Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2015. / ENGLISH ABSTRACT: Unmanned aerial vehicles with vertical take-off and landing capabilities have received extensive attention worldwide in the last decade. Their low detectability, high manoeuvrability in confined spaces, and their capability for out-of-sight operations make them practical solutions for an array of military and civilian missions. The main advantage of shrouded rotors in hover and low speed conditions is the decreased blade tip induced drag when the tip gap is small enough. A well-designed shroud augments the rotor thrust in hover and low axial flight conditions. It also provides noise reduction and safety. A contra-rotating rotor system eliminates the need for separate anti-torque devices, thus producing a smaller footprint and a more compact vehicle. In this study a more efficient coaxial rotor for the ducted coaxial rotor system as published by (Lee 2010) was developed. The first phase of the design process consisted of the selection and numerical analysis of the best suited parent airfoils for the rotors by using XFOIL and XFLR 5. The second phase dealt with the design of a counter-rotating rotor system for the existing cambered shroud as published by (Lee, 2010), using the DFDC-070ES2a two dimensional code, specifically written for ducted rotor optimization. The final phase of the study dealt with the Computational Fluid Dynamic (CFD) verification of the design in ANSYS-CFX 15.07. A comparison between the CFX predictions of the newly designed rotor system and the reference design indicates a 33% improvement in hover thrust at the design power input. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Onbemande lugvaartuie met vertikale opstyg en landings vermoëns het uitgebreide aandag wêreldwyd in die laaste dekade geniet. Hul lae waarneembaarheid, hoë beweegbaarheid in beperkte ruimtes, en hul vermoë om buite-sig operasies uit te voer maak dat hulle praktiese oplossings vir 'n verskeidenheid van militêre en burgerlike missies is. Die grootste voordeel van gehulde rotors in hangvlug en lae spoed omstandighede is die afname in die lem punt sleepkrag wanneer die lem punt gaping klein genoeg is. 'n Goed ontwerpde omhulsel dra by tot die rotor stukrag in hangvlug en lae aksiale vlug omstandighede. Dit bied ook geraasreduksie en veiligheid. 'n Kontra-roterende rotorstelsel skakel die vereiste van afsonderlike anti-wringkrag toestelle uit, wat lei tot 'n kleiner voetspoor en 'n meer kompakte voertuig. In hierdie studie is 'n meer doeltreffende koaksiale rotor vir die gehulde koaksiale rotor stelsel soos gepubliseer deur (Lee 2010) ontwikkel. Die eerste fase van die ontwerp-proses het bestaan uit die seleksie en numeriese analise van die mees geskikte lemprofiele vir die rotors deur die gebruik van XFOIL en XFLR 5. Fase twee het die ontwerp van 'n teen-roterende rotor stelsel vir die bestaande omhulsel soos gebruik in (Lee, 2010) se publikasie behels. Die ontwerp is met behulp van DFDC-070ES2a, ‘n twee dimensionele kode wat spesifiek vir gehul-rotor optimering geskryf is, gedoen. Die verifikasie van die nuwe ontwerp is in die finale fase met behulp van die berekeings vloeidinamika sagteware, ANSYS-CFX 15.07 gedoen. ‘n Vergelyking tussen die CFX prestasie voorspelling vir die nuwe rotorstelsel en die gepubliseerde data van (Lee, 2010) toon ‘n 33% toename in hangvlug stukrag by die ontwerpsdrywing.

Many utility-scale wind turbine generators use wound-rotor induction machines. By adding an external rotor resistance to the rotor circuit it is possible to control the wind turbine output power and, with proper control, maintain a constant power for wind speeds between rated and cut-out. The external resistance modifies the generator torque-speed curve and changes the angular velocity of the rotor, resulting in a greater power extraction from the wind. A number of control strategies can achieve this objective. These include controlling the rotor resistance to maintain a constant generator equivalent circuit, and control based on the aerodynamic torque. It is also possible to use a lookup table instead of a feedback controller. These options all have the same steady-state result as direct output power control, but differing transient performance. Computer simulations and hardware experiments are used to investigate and characterize the different control methods. / text

Ingeniero Civil Eléctrico / En esta Memoria de Título se diseñó y se implementó un sistema de control asistido para una plataforma de vuelo no tripulada (Unmanned Aerial Vehicle - UAV). Lo anterior se realizó con el propósito de simplificar el proceso de aprendizaje de operación radio-controlada a través de un mando de 4 canales. La plataforma utilizada correspondió a un quad-rotor, nave consistente en un cuerpo y cuatro hélices propulsoras. La tele-operación de UAVs constituye una tarea de lento aprendizaje debido a diversos factores como la dinámica de vuelo y la familiaridad del operario con los mandos. El principal objetivo del trabajo es el diseño y la implementación de un sistema que evalúe el desempeño del operario a través de un análisis de sus instrucciones y de la evolución de la nave, y que actúe a nivel de los controladores, facilitando en alguna medida el manejo de la nave. Este trabajo se realizó con el apoyo del Grupo de Automatización del Centro Avanzado de Tecnología para la Minería (AMTC). La metodología de trabajo consistió, en primer lugar, en la integración de la plataforma aérea. Esta tarea incluyó el montaje de la estructura principal, la unión de todos los componentes mecánicos y electrónicos, el diagnóstico de los módulos utilizados, la instalación de un programa núcleo (firmware) de código abierto (APM: Copter), y la sintonización inicial de parámetros. Una vez lista la plataforma, se estudió el código fuente para determinar el tipo de asistente que se utilizaría. Posteriormente, se diseñó un sistema asistente de vuelo en base a pruebas de vuelo y un post-procesamiento de los datos realizado fuera de línea. Los sensores disponibles incluían las unidades de medición inercial, consistentes en acelerómetros y giróscopos, además de magnetómetros. Estos sensores no permitían una estimación adecuada de la posición de la nave, por lo que se consideró además la realización de simulaciones en base a los comandos entregados por el operario al momento dar la prueba. Se utilizó un simulador compatible con el código fuente utilizado y se escribió un programa en Python para enviar las órdenes al simulador mediante el protocolo de comunicación Mavlink y obtener coordenadas simuladas aproximadas. Posteriormente se creó un programa en MATLAB para analizar los resultados de ambas pruebas. Por otro lado, se modificó el código fuente, escrito en C++, creando un modo de vuelo que filtra las referencias entregadas a los controladores PID de alto nivel en función de dos parámetros que deben ser ajustados manualmente. Se realizaron pruebas con diferentes operarios para verificar tanto el funcionamiento del simulador como del asistente de vuelo. Las simulaciones realizadas entregaron resultados imprecisos, con valores llegando sobre los 100 [m] para pruebas que no tuvieron desplazamientos superiores a los 3 [m]. Se consideró apropiado descartar su uso para la obtención de parámetros. Con ellos, se realizaron pruebas de operación para mostrar el efecto del asistente. Los operarios mostraron un grado de mejoría en las pruebas, específicamente pudiendo controlar la altitud de la plataforma con más estabilidad. Se obtuvieron oscilaciones lentas en los ángulos, sin embargo se mantuvieron dentro de rangos estables. Se concluyó que el asistente logra efectivamente intervenir de manera positiva en la estabilización de la nave, ayudando al control de los ángulos horizontales. Esto permite al usuario en primer lugar aprender a controlar la aceleración de la nave. Se proponen mejoras al trabajo, incluyendo la posible utilización de sensores de mayor precisión como GPS para la posición o láser o sonar para la altitud, lo que permitiría la posibilidad de asistir el control de aceleración y de obtener lecturas menos erráticas.

Le mémoire de maîtrise présente la dynamique de rotor d’une microturbine à gaz à configuration renversée permettant l’intégration de pales en céramique. Cette configuration permet d’utiliser des pales de turbine complètement en céramique car elles sont retenues en compression de l’extérieur par un anneau en composite qui est en rotation. Par contre, la configuration renversée nécessite une nouvelle conception de moyeu de turbine. En effet, l’anneau en composite est loin de l'axe de rotation. Par conséquent, il se dilate beaucoup dus aux efforts centrifuges ce qui entraîne un grand déplacement des pales. L’idée est donc de faire un moyeu flexible qui vient suivre le déplacement des pales pour appliquer une pression en dessous de ceux-ci, afin de les tenir en place par friction. La dynamique de rotor avec moyeu flexible est très peu documentée dans la littérature. Le projet de recherche consiste en la compréhension de la dynamique d’un moyeu flexible pour cibler les paramètres intervenant dans la vibration d’une turbine renversée. La recherche se fera via la conception d’un prototype permettant d’étudier l’effet de la flexibilité pour un concept donné. L’analyse de dynamique de rotor avec moyeu flexible est faite avec un modèle par éléments finis linéaire. Malgré le fait que des non-linéarités peuvent provenir des roulements à billes supportés par des films amortisseurs, un type de roulements couramment utilisé pour supporter des turbocompresseurs, il est démontré qu’un modèle linéarisé capte plutôt bien les tendances mesurées. Le but de ce projet est de déceler les paramètres problématiques d’un moyeu flexible et de découvrir les paramètres permettant une bonne dynamique.

Unmanned Aerial Vehicle (UAV) is any flying vehicle which is not controlled by actual human pilots sitting in the cockpit but is installed with proper avionics that can either fly autonomously or by using the commands from its base. Some rotorcraft UAVs use a ducted propeller for two main reasons- safety and to increase the thrust produced by the propellers. While ducted rotors can increase the thrust produced, it also adds weight to the UAV. It was therefore hypothesized that by removing part of the duct materials (i.e. adding perforations in the duct) would benefit from both decreased duct weight and increased thrust. However, it is not clear how much trade-off would be between these two factors. Hence, the objective of this study is to explore the relationship between the change of thrust and addition of different numbers or sizes of perforations. Cases with and without duct, and duct with perforations were simulated using a commercial computational fluid dynamic (CFD) software Ansys/Fluent. The physics of the rotating propeller was modeled by a simplified disc with a pressure jump across an infinitesimal volume. Three different RPM speeds of the propellers were simulated by varying the strength of the pressure jump. The results show that the thrust decreases as the duct is added. As perforations are added, the result shows that with more perforations (i.e. more open area on the duct wall), the thrust increases accordingly until the thrust reaches a maximum value without the duct. The result is in contrast to a published experimental data stating that installation of duct can increase thrust. It is speculated that the current duct with a flat wall has caused such difference from the experimental data. Further study is recommended to continue more detailed computational simulation using a duct with cambered airfoil configuration to reduce the aerodynamic losses.

Student Number : 0004041J - MSc dissertation - School of Electrical and Information Engineering - Faculty of Engineering / Slip energy recovery (SER) drives are used extensively in industry as they offer cost effective speed control of large wound rotor induction motors. The biggest disadvantage associated with the use of SER drives is the vulnerability of the rotor circuit converters to power system disturbances such as voltage dips. The failure of converters as a result of voltage dips is a problem associated with the use of these particular drives. The aim of this research is to better understand the stresses on rotor circuit converters as a result of voltage dips at the terminals of the motor. The rotor transients developed by a wound rotor induction motor are investigated for a range of three phase and single phase voltage dips. Simulations conducted in the Alternative Transients Program (ATP) supplement measurements conducted on a simplified SER circuit. The results confirm that voltage dips cause significant stresses on the converters in the rotor circuit. Good correlation was obtained between simulated and measured results. This work allows for a better understanding of the response of wound rotor induction motors to voltage dips and identifies the threat that voltage dips impose on the SER rotor circuit converters.

Vibrações em coluna de perfuração de poços de petróleo têm sido extensivamente estudadas, principalmente devido aos efeitos danosos causados aos elementos da coluna. Os altos custos envolvidos nas operações têm levado cientistas e empresas a buscarem os melhores resultados, seja no projeto ou na execução do poço. Este trabalho apresenta um modelo matemático não linear para estudo de vibrações em coluna de perfuração em operações de backreaming, ou seja, em operações de retirada da coluna de perfuração de dentro do poço com rotação e bombeamento de fluido simultaneamente. O modelo proposto visa estudar os efeitos das vibrações laterais no conjunto de fundo da coluna, conhecido como Bottom Hole Assembly (BHA). Trata-se de um modelo analítico, não linear com parâmetros concentrados, onde são considerados os efeitos de amortecimento devido ao fluido de perfuração, contato entre estabilizador e comando de perfuração contra a parede do poço e rigidez torcional do tubo de perfuração, com implementação da solução numérica do sistema de equações diferenciais através da criação de uma rotina computacional em ambiente MATLAB®. Para calibração do modelo matemático proposto, foi construída uma bancada experimental, em escala com uma coluna de perfuração, simulando a condição dinâmica da coluna. Os resultados mostram boa correlação entre o modelo matemático, bancada experimental e dados reais de campo. Análises paramétricas foram realizadas para estudo da influência do movimento de precessão, aceleração lateral e dano acumulado na coluna. Um modelo probabilístico foi proposto para estudo das vibrações da coluna em conjunto com o modelo matemático ajustado experimentalmente. O trabalho discute os resultados estatísticos para análise de vibração da coluna utilizando o método de Monte Carlo, considerando as incertezas no diâmetro do poço e coeficiente de atrito. Os resultados mostram que a aceleração lateral é menor em poços com diâmetro próximo ao da broca e com baixo coeficiente de atrito, além de não sofrerem influência significativa devido à velocidade de backreaming. Para poços com maior incerteza no diâmetro do poço e elevada velocidade de rotação da coluna, observou-se maiores valores de aceleração lateral. / Oil well drill string vibrations have been studied extensively throughout the world, mainly due to the highly damaging effects caused by these vibrations in the drill string elements. The high costs involved in the operations have led scientists and companies to seek the best results, whether in wellbore project or during real time construction. This thesis presents a non-linear mathematical model for drill string vibrations analysis during backreaming operations, that is, pulling out drill string with pumping and rotation simultaneously. The model proposed aims to study the effects of lateral vibrations on the lower portion of the drill string, commonly known as Bottom Hole Assembly (BHA). The modeling approach is based on analytical, nonlinear and lumped parameters, which considers the effects of drilling fluid damping, stabilizer and drill collar contact with the borehole wall and drill pipe torsional stiffness, with MATLAB® numerical routine implementation to solve the system of differential equations. To setup of the proposed mathematical model, an experimental test rig was built in scale with a real drill string, simulating the dynamic condition of the drill string. The results show good correlation between the mathematical model, experimental test rig and real field data. Parametric analysis were performed to study the influence of backward whirl, lateral acceleration and accumulated damage in the drill string. A probabilistic model was proposed for the study of drill string vibrations with mathematical model experimentally calibrated. The work discusses the statistical results for the drill string vibration using Monte Carlo approach, considering the uncertainties in borehole diameter and friction coefficient. The results show that the lateral acceleration is smaller in borehole diameter closer to the drill bit diameter with low friction coefficient, besides not being significant influence due to the backreaming speed. For wellbore with greater uncertainty in the borehole diameter and for drill string with high speed rotation, a higher lateral acceleration value was observed.

O desempenho comportamental de dispositivos MEMS (Sistemas Micro Eletro Mecânicos) baseados em deformação elástica pode ser modificado conforme a temperatura ambiente onde o mesmo está inserido. A compreensão do desempenho comportamental destas estruturas permite avaliar o grau de influência da variação térmica, além de verificar a funcionalidade das mesmas. As estruturas alvo são dois micros rotores utilizados nos atuadores comb-drive, tais como ponte dupla e dobradiça com tipologia simples e deslocamento unidirecional. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi obter um modelo comportamental estimado de micro rotores MEMS fundamentado na teoria de Identificação de Sistemas através de técnicas de modelagem matemática caixa cinza em diferentes temperaturas. A representação matemática utilizada corresponde aos modelos matemáticos auto regressivos com entradas e saídas exógenas. Os parâmetros dos modelos estimados são obtidos utilizando o método dos Mínimos Quadrados (MQ), sendo os dados processados em lote. Os testes experimentais das estruturas utilizadas foram realizados em uma plataforma experimental desenvolvida na ferramenta computacional que utiliza o método de elementos finitos, usando como teste um sinal degrau e um sinal degrau contaminado com ruído. Os índices de erro relativo, raiz do erro quadrático médio e a validação cruzada foram utilizados para validar os modelos estimados. O modelo estimado resultante apresentou um desempenho satisfatório quando foi comparado com os dados experimentais e com um modelo fenomenológico do processo. Desta forma, o modelo estimado obtido a partir dos dados no processo de fabricação, quando comparado com o modelo fenomenológico, auxilia o projetista de MEMS na melhora da qualidade do desempenho dessas estruturas. / 96 f.

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Vibrações em coluna de perfuração de poços de petróleo têm sido extensivamente estudadas, principalmente devido aos efeitos danosos causados aos elementos da coluna. Os altos custos envolvidos nas operações têm levado cientistas e empresas a buscarem os melhores resultados, seja no projeto ou na execução do poço. Este trabalho apresenta um modelo matemático não linear para estudo de vibrações em coluna de perfuração em operações de backreaming, ou seja, em operações de retirada da coluna de perfuração de dentro do poço com rotação e bombeamento de fluido simultaneamente. O modelo proposto visa estudar os efeitos das vibrações laterais no conjunto de fundo da coluna, conhecido como Bottom Hole Assembly (BHA). Trata-se de um modelo analítico, não linear com parâmetros concentrados, onde são considerados os efeitos de amortecimento devido ao fluido de perfuração, contato entre estabilizador e comando de perfuração contra a parede do poço e rigidez torcional do tubo de perfuração, com implementação da solução numérica do sistema de equações diferenciais através da criação de uma rotina computacional em ambiente MATLAB®. Para calibração do modelo matemático proposto, foi construída uma bancada experimental, em escala com uma coluna de perfuração, simulando a condição dinâmica da coluna. Os resultados mostram boa correlação entre o modelo matemático, bancada experimental e dados reais de campo. Análises paramétricas foram realizadas para estudo da influência do movimento de precessão, aceleração lateral e dano acumulado na coluna. Um modelo probabilístico foi proposto para estudo das vibrações da coluna em conjunto com o modelo matemático ajustado experimentalmente. O trabalho discute os resultados estatísticos para análise de vibração da coluna utilizando o método de Monte Carlo, considerando as incertezas no diâmetro do poço e coeficiente de atrito. Os resultados mostram que a aceleração lateral é menor em poços com diâmetro próximo ao da broca e com baixo coeficiente de atrito, além de não sofrerem influência significativa devido à velocidade de backreaming. Para poços com maior incerteza no diâmetro do poço e elevada velocidade de rotação da coluna, observou-se maiores valores de aceleração lateral. / Oil well drill string vibrations have been studied extensively throughout the world, mainly due to the highly damaging effects caused by these vibrations in the drill string elements. The high costs involved in the operations have led scientists and companies to seek the best results, whether in wellbore project or during real time construction. This thesis presents a non-linear mathematical model for drill string vibrations analysis during backreaming operations, that is, pulling out drill string with pumping and rotation simultaneously. The model proposed aims to study the effects of lateral vibrations on the lower portion of the drill string, commonly known as Bottom Hole Assembly (BHA). The modeling approach is based on analytical, nonlinear and lumped parameters, which considers the effects of drilling fluid damping, stabilizer and drill collar contact with the borehole wall and drill pipe torsional stiffness, with MATLAB® numerical routine implementation to solve the system of differential equations. To setup of the proposed mathematical model, an experimental test rig was built in scale with a real drill string, simulating the dynamic condition of the drill string. The results show good correlation between the mathematical model, experimental test rig and real field data. Parametric analysis were performed to study the influence of backward whirl, lateral acceleration and accumulated damage in the drill string. A probabilistic model was proposed for the study of drill string vibrations with mathematical model experimentally calibrated. The work discusses the statistical results for the drill string vibration using Monte Carlo approach, considering the uncertainties in borehole diameter and friction coefficient. The results show that the lateral acceleration is smaller in borehole diameter closer to the drill bit diameter with low friction coefficient, besides not being significant influence due to the backreaming speed. For wellbore with greater uncertainty in the borehole diameter and for drill string with high speed rotation, a higher lateral acceleration value was observed.