Pour des raisons de sécurité, les moteurs aéronautiques doivent pouvoir redémarrer en vol sur toute leur plage d'opération. Mais les contraintes sur les émissions polluantes nécessitent le développement de nouvelles chambres de combustion dont la conception peut détériorer les capacités d'allumage du moteur. Afin d'améliorer la compréhension du processus d'allumage et d'aider à l'optimisation de la conception, les recherches actuelles combinent les études expérimentales de plus en plus complexes et les simulation numériques hautes fidélités. Dans ce travail, l'étude numérique du processus d'allumage des chambres de combustion aéronautiques, de l'étincelle à la propagation azimutale de la flamme, est conduite avec plusieurs objectifs: améliorer la robustesse et la confiance de l'outil LES pour l'étude de l'allumage, étudier les mécanismes qui affectent l'allumage dans des conditions représentatives des conditions réelles et enfin améliorer les méthodes bas-ordre pour la prédiction des performances d'allumage. Dans une première partie, la SGE d'un monobruleur installé au CORIA permet de mettre en évidence les bons résultats de la LES et de construire une base de données pour l'analyses des mécanismes d'extinction. Ces données sont aussi utilisées pour développer une méthodologie permettant de prédire les performances d'allumage à bas coût en utilisant les résultats d'une SGE non-réactive. Dans une seconde partie, la propagation inter-secteur est investiguée par l'étude de deux cas expérimentaux et la SGE est capable de reproduire les modes de propagation mais aussi les temps d'allumage avec précision. Sur la bases de ces bons résultats, une analyse plus fine de la simulation permet d'identifier les mécanismes qui contrôlent la propagation de la flamme. / For safety reasons, in-flight relight of the engine must be guaranteed over a wide range of operating conditions but the increasing stringency of pollutant emission constraints requires the development of new aero-engine combustor whose design might be detrimental to the ignition capability. To improve the knowledge of the ignition process in aeronautical gas turbines and better combine conflicting technological solutions, current research relies on both complex experimental investigation and high fidelity numerical simulations. In this work, numerical study of the ignition process in gas turbines from the energy deposit to the light-around is performed with several objectives: increase the level of confidence of Large Eddy Simulations tool for the analysis of the ignition process, investigate the mechanisms controlling ignition in conditions representative of realistic aeronautical gas turbine flows and improve the low-order methodologies for the prediction of ignition performance. In a first part, LES of the single burner installed at CORIA (France) is carried out and allows to highlight the LES accuracy and to build a database on which the main mechanisms controlling the ignition success are identified. Based on these results, a methodology is developed to predict the ignition performance at a low computational cost using the non-reacting flow statistics only. In a second part, the light-around process is studied on two experimental set-ups and the very good agreement of the LES results with experiments is the starting point from an analysis of the mechanisms driving the flame propagation process.

Avec la convergence de plusieurs tendances profondes du secteur énergétique, lesréseaux électriques intelligents (smart grids) émergent comme le paradigme principal pourla modernisation des réseaux électriques. Les smart grids doivent notamment permettred’intégrer de larges proportions d’énergie renouvelable intermittente, de stockage et devéhicules électriques, ainsi que donner aux consommateurs plus de contrôle sur leur consommationénergétique. L’atteinte de ces objectifs repose sur l’adoption de nombreusestechnologies, et en particulier des technologies de l’information et de la communication.Ces changements transforment les réseaux en des systèmes de plus en plus complexes,nécessitant des outils adaptés pour modéliser, contrôler et simuler leur comportement.Dans cette thèse, l’utilisation des systèmes multi-agents (SMA) permet une approchesystémique de la gestion de l’énergie, ainsi que la définition d’architectures et d’algorithmesbénéficiant des propriétés des SMA. Cette approche permet de prendre en compte lacomplexité d’un tel système cyber-physique, en intégrant de multiples aspects commele réseau en lui-même, les infrastructures de communication, les marchés ou encore lecomportement des utilisateurs. L’approche est mise en valeur à travers deux applications.Dans une première application, un système de gestion de l’énergie pour centrales àturbines à gaz est conçu avec l’objectif de minimiser les coûts de fonctionnement et lesémissions de gaz à effet de serre pour des profils de charge variables. Un modèle de turbineà gaz basé sur des données réelles est proposé et utilisé dans un simulateur spécifiquementdéveloppé. Une métaheuristique optimise dynamiquement le dispatching entre les turbinesen fonction de leurs caractéristiques propres. Les résultats montrent que le systèmeest capable d’atteindre ses objectifs initiaux. Les besoins en puissance de calcul et encommunication sont également évalués.Avec d’autres mesures de gestion de la demande, l’effacement diffus permet de réduiretemporairement la charge électrique, par exemple dans la cas d’une congestion du réseaude transport. Dans cette seconde application, un système d’effacement diffus est proposéet utilise les ressources disponibles chez les particuliers (véhicules électriques, climatisation,chauffe-eau) pour maintenir la demande sous une valeur limite. Des aggrégateursde capacité de réduction de charge servent d’interface entre les opérateurs du réseau etun marché de l’effacement. Un simulateur est également développé pour évaluer la performancedu système. Les résultats de simulations montrent que le système réussit àatteindre ses objectifs sans compromettre la stabilité du réseau de distribution en régimecontinu. / Due to the convergence of several profound trends in the energy sector, smart gridsare emerging as the main paradigm for the modernization of the electric grid. Smartgrids hold many promises, including the ability to integrate large shares of distributedand intermittent renewable energy sources, energy storage and electric vehicles, as wellas the promise to give consumers more control on their energy consumption. Such goalsare expected to be achieved through the use of multiple technologies, and especially ofinformation and communication technologies, supported by intelligent algorithms.These changes are transforming power grids into even more complex systems, thatrequire suitable tools to model, simulate and control their behaviors. In this dissertation,properties of multi-agent systems are used to enable a new systemic approach to energymanagement, and allow for agent-based architectures and algorithms to be defined. Thisnew approach helps tackle the complexity of a cyber-physical system such as the smart gridby enabling the simultaneous consideration of multiple aspects such as power systems, thecommunication infrastructure, energy markets, and consumer behaviors. The approach istested in two applications: a “smart” energy management system for a gas turbine powerplant, and a residential demand response system.An energy management system for gas turbine power plants is designed with the objectiveto minimize operational costs and emissions, in the smart power generation paradigm.A gas turbine model based on actual data is proposed, and used to run simulations witha simulator specifically developed for this problem. A metaheuristic achieves dynamicdispatch among gas turbines according to their individual characteristics. Results showthat the system is capable of operating the system properly while reducing costs and emissions.The computing and communication requirements of the system, resulting from theselected architecture, are also evaluated.With other demand-side management techniques, demand response enables reducingload during a given duration, for example in case of a congestion on the transmissionsystem. A demand response system is proposed and relies on the use of the assets ofresidential customers to curtail and shift local loads (hybrid electric vehicles, air conditioning,and water heaters) so that the total system load remains under a given threshold.Aggregators act as interfaces between grid operators and a demand response market. Asimulator is also developed to evaluate the performance of the proposed system. Resultsshow that the system manages to maintain the total load under a threshold by usingavailable resources, without compromising the steady-state stability of the distributionsystem.

Dans les turbomachines conventionnelles, l’estimation des performances (rendement, puissance et rapport de pression) se fait en général en admettant l’adiabaticité de l’écoulement. Mais, de nombreuses études ayant montré l’influence négative des échanges thermiques internes et externes sur les performances des petites turbomachines dans les faibles charges et aux bas régimes, cette hypothèse ne peut plus être recevable. L’objectif principal de cette thèse est de contribuer à lever l’hypothèse d’adiabaticité.Une étude préalable de l’état de l’art a permis de relever les différents types de transferts thermiques dans les turbomachines et de circonscrire notre étude.Puis, une analyse exergétique généralisée, ayant pour but la prise en compte des deux principes de la thermodynamique, a été effectuée et l’évolution de l’indice de performance caractérisant le niveau d’énergie récupérable en fonction des échanges thermiques est étudiée.Les performances des turbomachines à fluide compressible sont généralement représentées sous forme graphique dans des systèmes de coordonnées adimensionnelles établies avec l’hypothèse d’adiabaticité. Ces cartographies couramment utilisées par les exploitants et constructeurs ne conviennent pas aux machines fonctionnant avec transferts thermiques. L’étude de la similitude des turbomachines thermiques à fluide compressible présentée dans ce travail, propose de nouvelles coordonnées adimensionnelles pouvant être utilisées aussi bien en adiabatique que dans les écoulements avec transferts thermiques.Enfin, nous proposons un protocole de mesures et un modèle numérique pour l’évaluation des transferts thermiques dans un turbocompresseur.Certains résultats obtenus montrent que les performances calculées avec l’hypothèse d’adiabaticité de l’écoulement du fluide sont surestimées. Les nouvelles lois de la similitude proposées généralisent le théorème de Rateau au fluide compressible fonctionnant dans n’importe quelle condition et permettent de calculer les échanges thermiques à chaud à partir des résultats d’essai à froid. Une donnée supplémentaire (température de refoulement) est néanmoins nécessaire pour la prédiction complète des performances et des échanges thermiques.Le modèle numérique de calcul des échanges thermiques proposé donne des résultats en accord avec ceux attendus, mais nécessite des données réelles issues de mesure sur banc pour une validation complète. / In the conventional turbomachines, calculations are done assuming adiabatic flow. But, the negative influence of external and internal heat exchange on the performance of small turbomachines at low loads and low speeds have been shown by many studies in the literature. Then, this assumption is no longer admissible. The main objective of this thesis is to help remove the assumption of adiabaticity.A study of the state of art has identified the different kinds of heat transfer and defined the limits of our investigations.Afterwards, a generalized exergy analysis whose main goal is to take into account the two principles of thermodynamics has been made and the variation of exergy performance versus heat transfer has been studied.The maps currently used are made with the assumption of adiabaticity. The laws of similarity in turbomachines working with compressible fluid studied propose new dimensionless coordinates that can be used in any operating condition (adiabatic or not).Finally, we present a measurement protocol and a numerical model for calculating heat transfer in a turbocharger.Some results from our work indicate that the performance of thermal turbomachinery announced regardless of thermal heat exchanges are found to be overestimated.The new laws of similarity proposed generalize the Rateau’s theorem to compressible fluid flow in any operating condition and can be used to calculate heat transfer from adiabatic test results. Supplementary information is still required for the complete prediction of performance and heat transfer.The numerical model for calculating heat transfer gives some results that are in agreement with those expected. But actual data from test bench are required for complete validation.

Les procédés existant pour la fabrication de sous-couches et de systèmes barrière thermique pour les aubes mobiles des turbomachines sont complexes, onéreux, et, de leur reproductibilité dépend la durée de vie de ces systèmes. Cette étude montre la faisabilité d'obtention de sous-couches γ-Ni + γ'-Ni3Al enrichies en platine et de systèmes barrière thermique complets, par l'utilisation du procédé de Spark Plasma Sintering (SPS). Les paramètres du procédé SPS (pression, durée, température et nombre de paliers) ont été ajustés afin de fabriquer les différents types de systèmes. Des améliorations ont été apportées à l'outillage, en vue notamment de mieux appréhender la température de la pièce lors du cycle thermique et, d'empêcher la formation de carbures. Les propriétés microstructurales des revêtements obtenus sont caractérisées et mises en relation avec les paramètres d'élaboration. De plus, les propriétés d'usage (cinétique d'oxydation, résistance au cyclage thermique et à la corrosion par les aluminosilicates fondus, CMAS, conductivité thermique) ont été évaluées. Un large domaine de composition de sous-couches a pu être exploré, notamment par l'addition, par pulvérisation cathodique, d'éléments réactifs (Hf, Y, Si) et d'autres éléments (Ag, Au, Cu) ayant un effet sur le domaine de stabilité de la phase γ'. La possibilité de réaliser des systèmes barrière thermique mono et bi-couches céramiques en une seule étape par le procédé SPS est également démontrée. Un mode d'endommagement spécifique des systèmes barrière thermique élaborés par SPS a été mis en évidence lors d'essais de cyclage thermique et interprété avec l'aide de simulations numériques par éléments finis. Les nombreuses compositions et architectures réalisées au cours de cette étude, sont un encouragement à poursuivre les améliorations apportées au procédé pour l'obtention de systèmes plus complexes et plus fiables. / Fabrication of bond coatings and thermal barrier coating systems for aircraft engine turbine blades and vanes, rely on complex and costly processes, and the lifetime of the systems highly depends on their reproducibility. This work demonstrates the feasibility of platinum rich γ-Ni + γ'-Ni3Al bond coatings and complete thermal barrier coating systems using the Spark Plasma Sintering (SPS) process. Processing parameters (pressure, number, temperature and duration of dwells) have been finely tuned to fabricate the different types of systems. Some necessary adjustments to the equipments have been made to prevent the specimens from pollution, and to better control the samples temperature, and are discussed. The microstructure characteristics and their relation with process parameters have been investigated. Properties such as oxidation kinetics, thermal cycling resistance and CMAS (molten aluminosilicate) corrosion are evaluated. Physical vapor deposition have been used for bond coat doping with reactive elements (Hf, Y, Si) and elements that extend the γ' phase stability domain (Au, Ag, Cu). The possibility to fabricate complete thermal barrier coating systems with a mono or a bi-ceramic top coat layer in a single step is demonstrated. SPS thermal barrier coating systems exhibit a singular spalling behavior during thermal cycling. A finite-element numerical model has been developed and allows its understanding. The versatility of the SPS process has allowed the fabrication of a large number of bond coat compositions and thermal barrier coatings architectures. There is a strong incentive in developing this process for fabricating more reliable and competitive systems.

Au sein des parties statiques d’une turbine à gaz, l’étanchéité du système d’air derefroidissement est couramment assurée par un montage de segments. De par sa rigiditéélevée, ce type de joint s’adapte mal aux pièces avec lesquelles il entre en contact. Uneméthodologie, associant métrologie et calcul éléments finis, a effectivement montré quel’ouverture, à l’interface entre un segment et sa piste, est très supérieure à celle qui caractériseun contact simplement rugueux. Une analyse en ordres de grandeur a révélé que lesmécanismes d’écoulement du gaz, sur un champ d’ouverture typique de l’interface entre la pisteet le segment, sont conditionnés par deux nombres adimensionnels. Trois régimes peuvent êtredistingués en fonction des valeurs prises par ces nombres. L’un d’eux, le régime laminairecompressible inertiel, est particulièrement intéressant car il est présent dans les zones de laturbine où l’étanchéité est cruciale. Un modèle quasi analytique a été développé pour décrire cerégime. En l’associant à un modèle de déformation, on aboutit à un outil prédictif du débit degaz induit par un segment. Des essais sur banc partiel ont permis de le valider et de démontrersa précision. L’outil développé fournit le moyen de quantifier l’impact du champ de température,du champ de pression et des écarts géométriques, propres à un stator de turbine, sur lesperformances de l’étanchéité. Ce travail a débouché sur des règles de dimensionnement et deconception qui portent notamment sur l’obturation du jeu inter-extrémités, sur le choix dunombre de segments et du sens de serrage. / The sealing of gas turbine static parts is usually performed using piston rings.Because of its high stiffness, this type of gasket does not adapt itself to the parts with which it isdue to be in contact. A method involving metrology and a FEM actually revealed that the ringboreor ring-piston contact aperture is far larger than the one within a rough contact. Using ascale analysis, we showed that gas flow mechanisms, through the aperture field of the contactbetween the ring and the inner or outer part (i.e. the piston or the bore), depend on twodimensionless numbers. Three regimes can be distinguished depending on the values of thesenumbers. One of them, the compressible inertial laminar regime, is of particular interestbecause of its relevance in turbine areas where sealing is strongly critical. A quasi analyticalmodel was developed to describe this regime. By a coupling with a strain model, it wasupgraded to a predictive tool of leakage through a piston-ring or bore-ring contact. Acomparison with measurements carried out on a partial test rig allowed to prove its accuracy.This tool made it possible to quantify the influence of temperature field, pressure field andgeometrical defects, which are typical of a turbine stator, on sealing performance. This worklead us to propose design rules concerning, in particular, the ring gap type, number of rings tobe mounted and choice of tightening direction.

L’objectif est de développer un algorithme de gestion énergétique d’un parc de production comprenant de la production distribuée sous forme de micro turbines à gaz et de générateurs PV pilotables dits «actifs » en vue de minimiser le coût économique et environnemental. Les principes généraux de la production d’électricité à base d’énergie renouvelable et non renouvelable sont d’abord présentés et le fonctionnement actuel des réseaux électriques est rappelé pour situer les innovations attendues dans les futurs réseaux dits intelligents. Ensuite, un algorithme de suivi du point de puissance maximale et de puissance limitée dans un générateur actif PV est présenté. La modélisation des micro-turbines à gaz est aussi présentée. La contribution principale concerne la conception d’une planification opérationnelle des moyens de production la veille pour le lendemain à partir de prédictions de la charge et de la production PV en utilisant une programmation dynamique adaptée. La méthode proposée prédétermine le profil de production des générateurs de manière à réaliser une optimisation globale d’une fonction objective pour un réseau électrique urbain. Pour l’exploitation, un algorithme d’ajustement est proposé et intervient toutes les ½ heures de manière à prendre en compte les déviations par rapport aux prédictions en utilisant un réseau de communication. Un micro réseau urbain est utilisé pour tester les algorithmes de gestion implantés dans un superviseur interfacé à un simulateur temps réel. Des comparaisons dans des situations identiques avec différentes fonctions objectives sont réalisées ainsi que des évaluations économiques et environnementales à l’aide d’indicateurs / The presented research works aim to develop an energy management system for a cluster of distributed micro gas turbines and controllable PV generators called «active generators». The general principles of electricity generation from renewable and non-renewable energy sources are first presented. The operation of actual electric grids is also recalled in order to highlight the challenges and expected innovations in future Smart Grids. Then, the integration of a novel method for maximum and limited power point tracking in a PV-based active generator is presented. The modeling of micro-gas turbines in a microgrid energy management system is also presented. The main contribution of this thesis concerns the design of an operational planning of generators one day ahead by the means of a dynamic programming-based algorithm, taking into account the PV power production and the consumption forecasts. The proposed method calculates the production planning of generators by performing a global optimization of an objective function. An adjustment algorithm is proposed and executed every ½ hours through a communication network in order to take into account the uncertainty in forecasted values. An urban microgrid is used for testing the developed algorithms through Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) with hardware-in-the-loop and real-time simulations. Comparisons of the microgrid operation in identical situations with different objective functions are performed, as well as evaluations of economic and environmental indicators