A rotating blade of steam turbines is designed using blade design system. To minimize the design time. quasi three dimensional flow analysis code is adopted to calculate blade section. The blade section lies on a streamline determined by previous steam turbine design procedures. The blade design system makes a transform of streamline coordinates, (m, r$\theta$), to (m', $\theta$) coordinates and all design procedure except 3 dimensional stack-up is performed in the coordinates. Each designed blade section is stacked-up and whole 3 dimensional blade can be modified by correcting 2D section, repeatly. The full 3D numerial analysis for the one stage including designed rotating blade will be performed later
The engine parts material used in gas turbines (GTs) should be resistant to high-temperature variations. Thermal barrier coatings (TBCs) for gas turbine blades are found to have a significant effect on prolonging the life cycle of turbine blades by providing additional heat resistance. This work is to study the performance of TBCs on the high-temperature environment of the turbine blades. It is understood that this coating will increase the lifecycles of blade parts and decrease maintainence and repair costs. Experiments were performed on the gas turbine blade to see the effect of TBCs in different combinations of materials through the air plasma method. Three-layered coatings using materials INCONEL 718 as base coating, NiCoCrAIY as middle coating, and La2Ce2O7 as the top coating was applied. Finite element analysis was performed using a two-dimensional method to optimize the suitable formulation of coatings on the blade. Temperature distributions for different combinations of coatings layers with different materials and thickness were studied. Additionally, three-dimensional thermal stress analysis was performed on the blade with a commercial code. Results on the effect of TBCs shows a significant improvement in thermal resistance compared to the uncoated gas turbine blade.
Aerodynamic shape design of a partial admission turbine using CFD has been performed. Two step approaches are adopted in this study. Firstly, two-dimensional blade shape is optimized using CFD and genetic algorithm. Initially, the turbine cascade shape is represented by four design parameters. By controlling the design parameters as variables, the non-gradient search is analyzed for obtaining the maximum efficiency. The final two-dimensional blade proved to have a more blade power than the initial blade. Secondly, the three-dimensional CFD analysis including the nozzle, rotor and stator has been conducted. To avoid a heavy computational load due to an unsteady calculation, the frozen rotor method is implemented in steady calculation. The frozen rotor method can detect a variation of the flow-field dependent upon the blade's circumferential position relative to the nozzle. It gives a better idea of wake loss mechanism starting from the lip of the nozzle than the mixing plane concept. Finally, the combination of two and three dimensional design method of the partial admission turbine in this study has proven to be a robust tool in development phase.
The effect of incidence angle on the three-dimensional flow and aerodynamic loss in the downstream region of a high-turning turbine rotor blade has been investigated with a straight miniature five-hole probe. The incidence angle is changed to be +10, +5, 0, -10, -20, -30 and -40 degrees. The results show that the positive incidence reinforces the three-dimensional vortical flows within the turbine passage including the passage vortex, but the negative incidence weaken them significantly. A small increment in the positive incidence angle results in a remarkable aerodynamic loss increase, while increasing the incidence angle in the negative range leads to a very small change in the aerodynamic loss.
Turbine blade is subject to force of three types ; the torsional force by torsional mount, the centrifugal force by the rotation of rotor and the cyclic bending force by steam pressure. The cyclic bending force was a main factor on fatigue strength. SEM fractography in root of turbine blade showed micro-clack width was not dependent on stress intensity factor range. Especially, fatigue did not exist on SEM photograph in root of turbine blade. To clear out the fracture mechanism of turbine blade, nanofractography was needed on 3-dimensional crack initiation and crack growth with high magnification. Fatigue striation partially existed on AFM photograph in root of turbine blade. Therefore, to find a fracture mechanism of the torsion-mounted blade in nuclear power plant, the relation between stress intensity factor range and surface roughness measured by AFM was estimated, and then the load amplitude ΔP applied to turbine blade was predicted exactly by root mean square roughness.
One stage axial type turbine is designed by mean-line analysis, streamline curvature method and blade design method using shape parameters. Tip and hub diameter of the turbine are 300mm and 206.4mm, respectively. The rotating speed is 1800RPM, and the output power is 1.4kW. The flow coefficient is 1.68 and the reaction factor at mean-line is 0.373. The number of stator and rotor of the turbine are 31 and 41, respectively. Mach number of stator exit flow near hub is 0.164. A test rig is developed for performance test to validate a developed design method. The experimental result shows that the maximum efficiency is obtained on the design point.
A test rig is developed for performance test of 1 stage axial-type turbine which is designed by meanline analysis, streamline curvature method, and blade design method using configuration parameters. The purpose of this study is to find the best configuration parameters for designing a high efficiency axial-type turbine blade. To measure the efficiency of turbine stage, a dynamo-meter is installed. Two different stators which are manufactured as an integrated type are developed, and a rotor blade and 5 sets disc are developed for setting different stagger angle. The tip and hub diameters of the test turbine are 300 and 206.4mm, respectively. The rotating speed is 1800RPM, and the extracted power is 2.5kW. Flow coefficient is 1.68 and the reaction factor at meanline is 0.373. The number of stator and rotor of test turbine are 31 and 41, respectively. The Mach number of stator exit flow near hub is 0.164.
액체 로켓 엔진의 터보펌프를 구동하는 고압 초음속 충동형 터빈의 로터 블레이드에 3차원 설계 요소를 적용하여 성능을 개선하기 위한 연구를 진행하고 있다. 본 논문에서는 기존 설계된 터보펌프용 터빈의 로터 블레이드 형상을 바탕으로 로터 블레이드에 스윕(sweep)과 상반각(dihedral) 등과 같은 중첩선(stacking line) 변화를 통한 3차원 형상을 적용하고 CFD를 이용한 3차원 유동 해석을 수행한 후, 각각의 설계 요소에 대한 터빈성능 특성 변화를 면밀히 검토하고 그 결과를 정리하였다.
A tidal current turbine is designed and analyzed numerically by using blade element momentum theory. The rated power has a limitation because the diameter of the tidal current turbine cannot exceed the depth of sea water. This study investigates a horizontal axis tidal-current turbine with a rated power of 500 kW. NACA-6 series laminar foil shape is used for basic airfoil along the blade span. The distributions of chord length and twist angle along the blade span are obtained from the hydrodynamic optimization procedure. Prandtl's tip loss correction and angle of attack correction considering the three-dimensional effect are applied for this study. The power coefficient curve shows maximum peak at the rated tip speed ratio of 6.0, and the maximum torque coefficient is developed at the tip speed ratio of 4. The drag coefficient reaches about 0.85 at the design tip speed ratio.
When Ti-6Al-4V is used in long steam turbine blades, the main issues are how to improve the fatigue strength as a problem of internal quality and how to forge the thinnest possible blades as problem of dimensional precision. To assure an excellent fatigue strength, it is important to make the two phase fine and equiaxial structure by providing enough plastic deformation in the two phase$(\alpha\;phase/\beta\;phase)$ temperature region. Accordingly, it needs to predict that forging temperature, preform design and forging velocity in forging process. To achieve this end, the two steps forging process was suggested to forge the thin and twisted blades with a precision hammer considering die forces and metal flow. Two steps forging process consists of the flattening forging process and finishing forging process. Process in forging of a 1016mm long steam turbine blade is designed by the finite element method. This study attempts to derive systematic design procedures for process design in the forging. Forging parameters was analyzed in two-dimensional plane-strain simulation and two steps forging process carried out in three-dimensional simulation. Consequently, optimal forging process parameters of long steam turbine blades in Ti-6Al-4V with a high dimensional precision are selected in the hammer die forging.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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