In this thesis is wrote up a complete procedure of stator core stiffness determination using finite element method (FEM), subsequently, the stator core stiffness database was created according to this procedure. In the next chapter is carried out a sensitivity analysis of one chosen stator core, which led to identifying parameters that affected its stiffness the most. Finally, a modal analysis of one synchronous machine was performed using FEM, in order to determine the effect of stator core stiffness on modal characteristics of the machine. Several modal shapes and corresponding natural frequencies were computed in this analysis, then only a few shapes with the highest core effect were chosen and compared.

Approved for public release, distribution is unlimited / The flow around second-generation controlled-diffusion blades in cascade at stall was examined experimentally through the use of a two-component laser-Doppler velocimeter. Blade surface pressure measurements were also preformed at mid span on the blades at various Reynolds numbers. Flow visualization techniques were used to observe and record the flow on the surface of the blade. A correlation between the experimental results and computational fluid dynamic predictions was attempted in order to determine the exact nature of the flow as the blades approached stall, to further assist in the development of advanced blade design. The blade surface pressure measurements showed that the mid-span section of the blade was at a lower loading than previously measured at a smaller inlet flow angle. This indicated that the blade section was at stall. The flow visualization highlighted the extent of the three-dimensional flow over the blades. The LDV measurements documented the mid-span boundary layer and wake profiles. / Ensign, United States Navy

La simulation d'écoulements dans des cavités cylindriques en rotation présente une difficulté particulière en raison de l'apparition de singularités sur l'axe. Le présent travail propose une méthode collocative pseudospectrale suffisamment efficace et précise pour surmonter cette difficulté et résoudre les équations 3D de Navier-Stokes écrites en coordonnées cylindriques. Cette méthode a été développée dans le cadre des différentes études menées au laboratoire M2P2, utilisant une méthode collocative de type Chebychev dans les directions radiale et axiale et Fourier-Galerkin dans la direction azimutale [thêta]. Pour éviter de prescrire des conditions sur l'axe, une nouvelle approche a été développée. Le domaine de calcul est défini par (r,[thêta],z)∈[-1,1]×[0,2π]×[-1,1] avec un nombre N pair de points de collocation dans la direction radiale. Ainsi, r=0 n'est pas un point de collocation. La distribution de points de type Gauss-Lobatto selon r et z densifie le maillage seulement près des parois ce qui rend l'algorithme bien adapté pour simuler les écoulements dans des cavités cylindriques en rotation. Dans la direction azimutale, le chevauchement des points dû à la discrétisation est évitée par l'introduction d'un décalage égal à π/2K à [thêta]>π dans la transformée de Fourier. La méthode conserve la convergence spectrale. Des comparaisons avec des résultats expérimentaux et numériques de la littérature montrent un très bon accord pour des écoulements induits par la rotation d'un disque dans des cavités cylindriques fermées. / When simulating flows in cylindrical rotating cavities, a difficulty arises from the singularities appearing on the axis. In the same time, the flow field itself does not have any singularity on the axis and this singularity is only apparent. The present work proposes an efficient and accurate collocation pseudospectral method for solving the 3D Navier-Stokes equations using cylindrical coordinates. This method has been developed in the framework of different studies of rotor-stator flows, using Chebyshev collocation in the radial and axial directions and Fourier-Galerkin approximation in the azimuthal periodic direction [thêta]. To avoid the difficulty on the axis without prescribing any pole and parity conditions usually required, a new approach has been developed. The calculation domain is defined as (r,[thêta];,z)∈[-1,1]×[0,2π]×[-1,1] using an even number N of collocation points in the radial direction. Thus, r=0 is not a collocation point. The method keeps the spectral convergence. The grid-point distribution densifies the mesh only near the boundaries that makes the algorithm well-suited to simulate rotating cavity flows where thin layers develop along the walls. In the azimuthal direction, the overlap in the discretization is avoided by introducing a shift equal to π/2K for [thêta]>π in the Fourier transform. Comparisons with reliable experimental and numerical results of the literature show good quantitative agreements for flows driven by rotating discs in cylindrical cavities. Associated to a Spectral Vanishing Viscosity, the method provides very promising LES results of turbulent cavity flows with or without heat transfer.

Tato práce se zabývá problematikou aerodynamického zatížení statorových lopatek turbodmychadla s variabilní geometrií turbíny a jeho následnou optimalizací. Metody výpočtového modelování tekutin jsou aplikovány s využitím komerčního softwaru ANSYS CFX. Výpočtový model celého turbínového stupně je použit pro analýzu aerodynamického zatížení statorových lopatek v několika polohách a pro různé operační podmínky. Provedená byla detailní analýza vlivu rozložení tlaku v turbínové skříni, úhlu natočení lopatky, jakož i vlivu distančních pinů na aerodynamické zatížení. Následně bylo vyvinuto experimentální zařízení pro přímé měření aerodynamického momentu statorových lopatek s využitím testovacího zařízení s názvem Gas Stand. Toto zařízení spaluje zemní plyn a dokáže vytvořit velmi stabilní podmínky proudění při vysokých teplotách, což umožňuje vyloučit vliv pulzací plynu, vibrací motoru, jakož i vlivu řídící strategie motoru na měřenou veličinu. Výsledky experimentu jsou následně porovnány s vypočtenou hodnotou pomocí CFD modelu a je dosažená velmi dobrá shoda. Validovaný CFD model je následně zredukován s využitím podmínek cyklické symetrie na model jen jednoho segmentu statoru a rotoru. Umožňuje to výrazně zvýšit produktivitu simulací a prozkoumat několik návrhových parametrů statoru v celém rozsahu pohybu statorových lopatek. Provedená analýza citlivosti těchto parametrů položila výborný základ pro jejich následnou optimalizaci a ukázala významný potenciál několika z nich. Na základě analýzy požadavků na aerodynamické zatížení statorových lopatek byla následně vytvořena definice ideálního zatížení, která byla ustavena jako cíl pro jeho optimalizaci. Použitých bylo několik optimalizačních strategií s využitím metody analýzy působících silových vektorů a jejich výsledky byly následně zhodnoceny a porovnány z více aspektů. Výsledné optimalizované řešení bylo následně přepočteno pomocí modelu celého turbínového stupně, čímž se prokázali jeho výborné vlastnosti z hlediska aerodynamického zatížení a zvýšení účinnosti ve spodní části charakteristiky.

Tato práce se zabývá problematikou aerodynamického zatížení statorových lopatek turbodmychadla s variabilní geometrií turbíny a jeho následnou optimalizací. Metody výpočtového modelování tekutin jsou aplikovány s využitím komerčního softwaru ANSYS CFX. Výpočtový model celého turbínového stupně je použit pro analýzu aerodynamického zatížení statorových lopatek v několika polohách a pro různé operační podmínky. Provedená byla detailní analýza vlivu rozložení tlaku v turbínové skříni, úhlu natočení lopatky, jakož i vlivu distančních pinů na aerodynamické zatížení. Následně bylo vyvinuto experimentální zařízení pro přímé měření aerodynamického momentu statorových lopatek s využitím testovacího zařízení s názvem Gas Stand. Toto zařízení spaluje zemní plyn a dokáže vytvořit velmi stabilní podmínky proudění při vysokých teplotách, což umožňuje vyloučit vliv pulzací plynu, vibrací motoru, jakož i vlivu řídící strategie motoru na měřenou veličinu. Výsledky experimentu jsou následně porovnány s vypočtenou hodnotou pomocí CFD modelu a je dosažená velmi dobrá shoda. Validovaný CFD model je následně zredukován s využitím podmínek cyklické symetrie na model jen jednoho segmentu statoru a rotoru. Umožňuje to výrazně zvýšit produktivitu simulací a prozkoumat několik návrhových parametrů statoru v celém rozsahu pohybu statorových lopatek. Provedená analýza citlivosti těchto parametrů položila výborný základ pro jejich následnou optimalizaci a ukázala významný potenciál několika z nich. Na základě analýzy požadavků na aerodynamické zatížení statorových lopatek byla následně vytvořena definice ideálního zatížení, která byla ustavena jako cíl pro jeho optimalizaci. Použitých bylo několik optimalizačních strategií s využitím metody analýzy působících silových vektorů a jejich výsledky byly následně zhodnoceny a porovnány z více aspektů. Výsledné optimalizované řešení bylo následně přepočteno pomocí modelu celého turbínového stupně, čímž se prokázali jeho výborné vlastnosti z hlediska aerodynamického zatížení a zvýšení účinnosti ve spodní části charakteristiky.

High voltage testing of the stator winding insulation is one of the most recognized methods used to determine the state of degradation in the insulation. HV tests performed at 0.1 Hz do have potential advantages compared to more traditional 50 Hz tests. This thesis therefore aims to perform and compare tan delta, capacitance and partial discharge measurements on stator windings when using a 0.1 Hz voltage source and a more traditional 50 Hz voltage supply. Several associated test parameters with considerable influence on the test results were varied during the tests. An associated data analysis followed that was focused on the differences and similarities of the analyzed parameters and the results due to the differences in frequency. The results show that there are substantial levels of noise present in the partial discharge measurements when utilizing the VLF voltage source. There are also more numerous partial discharges for VLF measurements than for regular power frequency measurements if the same amount of voltage cycles is considered. The generated patterns show similarities with those generated at 50 Hz, but a larger sample base is probably needed for more thorough conclusions. The tan delta/capacitance part of the test do indicate potential advantages compared to power frequency measurements regarding the sensitivity in the measurements.

Pour les groupes turbo-alternateurs du parc nucléaire français, la situation accidentelle de référence lors du dimensionnement est définie par le départ d'une ailette terminale des corps basse pression. Après avoir détecté la perte de l'ailette, la turbine est déconnectée du réseau électrique, et la turbomachine ralentit progressivement sous l'effet de frottements d'origine fluide. Le dimensionnement consiste alors à vérifier que les structures palières sont capables de supporter l'effort résultant du balourd généré par cette perte d'ailette pendant la phase de ralentissement, notamment lors du passage des vitesses pour lequel des contacts rotor-stator peuvent se produire. A cet effet, un modèle éléments finis de turbine a été développé pour simuler des transitoires de vitesse d'un rotor en considérant la vitesse de rotation de l'arbre comme une inconnue, permettant ainsi d'estimer la décélération angulaire due au contact frottant. Trois modèles de stator ont été proposés appréhender le comportement dynamique du carter, et le couplage des structures est réalisé au moyen des forces de contact calculées par la méthode des multiplicateurs de Lagrange. La résolution des équations non-linéaires du mouvement a nécessité le développement d'un algorithme de contact, adapté à la géométrie de chacun des carters. Des simulations réalisées sur un modèle simple de turbine montrent que la vitesse de rotation et les chargements aux paliers sont bien estimés lors de l'interaction rotor-stator. Ainsi l'outil numérique permet d'étudier la réponse couplée rotor-stator et de prédire l'influence de paramètres tels que le coefficient de friction et les propriétés matérielles du stator.

Labyrinth seals are often utilized in locations where contact seals cannot be utilized due to the large displacements of the rotating shaft. The performance evaluation of a labyrinth seal is very important to make sure that optimum performance of turbomachinery is attained. Performance parameters such as carryover coefficient, discharge coefficient were evaluated for a see through triangular tooth on stator labyrinth seal. This computational study investigates how flow conditions and seal parameter variations for see through tooth on stator triangular cavity labyrinth seals affect the value of the carryover coefficient and discharge coefficient. A Finite volume CFD commercial code was used to accomplish the above study. The influence of Reynolds number, rotational speed, seal radial clearance, pitch, tooth angle, tooth width are considered using the finite volume method of computational fluid dynamics. It was found that Reynolds number, high shaft speed and clearance have a significant effect on the carryover coefficient and the discharge coefficient. Clearance is the major influential parameter to be considered among all seal geometric parameters to optimize an ideal seal.

Cette thèse propose différentes méthodologies de calcul du bruit à large bande générée par l'interaction rotor-stator d'une soufflante de turboréacteur et ce de la génération des sources acoustiques jusqu'au rayonnement en champ lointain. En premier lieu, le mécanisme d'interaction rotor-stator est étudié à travers une turbulence de grille homogène et isotrope (THI) impactant un profil isolé. Le cas de l'interaction rotor-stator en milieu guidé est ensuite traité et appliqué à une maquette de compresseur axial. Enfin, la dernière partie traite de la simulation du rayonnement aval en sortie de conduit. Dans chacune de ces parties, des approches analytiques et numériques sont proposées. Les méthodes analytiques permettentune prévision rapide du problème simplifié, et les méthodes numériques permettent de leverles hypothèses au prix d'un temps de calcul plus long.Le modèle d'Amiet est mis en œuvre pour simuler le bruit d'interaction THI-profil àtravers une expérience en soufflerie anéchoïque. Ce modèle simplifiant le profil en une plaque plane non portante, une approche numérique est également mise en place. La convection de perturbations de vitesse incidentes synthétisant une THI et impactant un profil isolé est simulée à l'aide d'un code CAA (Computational AeroAcoustics) résolvant les équations d'Euler en deux dimensions. Les différences de rayonnement entre une plaque plane et un profil cambré épais observées expérimentalement sont en partie retrouvées. Une simulation plus avancée d'un calcul LES (Large Eddy Simulation) 3D est également abordée.Dans la deuxième partie du mémoire, le modèle d'Amiet est étendu au problème de l'interaction rotor-stator en conduit. Différentes formulations sont proposées et discutées. Elles sont appliquées au cas d'un banc d'essai du DLR (centre de recherche aérospatiale allemand) avec des données d'entrée provenant d'un calcul RANS (Reynolds Averaged Navier-Stockes) ou bien directement de mesures. Les prévisions acoustiques ainsi obtenues sont satisfaisantes (+/-2 dB avec des données d'entrée expérimentales) compte tenu de la relative simplicité des modèles. Un calcul LES est exploité pour fournir directement les sources de bruit (fluctuations de pression pariétale). Les spectres obtenus montrent des tendances similaires à ceux issus du modèle d'Amiet malgré certains phénomènes non-physiques encore présents au niveau du calcul LES.Pour terminer, le rayonnement en champ libre est traité. Une manière simple et rapidede résoudre ce problème consiste à utiliser une intégrale de Kirchhoff, en supposant unécoulement moyen uniforme. Une comparaison avec une solution analytique (technique deWiener-Hopf) exacte pour les mêmes conditions montre que le rayonnement du bruit largebande est bien prévu par la méthode de Kirchhoff pour des angles de rayonnement inférieursà 90°. Cependant, pour prendre en compte la géométrie d'éjection de la nacelle et l'effet d'un écoulement hétérogène (cisaillement) sur le rayonnement en champ libre, une approche numérique est mise en place. Une technique permettant de simuler le caractère aléatoire des sources turbulentes ainsi que de satisfaire l'hypothèse de modes acoustiques incohérents est développée. Cette méthodologie est appliquée au cas simple du conduit semi-infini, puis à une tuyère réaliste. Les calculs sont validés à l'aide de solutions analytiques sur les configurations simplifiées. Une analyse critique des instabilités créées dans la couche de cisaillement et de leur influence sur les formulations intégrales couplées au calcul Euler pour obtenir le bruit en champ lointain complète ce dernier chapitre.

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών και το θέμα αφορά την μελέτη της σύγχρονης μηχανής με έκτυπους πόλους και τον υπολογισμό παραμέτρων της με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι ο υπολογισμός των επαγωγιμοτήτων της σύγχρονης μηχανής με έκτυπους πόλους. Πιο συγκεκριμένα θα υπολογίσουμε τις αυτεπαγωγιμότητες και τις αμοιβαίες επαγωγιμότητες του στάτη και του δρομέα. Για την σχεδίαση του μοντέλου της τριφασικής σύγχρονης μηχανής χρησιμοποιήθηκαν τα κατασκευαστικά στοιχεία μιας πραγματικής τριφασικής μηχανής που προορίζεται για λειτουργία σε υδροηλεκτρικό σταθμό παραγωγής ενέργειας. Για την κατασκευή και εξομοίωση του μοντέλου στις δύο διαστάσεις χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Opera-2d, το οποίο χρησιμοποιεί την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, μια αριθμητική μέθοδο για να προσομοιώσει τη φυσική λειτουργία των ηλεκτρικών μηχανών. Για την επιτυχία του μοντέλου χρειάστηκαν αρκετές μετρήσεις και υπολογισμοί από τα δεδομένα που είχαμε τα οποία δεν παραθέτονται. Με την περάτωση του μοντέλου εξομοιώθηκαν διαφορετικές λειτουργίες στη μόνιμη κατάσταση για εξακρίβωση της ακρίβειας του μοντέλου που κατασκευάσαμε. Η διπλωματική εργασία χωρίζεται σε τέσσερα κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια αναφορά στις βασικές αρχές που διέπουν την κατασκευή και λειτουργία των σύγχρονων μηχανών και ειδικότερα τις τριφασικές σύγχρονες μηχανές με έκτυπους πόλους. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναφέρουμε την θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού πάνω στην οποία βασίζονται οι υπολογισμοί που υλοποιούμε με την χρήση του Opera 2d. Αναλύουμε την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων που χρησιμοποιούμε για να κάνουμε τους υπολογισμούς. Στο τρίτο κεφάλαιο κάνουμε μια σύντομη αναφορά στην θεωρία των σύγχρονων μηχανών για τις αμοιβαίες επαγωγιμότητες και αυτεπαγωγιμότητες του δρομέα και του στάτη. Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζουμε τα πειράματα που διεξήγαμε για να υπολογίσουμε τις επαγωγιμότητες του στάτη και του δρομέα της σύγχρονης μηχανής. Στην τελευταία παράγραφο υπολογίζουμε κάποιες επαγωγιμότητες και αντιστάσεις με την βοήθεια αναλυτικών τύπων που βασίζονται στην θεωρία των σύγχρονων μηχανών και συγκρίνουμε τα αποτελέσματα με αυτά του κατασκευαστή. / This thesis was produced in the department of Electrical Engineering and Computer Science at the University of Patrai and involves the study of synchronous machine with salient pole and with the help of finite element analysis. The aim of the thesis is to calculate inductances of synchronous machine with salient pole. We will calculate mutual and self inductances of stator and rotor. To design the motor, machine data of a real motor, used to pump a storage hydroelectric generator, were used. The software Opera-2d was used to create the model in two dimensions. The software uses the finite element method to simulate the operation of electric machines. To ensure the motor design is suitable for the aim of the thesis, a number of measurements and calculations were made from the machine data which are not included as they are beyond the scope of this thesis. Also, after completing the model, simulations were run in steady state to verify that the model was running according to designed parameters. The thesis is structured in four chapters. Chapter 1 introduces the literature review where there is the principles regarding the construction and operation of synchronous machines and in particular three-phase synchronous machines with salient poles. In chapter 2, we refer to the theory of electromagnetism based on the calculations that we implement using the Opera 2d.We analyze finite element method which we use for calculations. In chapter 3, we make a brief reference to theory of synchronous machine for mutual and self inductances of rotor and stator. In the last chapter we present experiments we had to compute inductances of stator and rotor of synchronous machine. In last paragraph we compute some inductances and resistances with analytical formulas based on the theory of synchronous machine and compare our results with those of the manufacturer.