The effects of compressor design conditions on the off-design performance of a single-shaft gas turbine engine have been studied. Three different geometric design conditions are considered and three different values for the specific mass flow rate at the inlet to the compressor are assumed. For each of nine compressor design, the off-design performance of the gas turbine engine is predicted using the method previously proposed by present authors. Results show that the predicted off-design performances are quite different from each other even though they have the same performance at design point: it means that compressor design conditions should be determined in consideration of the off-design performance of the engine. The specific mass flow rate at the inlet to the compressor is also shown that it might be optimized with respect to the net power of the engine.
Cooling tower design procedure was set up using conventional Merkel theory, The design data could be different depending on the characteristic curve that the engineer chose. It reveals that the consistent and reasonable criteria are required based on the exact information of the cooling tower Performance. In this study, an off-design performance analysis program for a counterflow-type cooling tower was developed and verified by comparing with experimental data. Also, the off-design performance with various operating conditions was analyzed.
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.
Jae Hyun Choi;Jung Yoon;Sungkun Chung;Namhyeong Kim;HangJin Jo
Nuclear Engineering and Technology
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제55권7호
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pp.2697-2711
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2023
In this study, the validity of reducing the number of gas turbine stages designed for a nitrogen Brayton cycle coupled to a sodium-cooled fast reactor was assessed. The turbine performance was evaluated through computational fluid dynamics (CFD) simulations under different off-design conditions controlled by a reduced flow rate and reduced rotational speed. Two different multistage gas turbines designed to extract almost the same specific work were selected: two- and three-stage turbines (mid-span stage loading coefficient: 1.23 and 1.0, respectively). Real gas properties were considered in the CFD simulation in accordance with the Peng-Robinson's equation of state. According to the CFD results, the off-design performance of the two-stage turbine is comparable to that of the three-stage turbine. Moreover, compared to the three-stage turbine, the two-stage turbine generates less entropy across the shock wave. The results indicate that under both design and off-design conditions, increasing the stage loading coefficient for a fewer number of turbine stages is effective in terms of performance and size. Furthermore, the Ellipse law can be used to assess off-design performance and increasing exponent of the expansion ratio term better predicts the off-design performance with a few stages (two or three).
In this study, an in-house program to predict steady state operation of micro gas turbines is constructed using MATLAB. The program consists of two parts: design and off-design simulations. The program is fully modular in its structure, and performance of each component (compressor, combustor, turbine, recuperative heat exchanger and pipe elements) is calculated in a separate calculation module using mass and energy balances as well as models for off-design characteristics. The off-design modules of compressor and turbine use performance maps, which are program inputs. The off-design operation of a micro gas turbine under development was predicted by the program. The prediction results were compared with those by commercial software, and the validity of the in-house program was confirmed.
A procedure for the prediction of the off-design performance of a gas turbine engine is proposed. The system performance at off-design speed is predicted by coupling the thermodynamic models of a compressor and a turbine. The off-design performance of a compressor is obtained using the stage-stackimg method, while the Ainlay-Mathieson method is used for a turbine. The procedure is applied to a single-shaft gas turbine and its predictability is found satisfactory. The results also show that the net work output increases with the increase of the turbine inlet temperature, while the thermal efficiency is marginal. The maximum thermal efficiency at design point is obtained between the highest pressure ratio and design pressure ratio.
In this study, a program for the off-design performance prediction of multi-stage axial-compressors is developed based on stage-stacking method. To account for the increased losses at off-design conditions, generalized performance curve is applied. The purpose of this study is to investigate the influence of the choice of generalized performance curve and stator exit angle. For this purpose, we tested various generalized performance curves and stator exit angles. In conclusion, Muir's pressure coefficient curve gives a good prediction results regardless of the efficiency curve for a low-stage compressors. On the other hand, for high-stage compressors, The combination of Muir's pressure coefficient curve and Stone's efficiency curve gives a optimistic results. Stator exit angle has a small effect on overall performance curve.
Micro gas turbines are designed with low turbine inlet temperature and pressure ratio. To overcome the efficiency defect of the simple cycle, adoption of the recuperator is an inevitable choice. In addition to the design performance, we should also pay attention to the off-design performance of gas turbines since they usually operate at part-load conditions lot a considerable amount of their lifetime. This study analyzes off-design performance characteristics of micro gas turbines and addresses the importance of the recuperation process doting the part load operation. Comparative analyses have been performed to evaluate the part load performance differences among various design and operating options : simple vs recuperative cycles, single vs two shaft configurations, various operating strategies for the single shaft configuration, and current vs advanced engines. Major finding is that maintaining high turbine exhaust temperature is crucial for efficient operation of micro gas turbines.
Micro gas turbines are designed with low turbine inlet temperature and pressure ratio. To overcome the efficiency defect of the simple cycle, adoption of the recuperator is an inevitable choice. In addition to the design performance, we should also pay attention to the off-design performance of gas turbines since they usually operate at part-load conditions for a considerable amount of the time. This study aims at analyzing off-design performance characteristics of micro gas turbines and addressing the importance of the recuperator in the part load operation. Comparative analyses have been performed to evaluate the part load performance differences among various design and operating options : simple vs recuperative cycles, single vs two shaft configurations, various operating strategies for the single shaft configuration (fuel only control, variable speed operation, variable inlet guide vane control), and current vs advanced engines. Major finding is that maintaining turbine at high level is crucial in efficient operation of micro gas turbines.
Design and off-design program is set up to analyze the performance of a plate heat exchanger. The program is verified by comparing the results with the experiment. The comparison shows that the predicted overall heat transfer coefficients are in good agreement with the measurements. Also the off-design performance according to the variations of inlet water temperature, flow rate, and the number of plates is analyzed to study the performance characteristic of a plate heat exchanger.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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