 'n enkele vibrasie frekwensie op te wek nie.

Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2012. / ENGLISH ABSTRACT: The electromagnetic and mechanical design aspects of an optimally designed double-sided rotor radial flux permanent magnet wind generator with non-overlap iron-cored stator windings are analysed in this thesis. The generator topology proposed in this study aims to reduce the strength demand on the generator structural support, caused by the magnetic attraction forces between the rotor and stator iron components, and in so doing reducing the overall generator mass. The proposed design has very good cooling properties. Compared to a conventional iron-cored permanent magnet generator and an air-cored permanent magnet generator, the double-sided rotor iron-cored topology performs the best with reference to mass and efficiency. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die elektro-magnetiese en meganiese ontwerp-aspekte van ‘n optimal ontwerpte tweesydige rotor radial-vloed permanente magneet windgenerator met nie-oorvleulende ysterkern statorwindings word in hierdie tesis ontleed. Met die generator topologie wat in hierdie studie voorgestel word, word beoog om die strukturele materiaal wat vir die generator benodig is te verminder. Die magnetise aantrekkingskragte tussen die yster komponente van die rotor en stator word dus aangespreek in hierdie studie, om sodoende ook die algehele massa van die permanente magneet generator te verminder. Die voorgestelde tweesydige-rotor ontwerp het baie goeie verkoelings eienskappe en het ‘n kleiner massa en hoër effektiwiteit as beide ‘n konvensionele ysterkern generator met ‘n enkelsydige-rotor en ‘n tweesydige-rotor lugkern permanente magneet generator met dieselfde drywingsvermoë.

ITC/USA 2011 Conference Proceedings / The Forty-Seventh Annual International Telemetering Conference and Technical Exhibition / October 24-27, 2011 / Bally's Las Vegas, Las Vegas, Nevada / Flight test data acquisition systems have been widely deployed in helicopter certification programs for a few decades. A data acquisition system uses a series of strategically placed sensors to provide instantaneous status condition of the helicopter's components and structure. However, until recently, it has been difficult to collect flight test data from helicopter rotors in motion. Traditional rotor solutions have used slip rings to electrically connect fixed and rotating mechanical elements; but slip rings are inconvenient to use, prone to wear, and notoriously unreliable.