Turbine manufacturers continually seek to gain efficiency by increasing operating temperatures well above the maximum temperature of component alloys. This increase in temperature must be accounted for in the cooling of components by examining the heat transfer from these crucial components. This study specifically examines the effect of a contoured endwall on the heat transfer of a scaled-up stator vane. Understanding the three-dimensional effects of contoured endwalls on vane heat transfer can lead to prolonging blade life. The results of a combined experimental and computational study of heat transfer along the surface of a turbine vane that incorporates a contoured endwall are discussed in detail. A commercially available computational fluid dynamics code was used to design a contoured endwall and simulate an engine representative pressure distribution for a turbine vane cascade placed in a low-speed wind tunnel. A significant flow acceleration caused by the contour increased heat transfer over 40% of the vane span compared to the vane far from the contoured endwall. The effects of freestream turbulence with respect to the contour were examined. Results showed a significant increase in heat transfer at elevated freestream turbulence levels at each span location. The effects of the contour were minimal compared to the effects of increased turbulence. The boundary layer transition location moved further upstream with increasing turbulence. Trip wires were used to model the effect of film-cooling holes on the boundary layer development. The heat transfer increased locally at the trip and either remained elevated if the boundary layer remained turbulent or the heat transfer decreased as the boundary layer relaminarized due to flow acceleration. These results are beneficial to turbine manufacturers interested in effective placement of film-cooling holes. / Master of Science

An experimental facility was designed and benchmarked that could simulate the non-uniformities in the flow and thermal fields exiting real gas-turbine combustors. The design of the combustor simulator required analyses of the flow paths within a real combustor in a gas turbine engine. Modifications were made to an existing wind tunnel facility to allow for the installation of the combustor simulator. The overall performance of the simulator was then benchmarked through measurements of velocity, pressure, temperature, and turbulence using a straight exit test section to provide a baseline set of data. Comparisons of the measured quantities were made between two test cases that included a flow field with and without dilution flow.One of the major findings from this study was that the total pressure profiles exiting the combustor simulator in the near-wall region were different from a turbulent boundary layer. This is significant since many studies consider a turbulent boundary layer as the inlet condition to the turbine. Turbulent integral length scales were found to scale well with the dilution hole diameters and no dominant frequencies were observed in the streamwise velocity energy spectra. Dilution flow resulted in an increase in turbulence levels and mixing causing a reduction in the variation of total pressure and velocity. Adiabatic effectiveness levels were significantly reduced for the case with dilution flow in both the near combustor exit region and along the axial length of the straight exit test section. / Master of Science

Titre de l'écran-titre (visionné le 18 mars 2024) / Cette thèse porte sur les turbines hydrauliques de type Francis à échelle modèle opérées en condition sans-charge. En opération sans-charge, aucune énergie n'est produite par le générateur et ce dernier ne restreint plus la vitesse de rotation de la roue. Même si les conditions sans-charge sont critiques pour la sécurité et la durée de vie des machines, elles sont, à ce jour, très peu comprises. Actuellement, il n'y a aucune vue d'ensemble des différentes conditions sans-charge. Cette thèse vise donc à identifier, décrire et classer les différentes caractéristiques des régimes sans-charges au niveau du débit, de la vitesse de rotation de la roue et de la topologie de l'écoulement. Cet objectif global se divise en quatre sous objectifs : • Trouver le meilleur paramètre adimensionnel pour définir les conditions sans charge. • Décrire les conditions d'opération le long de la courbe sans-charge en utilisant le débit et la vitesse de rotation de la roue sous une énergie spécifique donnée. • Classifier les conditions sans-charge suivant les différentes topologies de l'écoulement. • Étudier le lien entre le niveau de cavitation et la condition d'opération sans-charge. Ce projet de recherche est basé principalement sur des mesures expérimentales, des visualisations de l'écoulement sous la roue et des simulations numériques. Les mesures expérimentales le long de courbes sans-charge sous différents niveaux de cavitation ont été réalisées chez Andritz Hydro Canada sur des turbines Francis couvrant une vaste gamme de vitesse spécifique. Des simulations numériques ont aussi été réalisées lors de deux différentes conditions sans-charge pour une turbine Francis de basse vitesse spécifique. Les instabilités se développant dans les turbines hydrauliques sont souvent caractérisées suivant le niveau de rotation dans l'écoulement, appelé communément « swirl ». Cette thèse démontre que l'« angular momentum parameter », appelé RCᵤ₁₁, est le paramètre adimensionnel le plus apte à quantifier le niveau de rotation de l'écoulement et à caractériser l'écoulement des régimes sans-charge. À l'aide des triangles de vitesse théoriques en sortie des directrices, il a été possible de développer une équation semi-analytique permettant d'estimer RCᵤ₁₁ à l'entrée et à la sortie de la roue le long de la courbe d'emballement. L'analyse des données expérimentales a permis de déterminer que la vitesse de rotation de la roue, la topologie de l'écoulement sous la roue et la sensibilité du point d'opération sans-charge à la cavitation dépendent toutes de la quantité de moment cinétique en entrée et en sortie de roue. La rotation de l'écoulement en sans-charge atteint les mêmes niveaux que ceux rencontrés lors de l'opération régulière, plus précisément à charge partielle ou à très faible charge. Pour un même niveau de rotation de l'écoulement, le même type de phénomène hydraulique est rencontré sous la roue en opération sans-charge et en opération régulière. Comme pour l'opération régulière, il est possible de classer les phénomènes hydrauliques en régimes sans-charge en fonction du coefficient de débit Q$_\textup{nD}$ normalisé par rapport à sa valeur au point de meilleur rendement. Le coefficient de débit permet de quantifier le niveau de rotation de l'écoulement sous la roue à l'aide de valeurs faciles à mesurer sur un banc d'essai : le débit et la vitesse de rotation de la roue. La dépendance d'un point d'opération sans-charge à la présence de cavitation varie en fonction de la topologie de l'écoulement dans les canaux inter aubes de la roue. À l'aide de simulations numériques, la relation entre RCᵤ₁₁, le type d'écoulement dans la machine, le chargement sur les aubes et la position de la cavitation dans la roue ont été étudiés. Les simulations numériques ont démontré que le chargement sur les aubes est très différent entre des points d'opération sans-charge atteints à de petites ou à de grandes ouvertures de directrices. En sans-charge, les zones sur les aubes produisant un couple moteur, c'est-à-dire orienté dans la direction de la rotation de la roue, doivent être balancés par les régions produisant un couple de freinage, opposé à la rotation de la roue, pour atteindre une condition de couple nul. À petites ouvertures de directrices, près de la marche-à-vide, la position de la cavitation coïncide avec la zone où la majorité du couple de freinage est produit sur l'aube. La cavitation déséquilibre les moments sur les aubes et cause un changement de point d'opération. Les points d'opération sans charge à de petites ouvertures de directrices sont donc plus sensibles à la présence de cavitation. / This thesis concerns hydraulic turbines, more precisely, model Francis turbines operated at no-load condition. In no-load condition, the generator no longer produces electricity and does not restrain the runner rotation speed. Even though the no-load conditions are critical to the life expectancy of the turbine, they have been poorly understood until now. There is no general understanding of the general characteristics of no-load conditions. Thus, the main objective of this thesis is to identify, describe and classify the different characteristics of no-load conditions concerning the discharge, the runner rotation speed and the flow topology. This main objective is divided into four sub-objectives: • Finding the best dimensionless parameter to define no-load conditions. • Describing the operating conditions along the no-load curve using the discharge and the runner speed under a given specific energy. • Classifying the no-load conditions based on the flow topologies. • Studying the link between the cavitation level and the different no-load conditions. This research project is mainly based on experimental measurements, flow visualizations under the runner and numerical simulations. Experimental measurements along no-load curves under different cavitation levels have been made at Andritz Hydro Canada on Francis turbines covering a wide range of specific speeds. Numerical simulations were also performed at two different no-load conditions for a low specific speed Francis turbine. The flow instabilities in hydraulic turbines are often linked to the level of flow rotation, called swirl. Many different dimensionless numbers may be used to quantify the swirl level. This thesis demonstrates with numerical simulations that the "angular momentum parameter", called RCᵤ₁₁, is the best parameter to characterize the flow at no-load. A semi-analytical equation estimating the variation of angular momentum at the runner inlet and outlet along a no-load curve was developed using velocity triangles at the guide vane outlet. point is possible. The discharge coefficient allows quantifying the swirl level with physical quantities usually measured on a test stand: the discharge and the runner rotation speed. The no-load runner speed varies with the level of cavitation and the flow topology in the interblade channels. The links between RCᵤ₁₁, the flow topology in the turbine, the blade loading and the position of cavitating zones were studied with numerical simulations. The numerical simulations showed that the blade loading differs significantly between no-load conditions at small and large guide vane openings. In no-load, the regions over the blades producing a turbine torque, i.e., oriented in the turbine rotating direction, must be balanced by regions producing a braking torque, opposed to turbine rotation, to achieve a zero-torque condition. The cavitation is located in the regions producing most of the braking torque for no-loads at small guide vane openings, near the speed-no-load condition. The presence of cavitation unbalances the equilibrium between the motor and braking torques over the blades and changes the operating points. No-load conditions at small guide vane openings are thus more sensitive to the presence of cavitation.

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.

Thesis (M.S.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Aeronautics and Astronautics, 1982. / Microfiche copy available in Archives and Barker / Includes bibliographical references. / by Edward N. Marcus. / M.S.

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Thesis (Master of Engineering in Electrical Engineering)--Cape Peninsula University of Technology, 2018. / Gas turbines have achieved widespread popularity in industrial fields. This is due to the high power, reliability, high efficiency, and its use of cheap gas as fuel. However, a major draw-back of gas turbines is due to the strong function of ambient air temperature with its output power. With every degree rise in temperature, the power output drops between 0.54 and 0.9 percent. This loss in power poses a significant problem for utilities, power suppliers, and co-generations, especially during the hot seasons when electric power demand and ambient temperatures are high. One way to overcome this drop in output power is to cool the inlet air temperature. There are many different commercially available means to provide turbine inlet cooling. This disserta-tion reviews the various technologies of inlet air cooling with a comprehensive overview of the state-of-the-art of inlet fogging systems. In this technique, water vapour is being used for the cooling purposes. Therefore, the water quality requirements have been considered in this thesis. The fog water is generally demin-eralized through a process of Reverse Osmosis (RO). The drawback of fogging is that it re-quires large amounts of demineralized water. The challenge confronting operators using the fogging system in remote locations is the water scarcity or poor water quality availability. However, in isolated hot areas with high levels of radiation making use of solar PV energy to supply inlet cooling system power requirements is a sustainable approach. The proposed work herein is on the development of a photovoltaic (PV) application for driv-ing the fogging system. The design considered for improved generation of Acaica power plant in Cape Town, South Africa. In addition, this work intends to provide technical infor-mation and requirements of the fogging system design to achieve additional power output gains for the selected power plant.

Thesis (M.S.)--Baylor University, 2005. / Includes bibliographical references (p. 124-128).

In the past few years, increased penetration of wind energy has made more disturbances into electrical power systems. The proper integration of wind turbine models within power system simulations is of great importance for analysis of wind energy penetration and power system performance. This thesis analyzes the impacts of the connection of wind turbines on the operations of weak electric distribution systems. Using an actual feeder located in a rural area, the effects on the voltage profile caused by variable-speed wind turbines are compared to those caused by fixed-speed wind turbines. Simulations are conducted by using the developed models in Matlab/Simulink Keywords: Wind energy, Variable-speed turbines, Fixed-speed turbines

Zugl.: @Delft, Techn. University, Diss., 2006.