Losses on the turbine consist of the mechanical loss, tip clearance loss, secondary flow loss and blade profile loss etc.,. More than 60 % of total losses on the turbine is generated by the two latter loss mechanisms. These losses are directly related with the reduction of turbine efficiency. In order to provide a new design methodology for reducing losses and increasing turbine efficiency, a two-dimensional axial-type turbine blade shape is modified by the optimization process with two-dimensional compressible flow analysis codes, which are validated by the experimental results on the VKI turbine blade. A turbine blade profile is selected at the mean radius of turbine rotor using on a heavy duty gas turbine, and optimized at the operating condition. Shape parameters, which are employed to change the blade shape, are applied as design variables in the optimization process. Aerodynamic, mechanical and geometric constraints are imposed to ensure that the optimized profile meets all engineering restrict conditions. The objective function is the pitchwise area averaged total pressure at the 30% axial chord downstream from the trailing edge. 13 design variables are chosen for blade shape modification. A 10.8 % reduction of total pressure loss on the turbine rotor is achieved by this process, which is same as a more than 1% total-to-total efficiency increase. The computed results are compared with those using 11 design variables, and show that optimized results depend heavily on the accuracy of blade design.
Blade shape profile in the axial compressor is one of the most important factors governing its aerodynamic characteristics. Manufacturing tolerance, which is inevitable in the blade manufacturing processes, may change blade profile and as a consequence, it will affect the compressor performance. In this paper, influence of manufacturing tolerance on the aerodynamic characteristics of axial compressor blades with distortion of blade profile curvatures is investigated by using a flow simulation technique. It is found that manufacturing tolerance can be an important factor affecting the source of both profile and wake losses of the axial compressor blades.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.12
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pp.3357-3368
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1994
Total pressure losses required to calculate the total-to-total efficiency are estimated by integrating empirical loss coefficients of four loss mechanisms along the mean-line of blades as follows; blade profile loss, secondary flow loss, end wall loss and tip clearance loss. The off-design points are obtained on the basis of Howell's off-design performance of a compressor cascade. Also, inlet-outlet air angles and camber angle are obtained from semi-empirical relations of transonic airfoils' minimum loss incidence and deviation angles. And nominal point is replaced by the design point. It is concluded that relatively simple loss models and Howell's off-design data permit us to calculate the off-design performance with satisfactory accuracy. And this method can be easily extended for off-design performance prediction of multi-stage compressors.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.8
no.2
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pp.94-101
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2015
To investigate the influence of blade profiles on cavitation behavior in impeller of centrifugal pump, a centrifugal pump with five different blade profiles impellers are studied numerically. The impellers with five different blade profiles (single arc, double arcs, triple arcs, logarithmic spiral and linear-variable angle spiral) were designed by the in-house hydraulic design code using geometric parameters of IS 150-125-125 centrifugal pump. The experiments of the centrifugal pump have been conducted to verify numerical simulation model. The numerical results show that the blade profile lines has a weak effect on cavitation inception near blade inlet edge position, however it has the key effect on the development of sheet cavitation in impeller, and also influences the distribution of sheet cavitation in impeller channels. A slight changing of blade setting angle will induce significant difference of cavitation in impeller. The sharp changing of impeller blade setting angle causes obvious cavitation region separation near the impeller inlet close to blade suction surface and much more flow loss. The centrifugal pump with blade profile of setting angle gently changing (logarithmic spiral) has the super cavitation performance, which means smaller critical cavitation number and lower vapor cavity volume fraction at the same conditions.
In this study, a rotor blade of a Curtis turbine is investigated. Bezier curve is generally used to define the profile of turbine blades. However, this curve gives a feature of global control, which is not proper to a supersonic impulse turbine blade. Thus, a blade design method is developed by using B-spline curve so that local control is possible to obtain an optimized blade section. To design a Curtis turbine blade section systematically, the blade section has been changed by varying three design parameters using central composite design method. Flow analyses have been carried out for the blade sections, and the effects of design parameters are evaluated.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.3
no.1
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pp.20-28
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2010
This paper deals with the Design and Analysis of a Controlled Diffusion Aerofoil (CDA) Blade Section for an Axial Compressor Stator and Effect of incidence angle and Mach No. on Performance of CDA. CD blade section has been designed at Axial Flow Compressor Research Lab, Propulsion Division of National Aerospace Laboratories (NAL), Bangalore, as per geometric procedure specified in the U.S. patent (4). The CFD analysis has been performed by a 2-D Euler code (Denton's code), which gives surface Mach No. distribution on the profiles. Boundary layer computations were performed by a 2-D boundary layer code (NALSOF0801) available in the SOFFTS library of NAL. The effect of variation of Mach no. was performed using fluent. The surface Mach no. distribution on the CD profile clearly indicates lower peak Mach no. than MCA profile. Further, boundary layer parameters on CD aerofoil at respective incidences have lower values than corresponding MCA blade profile. Total pressure loss on CD aerofoil for the same incidence range is lower than MCA blade profile.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.13
no.5
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pp.1044-1051
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1989
A numerical calculation is carried out for the analysis of 3-dimensional compressible flow field in axial-flow rotating blades by using finite element method. The calculation of flow in impellers plays a dominant role in the theoretical research and design of turbomachines. Three-dimensional flow fields can be obtained by the quasi-three-dimensional iterative calculation of the flows both on blade-to-blade stream surfaces and hub-to-shroud stream surfaces with the introduction of viscous loss model in order to consider a loss due to viscosity of fluid. In devising the loss model, four primary sources of losses were identified: (1) blade profile loss (2) end wall loss (3) secondary flow loss (4) tip-leakage loss. For the consideration of an axially parabolic distribution of loss, the results of present calcullation are well agreed with the results by experiment, thus the introduction of loss model is proved to be valid.
A small mixed-type turbine with a diameter of 19.9 mm has been substituted for a rotational part of pencil-type air tool. Usually, a vane-type rotor is applied to the rotational part of the air tool. However, the vane-type rotor has some problems, such as friction, abrasion, and necessity of accurate assembly etc.,. These problems make the life time of the vane-type air tool short, but air tools operated by mixed-type turbines are free of friction and abrasion because the turbine rotor dose not contact with the casing. Moreover, it is assembled easily because of no axis offset. These characteristics are merits for using air tools, but loss of power is inevitable on a non-contacting type rotor due to flow loss, tip clearance loss, and profile loss etc.,. In this study, four different rotors are tested, and their characteristics are investigated by measuring the specific output power. Additionally, optimum nozzle location against the rotor is studied. Output powers are obtained through measured pressure, temperature, torque, rotational speed, and flow rate. The experimental results obtained with four different rotors show that the rotor blade shape greatly influences to the performance, and the optimum nozzle location exists near the mid span of the rotor.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2008.03a
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pp.202-212
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2008
A three-dimensional computation was conducted to understand effects of the low Reynolds number on the loss characteristics in a transonic axial compressor, Rotor67. As a gas turbine becomes smaller in size and it is operated at high altitude, the operating condition frequently lies at low Reynolds number. It is generally known that wall boundary layers are thickened and a large separation occurs on the blade surface in axial turbomachinery as the Reynolds number decreases. In this study, it was found that the large viscosity did not affect on the bow shock at the leading edge but significantly did on the location and the intensity of the passage shock. The passage shock moved upstream towards leading edge and its intensity decreased at the low Reynolds number. This change had large effects on the performance as well as the internal flows such as the pressure distribution on the blade surface, tip leakage flow and separation. The total pressure rise and the adiabatic efficiency decreased about 3% individually at the same normalized mass flow rate at the low Reynolds number. In order to analyze this performance drop caused by the low Reynolds number, the total pressure loss was scrutinized through major loss categories such as profile loss, tip leakage loss, endwall loss and shock loss.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.44
no.12
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pp.1062-1070
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2016
The heat transfer and flow characteristics of gas turbine blade tip were investigated in this paper by using the conjugate heat transfer analysis. The rotor inlet boundary condition profile which was taken from the first stage nozzle outlet was used to analyse. The profile contained the velocity and temperature information. This study presents the influence of tip clearance about aerodynamic loss, heat transfer coefficient and film cooling effectiveness with the squealer tip designed blade model which tip clearance variation range from 1% to 2.5% of span. Results showed that the aerodynamic loss and the heat transfer coefficient were increased when the tip clearance was increased. Especially when the tip clearance was 2% of the span, the average heat transfer coefficient on the tip region was increased obviously. The film cooling effectiveness of tip region was increasing with decreasing of the tip clearance. There was high film cooling effectiveness at cavity and near tip hole region.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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