This paper describes an experimental analysis for improving the stability of blade failure due to the vibration resonance, which happens in the low-pressure steam turbine. Some cracks due to high cycle fatigue were found in the blades of a low-pressure turbine after long time operation. Impact test showed that such failure was mainly caused by the resonance. In other words, since one of the natural frequencies of the grouped blade is very close to the excitation frequency of the nozzle, the resonant vibration leads to a large amplitude of displacement and results in a large amount of stress that may cause fatigue failures in the blades. It is interesting that the blade failures occur only at blades neighboring with the nodal points of the natural vibration mode whose natural frequency is close to the nozzle passing frequency. The effective methods for increasing the reliability against the blade vibration are a heightening the fatigue limit of the blade using an advanced material and a removing the resonance away from the operating speed. It is well known that the removal of theresonance could be obtained by the installation of different types of shrouds, wires, and links between the blades as well as by the chance of the number of nozzles. In the present work, two kinds of modification for avoiding the resonance haute been considered; 1) slot-type finger, 2) long span cover. Full-scale mockup tests have been performed in order to confirm the verification for modification in the shop. Test results show that the use of long span cover is very useful to change the natural frequencies of the grouped blade and to avoid the resonance effectively.
Kim, Sang-Woo;Kim, Eun-Ho;Rim, Mi-Sun;Shrestha, Pratik;Lee, In;Kwon, Il-Bum
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.12
no.4
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pp.346-353
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2011
In this study, the structural performance tests, i.e., static tests and dynamic tests of the composite wind turbine blade, were carried out by using the embedded fiber Bragg grating (FBG) sensors. The composite wind turbine blade used in the test is the 1/23 scale of the 750 kW composite blade. In static tests, the deflections along the blade were evaluated. Evaluations were carried out with simple beam theory and quadratic fitting method by using the embedded FBG sensors to predict the structural behavior with respect to the load. The deflections were compared to those obtained from the laser displacement sensor and electric strain gauges. They showed good agreement. Modal tests were performed to investigate the dynamic characteristics using the embedded FBG sensors. The natural frequencies obtained from the FBG sensors corresponding to the nine mode shapes of the blade were compared to those from the laser Doppler vibrometer. They were found to be consistent with each other. Therefore, it is concluded that the embedded FBG sensors have a great capability for measuring the structural performances of the composite wind turbine blade when structural performance tests are carried out.
Acoustic characteristics of baffled combustion chamber to elucidate suppressing effect of baffle on combustion instability are numerically investigated by linear acoustic analysis. A hub-blade baffle of 5 blades is selected as a candidate one and five variants of baffles with various configuration are designed. Resonant-frequency shift and damping factor are analyzed quantitatively as damping parameters. When the hub is located radially at the pressure node, the decrease of resonant frequency and increase of damping factor in 1R mode are dominant. But sub-1T mode is formed within hub, therefore, there would be a possibility of initiating 1T mode in unbaffled region, which would occur another problem. For smaller hub size, four kinds of axial baffle length is selected. As the axial baffle length increases, resonant frequency shift and increase of damping factor of transverse acoustic modes is obtained. Especially, two close acoustic modes such as 1L and 1T could be overlapped for a certain axial length, resulting in extreme increase of damping factor. The present study based on linear acoustic analysis is expected to be a useful confirming tool to predict acoustic field and design a passive control devices such as baffle and acoustic cavity.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.46
no.3
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pp.237-243
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2018
In this study, the hub vibration load characteristic is evaluated for a rotor in high advance ratio conditions while investigating blade loads through the structural load prediction and harmonic analysis. Numerical studies are performed to validate the wind tunnel test data performed in NASA as the rotor advance ratios are varied from 0.40 to 0.71. A good correlation is obtained for rotor performance calculation at the range of advance ratios considered. It is observed that the hub vibration loads remain almost unchanged when the advance ratios are higher than 0.5, even though the amplitudes of blade structural loads become larger with increasing advance ratios. A harmonic analysis on blade moments is confirmed that the dominant structural mode is 3/rev component for flap bending moments and 4/rev for lag bending moments. The reason is due to the tendency of the second flap and lag mode frequencies which approach 3/rev and 4/rev, respectively, as the advance ratios are increased.
Kim, Chang-Hwan;Paek, In-Su;Yoo, Neung-Soo;Nam, Yoon-Su
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.35
no.5
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pp.513-516
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2011
The dynamic behavior of a small wind-turbine blade was analyzed experimentally. Arrays of fiber Bragg-Grating (FBG) sensors attached along the blade were used to measure the strains of the blade surface. An impact test was performed to estimate the resonance frequencies of the fundamental and higher modes of the cantilever blade system developed for this study. The results were similar to the results for conventional strain gages. However, FBG sensors could sense modes that strain gauges could not sense. The strains obtained from the FBG sensor array were used to estimate displacement-mode shapes of the blade.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.38
no.2
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pp.193-203
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2014
Temperature-dependent stress analysis and heat transfer analysis of a rotating gas turbine blade made of functionally graded materials (FGMs) are presented considering turbine operating temperature and ceramic particle size. The material properties of functionally graded materials are assumed to vary continuously and smoothly across the thickness of the thin-walled blade. For obtaining system stiffness reflecting these characteristics, the one-dimensional heat transfer equation is applied along the thickness of the thin-walled blade for determining the temperature distribution. Using the results of the temperature analysis, the equations of motion of a rotating blade are derived with hybrid deformation variable modeling method along with the Rayleigh-Ritz assumed mode methods. The validity of the derived rotating blade model is evaluated by comparing its transient responses and temperature distribution with the results obtained using a commercial finite element code. The maximum tensile stress with operating speed and gradient index are obtained. Furthermore, the gradient index that minimizes blade temperature was investigated.
A pump turbine is a technically matured option for energy production and storage systems. At the off-design operating range, the pump turbine succumbed to flow instabilities, which correlated with the pump turbine geometry. A low specific speed pump turbine was designed and modified according to the impeller blade angle. Reynolds-Average Navier-Stokes is carried out with a shear stress transport turbulence model to evaluate the detailed flow characteristics in the pump turbine. The impeller blade inlet angle (𝛽1) and outlet angle (𝛽2) are used to evaluate hydraulic loss in the pump turbine. When 𝛽1 changed from low to high value, the maximum efficiency is increased by 4.75% in turbine mode. The S-Curve inclination is reduced by 8% and 42% for changes in 𝛽1 and 𝛽2 from low to high values, respectively. At α = 21°, the shock loss coefficient (𝜁s) is reduced by 16% and 19% with increases of 𝛽1 and 𝛽2 from low to high values, respectively. When 𝛽1 and 𝛽2 values increased from low to high, the impeller friction coefficient (𝜁f) increased and decreased by 20% and 8%, respectively. Hence, the high 𝛽2 effectively reduced the loss coefficient and S-Curve inclination.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.46
no.10
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pp.806-813
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2018
The fracture of a turbine blade of aerospace engine is presented. Although there are a lot of causes and failure modes in blades, the main failure modes are two ways that fracture and fatigue. Degradation of blade material affects most failure modes. Total propagation of failure in this study specifies failure of fracture type. Some section appears fatigue mode. Especially since this study describes analysis of failure for blade in high temperature, it can be a case in point. Analysed blade is Ni super alloy. Investigations of blade are visual inspection, material, microstructure, high temperature stress rupture creep test, analysis and fracture surface, etc. The root cause for fracture was stress rupture due to abnormal thermal environment. Thermal property of Ni super alloy is excellent but if each chemical composition of alloys are different due to change mechanical properties, selection of material is very important.
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