It has been recognized that the flow in the blade passage of an axial turbomachinery rotor is very complex and is influenced by various flow phenomena, of which the tip leakage flow passing through the gap between rotor blade tip and casing plays a significant role. The losses produced due to the existence of the clearance have been known to be a large contributor of the rotor overall losses. Despite several experimental studies on non-rotating blade in the cascade configuration, and on actual rotating blades, the detailed nature of the complex flow phenomena associated with tip leakage, however, remains largely unresolved. Thus, a single-stage compressor test rig was built and measurements were taken at upstream and downstream of the rotor of this compressor at the aerodynamics laboratory of University of New South Wales. A five-hole probe and a hot-wire probe were used to measure mean and fluctuating flow parameters. The results show that tip leakage losses rise rapidly beyond tip gap of 0.01 Furthermore, the present project also identifies the regions in the wake behind the rotor of the axial compressor where such losses are concentrated. These results should be useful in the better design of rotors for improved performance of axial compressor.
Secondary flows in gas turbines, especially those associated tip clearance and labyrinth seals, have become a focus of interest for engine manufacturers. In the past, many analytical and experimental studies, which focused solely on the flows in either tip clearances or seals, have been conducted. This paper presents an analytical model that describes the flow response in a single stage turbine induced by a finite sealing gap at the turbine rotor. The flow is assumed to be axisymmetric and the analysis is done in the meridional plane. Upon going through the stage, the radially uniform upstream flow is assumed to split into two streams one associated with the seal and the other which has gone through the blades. The former is referred to as the leakage flow, and the latter is referred the as the passage flow. The passage flow is assumed to be inviscid and incompressible while the flow in the seal can be modeled as either inviscid or viscous. Thus, the model is capable of predicting the kinematic effects of labyrinth seals on the turbine flow field.
Steady state flow calculations are executed for turbo-pump inducers of modern design to validate the performance of Tascflow code. Hydrodynamic performance of inducers is evaluated and structure of the passage flow and leading edge recirculation are also investigated. Calculated results show good coincidence with experimental data of static pressure performance and velocity profiles over the leading edge. Upstream recirculation, tip leakage and vortex flow at the blade tip and near leading edge are main sources of pressure loss. Amount of pressure loss from the upstream to the leading edge corresponds to that of whole pressure loss through the blade passage. The viscous loss is considerably large due to the strong secondary flow. There appears more stronger leading edge recirculation for the backswept inducer, and this increases the pressure loss. However, blade loading near the leading edge is considerably reduced and cavitation inception delayed.
Numerical simulations on a single stage transonic compressor which is developed by Korea Aerospace Research Institute are carried out and their results are compared with experimental data for cross validations. Comparisons between experimental data and numerical simulation results show good agreements on a performance curve, static pressure and total pressure distributions. CFD results show that there is a clear interaction between tip leakage flow and normal shock in the rotor passage. Tip leakage flows are almost dissipated after the strong normal shock and it forms a strong recirculation near the blade tip. Also a large separation region grows on the suction surface just after the normal shock. As the pressure ratio and blade loading increase, the normal shock line moves upstream and it starts to deviate from the blade leading edge. Then the tip leakage flow does not overcome the strong adverse pressure gradient and flow blockage originated from the tip recirculation region. As a result, the tip leakage flow heads for the neighboring blade leading edge, which results in a compressor stall.
1D-numerical analysis of the network algorithm with the orifice equation for the relationship between pressure difference and flowrate has been mostly used to analyse leakage flow at the gap. In this study, a 3D-numerical method applying momentum loss model to the gap region in the computational domain is represented to reflect effectively the effect of leakage flow by determining the proportion of pressure difference to air passage velocity. While the 3D-numerical method is verified through the computation of the two compartments model, the numerical analysis of the stack effect in a building stairway is performed. As the temperature of air outside drops, the pressure in the upper stairway and leakage flowrate through the gap in the door rise. The change of gap area does not have an effect on pressure in the stairway for the analysis conditions.
This paper describes the flow measurements inside the blade passage of an axial flow fan by using a rotating hot-wire probe sensor from a relative flame of reference fixed to the rotor blades. The validity of fan rotor designed by a streamline curvature equation was performed by the measurement of the three-dimensional flow upstream and downstream of the fan rotor using a 5-hole pitot tube. The vortical flow structure near the rotor tip can be clearly observed by the measurements of a relative velocity and its fluctuation on quasi-orthogonal planes to a tip leakage vortex. Larger vortical flow, which results in higher blockage in the main flow, is formed according to decrease a flow rate. The vortical flow spreads out to the 30 percent span from the rotor tip at near stall condition. In the design operating condition, the tip leakage vortex is moved downstream while the center of the vortex keeps constant in the spanwise direction. Detailed characteristics of a velocity fluctuation with relation to the vortex were also analyzed.
The present study investigates the convective heat/mass transfer characteristics and pressure drop inside the rib-roughened cooling passage of gas turbine blades. The internal cooling passage is simulated using a square duct with h- and V-shaped rectangular ribs which have a 60。attack angle. A naphthalene sublimation technique is employed to determine the detailed local heat/mass transfer coefficients using the heat and mass transfer analogy. The ribs disturb the main flow resulting in the recirculation and secondary flows near the ribbed wail. The secondary flow patterns and the local heat transfer in the duct are changed significantly according to the rib orientation. A square duct with ∧ - and V-shaped ribs have two pairs of secondary flow due to the rib arrangement. Therefore, the average heat/mass transfer coefficients and pressure drop of ∧ - and V-shaped ribs are higher than those of the continuous ribs with 90$^{\circ}$ and 60$^{\circ}$attack angles. The ∧-shaped ribs have higher heat/mass transfer coefficients than the V-shaped ribs, and the uniformity of heat/mass transfer coefficient are increased with the discrete ribs due to the flow leakage and acceleration near the surface.
Leakage flow through turbine blade tip gap causes strong leakage vortex near the blade suction side and induces large aerodynamic losses. In this study, the conventional plane tip and various squealer tip blades were tested in a linear cascade in order to measure the effect of the tip shape on the total pressure loss. Three tip gap clearances of 0.6%, 1.3%, and 2.0% of blade span were tested. Flow measurement was conducted at one chord downstream from the trailing edge with a five-hole probe. Results showed that the leakage vortex was stronger than passage vortex and the mass averaged overall total pressure loss through the cascade was the lowest for suction side blade tip case. For all tested cases, the area averaged overall total pressure loss was increased as the tip clearance increased.
Effect of tip leakage flow on through flow and performance of a centrifugal compressor impeller was numerically studied using CFX-TASC flow. Seven different tip clearances were used to consider the influence of tip clearance on performance. Secondary flow and loss factor were evaluated to understand the loss mechanism inside the impeller due to tip leakage flow. The calculated results were circumferentially averaged along the passage and at the impeller exit for quantitative discussion. Tip clearance effect on Performance could be decomposed into inviscid and viscous components using one dimensional equation. The inviscid component is related with the specific work reduction and the viscous component is related with the additional entropy generation. Two components affected Performance equally. while efficiency drop was mainly influenced by viscous loss. Performance and efficiency drop due to tip clearance were proportional to the ratio of tip clearance to exit blade height. A simple model suggested in the present study predict performance and efficiency drop quite successfully.
This paper presents a numerical investigation of the influences of various non-uniform tip clearances on the performance and flow field in a centrifugal compressor. Numerical simulations were conducted for three centrifugal compressor impellers in which the tip clearance height varied linearly from the leading edge to the trailing edge. The numerical result was compared with the experimental data for validation. Although the performance improved for low tip clearances, a smaller tip clearance at the trailing edge reduced the overall tip leakage flow more effectively than a smaller tip clearance at the leading edge. Therefore, a smaller tip clearance at the trailing edge lowered the mixing loss caused by interactions between the tip leakage flow and the main passage flow.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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