"GENTLEMEN, JUNK YOUR ENGINES!" This title of a recent periodical article [1]* catches some of the expectation for the wedding of the Automobile and the Gas Turbine, The nuptials cannot be completed though, unless two problems are overcome: 1) high fuel consumption, and 2) high operating temperature. The first problem is solvable by the use of heat regeneration and much work has been done in this area [2][3] [4]. The solution of the second problem of high operating temperature was the basis for this thesis. The method of solution was by water injection into the combustion gases prior to entrance into the turbine. The injection of water reduces the turbine inlet temperature, which allows the production of gas turbines from less expensive materials. This reduces the production cost of gas turbines and makes them more competitive in automotive applications. Also, water injection increases the mass flow rate through the turbine without a significant decrease in total volume flow, which results in only a very small loss in overall thermal efficiency.

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Ce mémoire de maitrise présente l'étude expérimentale, dans le cadre du projet Tr-Francis, de l'écoulement dans une turbine Francis de moyenne chute. Plus spécifiquement, les conditions d'opération hors design, allant de la charge partielle à la courbe de fonctionnement sans charge, sont étudiées lors d'une campagne d'essai visant à établir une cartographie préliminaire des phénomènes présents dans la turbine. L'identification de ces phénomènes repose sur la visualisation de la cavitation dans l'écoulement et l'analyse de signaux de pression. Un cône d'aspiration en acrylique permet la visualisation de l'écoulement depuis la sortie de la roue, tandis que l'accès optique à l'aval de la roue est assuré par un endoscope inséré dans une directrice spécialement conçue à cet effet. Des caméras haute vitesse sont utilisées pour visualiser l'écoulement dans les régions d'intérêt, dont l'éclairage est optimisé pour chaque configuration. Les images, acquises en synchronisation avec la position de la roue, sont par la suite analysées numériquement pour déterminer la position et l'intensité moyennes des phénomènes. Les signaux de pression, issus de capteurs dans le cône et dans l'entrefer, sont quant à eux traités dans les domaines temporel et fréquentiel pour identifier les structures présentes. Les données obtenues montrent que les phénomènes hydrauliques dépendent essentiellement du coefficient de débit. À charge partielle, la torche est présente dans le cône d'aspiration et engendre des fluctuations de pression à la fréquence de précession du phénomène. Différents types de tourbillons inter-aubes sont observés pour les régimes de fonctionnement à très faible charge, et notamment des tourbillons accrochés à la couronne de la roue au centre du canal inter-aubes et des tourbillons présents proche du bord d'attaque des aubes et qui se prolongent dans la roue proche de la ceinture. Au point de SNL, un refoulement de l'écoulement au bord de fuite des aubes de la roue provoque le blocage partiel du canal inter-aubes. L'intensité de cette zone cavitante dépend des conditions d'opération sur la courbe de fonctionnement sans charge. / This master's thesis presents the experimental investigation of the flow inside a medium head Francis turbine as part of the Tr-Francis project. Focus is put on off design operating conditions, from part load to the no-load curve, with the aim of providing a preliminary mapping of flow phenomena inside the turbine. Identification of these phenomena is based on high-speed flow visualization of cavitation and the analysis of pressure signals. An acrylic draft tube allows to see through and visualize the flow at the exit of the runner, while optical access from upstream of the runner is provided by a borescope inserted inside a custom-made guide vane. LED panels illuminate the region of interest. Flow visualizations, acquired in sync with the runner position, are then numerically analyzed to determine the mean position and intensity of these phenomena. Pressure signals, in the draft tube and the vaneless space, are processed in time and frequency domains to identify the structures in the flow. Data collected shows that flow phenomena are essentially dependent on discharge coefficient. At part load, a vortex rope is present in the draft tube and induces pressure fluctuations at the precession frequency of the phenomenon. Different types of inter-blade vortices are observed at deep part load operating conditions, and more specifically reverse flow vortices and incidence vortices. At SNL operating condition, a backflow at the trailing edge of the runner blades creates a blockage of the upper part of the inter-blade channel. Intensity of this cavitating zone depends on operating conditions along the no-load curve.

Film cooling is investigated on a flat plate both numerically and experimentally. Conical shaped film hole are investigated extensively and contribute to the current literature data, which is extremely rare in the open public domain. Both configuration of the cylindrical film holes, with and without a trench, are investigated in detail. Design of experiment technique was performed to find an optimum combination of both geometrical and fluid parameters to achieve the best film cooling performance. From this part of the study, it shows that film cooling performance can be enhanced up to 250% with the trenched film cooling versus non-trenched case provided the same amount of coolant. Since most of the relevant open literature is about film cooling on flat plate endwall cascade with linear extrusion airfoil, the purpose of the second part of this study is to examine the interaction of the secondary flow inside a 3D cascade and the injected film cooling jets. This is employed on the first stage of the aircraft gas turbine engine to protect the curvilinear (annular) endwall platform. The current study investigates the interaction between injected film jets and the secondary flow both experimentally and numerically at high Mach number (M=0.7). Validation shows good agreement between obtained data with the open literature. In general, it can be concluded that with an appropriate film coolant to mainstream blowing ratio, one can not only achieve the best film cooling effectiveness (FCE or η) on the downstream endwall but also maintain almost the same aerodynamic loss as in the un-cooled baseline case. Film performance acts nonlinearly with respect to blowing ratios as with film iv cooling on flat plate, in the other hand, with a right blowing ratio, film cooling performance is not affect much by secondary flow. In turn, film cooling jets do not increase pressure loss at the downstream wake area of the blades.

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Titre de l'écran-titre (visionné le 13 décembre 2023) / Bien que l'hydroélectricité ne soit pas une technologie récente, elle constitue une source d'énergie verte dont l'utilisation est appelée à croître dans les décennies à venir. La flexibilité de production des turbines hydrauliques permet d'équilibrer la puissance fournie au réseau avec la demande en électricité. Leurs paramètres d'opération sont adaptés continuellement afin d'assurer cet équilibre. Lorsqu'une production plus importante est requise, le passage d'un débit d'eau supérieur dans les turbines permet typiquement d'augmenter la puissance qu'elles fournissent. Passé un certain point, le rendement des turbines diminue, et l'augmentation du débit ne se traduit plus par une augmentation de puissance aussi importante. Il s'agit d'un comportement normal qui est une conséquence de la dynamique de l'écoulement dans leurs composantes. Toutefois, certaines turbines présentent plutôt une chute de rendement hydraulique importante et soudaine près de leur point de meilleur rendement. Celle-ci corrèle avec l'apparition de décollements de la couche limite dans leur aspirateur, une composante située à l'aval de la roue. Ces baisses d'efficacité réduisent leur flexibilité d'opération et peuvent aussi, dans certains cas, résulter en une baisse de la puissance fournie au réseau. Cette thèse vise à étudier les mécanismes menant à l'apparition des décollements, dont la compréhension ouvrirait la voie à l'implantation de correctifs et à l'amélioration des outils et pratiques de conception. L'étude est basée sur l'analyse expérimentale des champs de vitesse et de pression dans l'aspirateur d'une turbine bulbe modèle. Suivant l'hypothèse d'une interaction entre les séparations de la couche limite et une instabilité de l'écoulement dans le sillage de la roue, des mesures vélocimétriques par imagerie de particules résolues dans le temps (TR-PIV) ont été effectuées au centre de l'aspirateur afin d'explorer la dynamique de l'écoulement dans cette région et ses relations avec la chute de rendement. Ces mesures ont permis d'identifier une structure cohérente qui évolue dans le sillage ainsi que des séparations survenant à l'amont de l'aspirateur n'ayant pas été détectées lors des campagnes de mesure antérieures. Il est démontré que ces séparations ne sont pas présentes continuellement, et qu'elles surviennent et disparaissent sur des échelles de temps allant jusqu'à plusieurs centaines de tours de roue. Pour une condition d'opération unique, l'aspirateur peut donc tout aussi bien fonctionner efficacement que subir de larges décollements qui limitent sa performance. Ce constat supporte la multiplicité de solutions ayant été obtenues numériquement près du sommet de rendement. Des analyses par décomposition modale des champs de vitesse instantanés expliquent la présence de la structure cohérente par une instabilité de l'écoulement qui est amplifiée par la rotation de la roue. Le taux d'amplification de cette instabilité diminue significativement près du point où la chute de rendement survient, et il en résulte une transition dans la topologie de la structure. Ces observations expérimentales sont les premières à supporter la possibilité d'un changement dans l'état de stabilité de l'écoulement en lien avec la chute de rendement, tel que suggéré précédemment par des analyses de stabilité théoriques. Les analyses modales transitoires montrent par ailleurs des changements importants dans la dynamique du sillage lorsque certaines séparations se produisent. Sans l'exclure, ces résultats ne permettent toutefois pas de conclure à un lien de cause à effet direct entre la stabilité de la structure et les décollements de la couche limite. Les analyses du point de vue transitoire démontrent finalement que les décollements déjà observés à l'aval et au centre de l'aspirateur, ainsi que les larges séparations nouvellement identifiées à l'amont, sont de natures distinctes. Alors que les séparations à l'aval sont présentes dès le sommet de rendement, celles survenant près de la roue à l'amont gagnent davantage en importance avec l'augmentation du débit et deviennent rapidement le facteur contributif le plus important à la chute de rendement. / Although hydroelectricity is not a recent technology, it constitutes a source of green energy whose use is set to grow in the decades to come. The production flexibility offered by hydraulic turbines makes it possible to balance the power supplied to the grid with the electrical demand. Their operating parameters are continuously adapted to ensure this balance. When higher production is required, increasing the water flow rate through the turbines typically makes it possible to increase the power they provide. After a certain point, the turbines' efficiency decreases, and further increasing the flow rate no longer translates into a significant gain in power. This behavior is expected and is a consequence of the flow dynamics in their components. However, some turbines exhibit an important and sudden hydraulic efficiency drop near their best efficiency point which correlates with the onset of boundary layer separation in their draft tube, a component located downstream of the runner. These efficiency drops reduce the flexibility of operation and can also, in some cases, result in a drop in the power supplied to the electrical grid. This thesis aims to study the mechanisms leading to the appearance of these flow separations, the understanding of which would pave the way for the implementation of mitigation mechanisms and the improvement of design tools and practices. The study is based on the experimental analysis of velocity and pressure fields in the draft tube of a model bulb turbine. Following the hypothesis of an interaction between the flow separations and an instability in the wake of the runner, time-resolved particle image velocimetry (TR-PIV) measurements were carried out at the center of the draft tube to explore the flow dynamics in this region and their relationship with the efficiency drop. These measurements made it possible to identify a coherent structure located in the wake as well as separations occurring in the upstream part of the draft tube which had not been detected during previous measurement campaigns. It is shown that these separations are not continuously present and that they appear and disappear over time scales of up to several hundred runner revolutions. For a given operating condition, the draft tube may therefore operate efficiently as well as undergo large flow separations, limiting its performance. This observation supports the multiple solutions that have been obtained numerically around the best efficiency point. Using modal decompositions of the instantaneous velocity fields, the presence of the coherent structure is explained by an instability of the flow which is amplified by the rotation of the runner. The amplification rate of this instability decreases significantly near the point where the efficiency drop occurs, resulting in a transition in the topology of the structure. These experimental observations are the first to support the possibility of a change in the stability of the flow related to the efficiency drop, as suggested previously by theoretical stability analyses. Transient modal analyses also show a significant change in the wake dynamics when certain separations occur. Without excluding it, these results do not, however, allow concluding that there is a direct causal relationship between the stability of the structure and the flow separations. Finally, the analyses from the transient point of view demonstrate that the separations that were previously observed in the downstream part and near the center of the draft tube, as well as the large separations newly identified upstream, are of distinct natures. While downstream separations are already present at peak efficiency, those occurring upstream, near the runner, gain more importance as the flow rate is increased and rapidly become the most significant contributing factor to the efficiency drop.

Ce mémoire présente l’étude numérique d’une turbine hydroélectrique de type Francis de moyenne chute dans le cadre du projet Tr-FRANCIS au Laboratoire de Machines Hydrauliques. Le but de cette maîtrise est de caractériser les réponses structurelle et modale préliminaires de la roue en condition d’opération de marche à vide aux échelles prototype et modèle. Concrètement, le travail vise à identifier les zones de contraintes élevées et à déterminer les fréquences naturelles. La méthodologie numérique utilisée consiste à interpoler les forces induites par l’écoulement sur le maillage et à calculer la réponse structurelle suivant une approche dépendante du temps. Les modèles numériques sont validés par des études d’indépendance de maillage, l’investigation paramétrique de l’influence des conditions limites ainsi qu’en comparant des méthodes d’interpolation. Les résultats sont ensuite analysés dans les domaines temporel et fréquentiel pour mesurer le niveau de contraintes et déterminer les excitations qui sollicitent la structure. Des simulations modales permettent également d’identifier les fréquences naturelles et les déformées de la roue dans le vide et en opération dans l’eau. Les résultats structuraux de la turbine Tr-FRANCIS indiquent de faibles niveaux de contraintes statiques et dynamiques. L’étude de l’impact du chargement fluide conclut que le cisaillement pariétal et la pression doivent être considérés pour prédire fidèlement le comportement structurel de la turbine dans la condition d’opération simulée. Une analyse paramétrique montre que des variations de la vitesse du son dans l’eau entraînent une réduction des fréquences naturelles de la roue dans sa configuration confinée. L’application d’une méthode de transposition de la réponse structurelle du modèle prédit fidèlement les contraintes statiques et dynamiques du prototype. Finalement, la mise à l’échelle des fréquences naturelles suggère l’utilisation d’une vitesse du son réduite à l’échelle modèle. / This thesis presents the numerical study of a medium-head hydroelectric Francis turbine within the scope of the Tr-FRANCIS project at the Hydraulic Machine Laboratory. The goal of this masters is to characterize the preliminary structural and modal responses of the runner in speed-no-load operating condition at prototype and model scales. Specifically, the work aims at identifying the areas of high stresses and at determining the natural frequencies. The numerical methodology used consists of interpolating the flow-induced forces onto the mesh and to calculate the structural response following a time-dependent approach. The numerical models are validated with mesh independence studies, the investigation of the influence of boundary conditions and by comparing mapping methods. The results are then analyzed in the time and frequency domains to measure the stress levels and to determine the excitations that solicit the structure. Modal simulations also allow identifying the natural frequencies and the mode shapes of the runner in void and in operation in water. The structural results of the Tr-FRANCIS turbine indicate low levels of static and dynamic stresses. The study of the impact of the fluid loading concludes that wall shear and pressure must be considered to accurately predict the structural behaviour of the turbine in the operating condition simulated. A parametric analysis shows that variations of the speed of sound in water leads to a reduction in the natural frequencies of the runner in its confined configuration. The application of a transposition method of the structural response of the model adequately predicts the static and dynamic stresses of the prototype. Finally, the scaling of the natural frequencies suggests the use of a reduced speed of sound at model scale.