In this paper, the mechanism of unsteady potential interaction and wake interaction in one stage axial turbine is numerically investigated at design point in two-dimensional viewpoint. The numerical technique used is the upwind scheme of Van-Leer's Flux Vector Splitting (FVS) and Cubic spline interpolation is applied on zonal interface between stator and rotor. The inviscid analysis is used to embody the influence of potential interaction only and viscous analysis is used to embody the influences of both potential interaction and wake interaction at the same time. The potential-flow disturbance from the stator into a rotor passage and the periodic blockage effect of rotor produce the unsteady pressure on the blade surface in inviscid analysis. After the wake is cut by rotor, two counterrotating votical patterns flanking the wake centerline in the passage are generated. So, these phenomena magnify the unsteady pressure in viscous analysis than that in inviscid analysis. The resulting unsteady forces on the rotor, generated by the combined interaction of the two effects by potential and wake interaction, are discussed.
An iterative time marching procedure for solving incompressible internal flow has been applied to the flow around a rotor-stator. This procedure solves three-dimensional incompressible Reynolds-averaged Navier-Stokes equation on a moving, time-deforming, non-orthogonal body-fitted grid using second-order accurate schemes for the time derivatives and third/second-order accurate schemes for the spatial derivatives. To handle rotationg geometry, the multiblock technique is applied and the overall flow domain is subdivided into two blocks. In each block, a grid is generated and flowfield is solved independently of the other blocks. The boundary data for each block is provided by the neighboring blocks using bilinear interpolation technique.
This paper is concerned with the viscous interaction between rotor and stator. The viscous interaction is caused by wakes from upstream blades. The rotor cascade in the experiment was composed with five blades, and cylinders were placed to make the stator wakes and their locations were about 50 percent upstream of blade chord. The locations of cylinders were varied in the direction of cascade axis with 0, 12.5, 25, 50, and 75 percent of pitch length. The static pressure distributions on the blade surfaces and the velocity distributions in the cascade flow were measured. From the experimental result it was found that the value of velocity defect by a cylinder wake might vary depending on the wake position within the cascade but the value at the cascade exit approached to some constant value regardless of the difference of wake locus. The momentum defect at the downstream from the cascade and the pressure distribution on the blade surfaces showed that the wake flowing near the blade surfaces caused the decrease of lift and the increase of drag regardless of the disappearance of flow separation.
The nuclear reactor coolant pump transferring heat energy inherently brings with it the unsteady flow and inevitably threatens to the safe operation of the pump unit, especially with the pressure pulsation induced by the rotor-stator interaction. In this paper, the characteristics of pressure pulsation of the diffuser in a nuclear reactor coolant pump were investigated by the numerical simulation with experimental validation. Pressure pulsation signals measured synchronously from sensors mounted on the radial diffuser of a model pump were analyzed via Welch's method. Frequency components induced by the rotor-stator interaction can be revealed by the diameter mode analysis method. The pressure pulsation of the diffuser is dominated by the blade passing frequency and its harmonics, which are free from the effect of flow rate and rotational speed while the corresponding amplitudes are easily affected by different operational conditions and measuring positions. The non-uniformity is much more affected by the rotational speed than the flow rate. This research is helpful for further work to reduce the pressure pulsation for the reactor coolant pump.
The unsteady transitional boundary layer due to rotor-stator interaction was studied at two operation points, the design and one off design points. The off design point leads to lower blade loading and lower Reynolds number. A Navier-Stokes code developed in the previous study was parallelized to expedite computations. A low Reynolds number turbulence model was used to close the momentum equations. All computations show good agreement with experimental data. The wake induced transitional strip on the suction side of the stator is clearly captured at design point operation. There is no noticeable change in shape and phase angle of the wake induced strip even in the laminar sublayer. The wake induced transitional strip at off design point shows more complex structure. The wake induced transitional strip is observed only in the turbulent layer, and becomes obscure in the laminar sublayer and buffer layer. This behavior is probably consequent upon that the transition is governed by both wake induced strip and natural transition mechanism by Tollmien-Schlichting wave.
The flow inside an axial turbomachinery with multi-stage can be characterized as unsteady phenomena. In order to predict accurately these complex unsteady flow patterns including rotor-stator interaction effects, enormous computer resources are required. So it is not compatible in preliminary design process. In this study, steady coupled blade row flow with rotor-stator interaction solver is developed using interrow mixing model and used to predict the performance of the axial fan. To verify the computational method, the calculations are compared with experimental results and show satisfactory agreement with them. The interaction effects on the performance of the axial fan have also been studied by comparing the results of steady coupled blade row and steady single blade row flow calculation.
Effects of rotor-stator blade count ratio on the unsteady aerodynamic characteristics of a cascade was studied by using a Navier-Stokes code. Present Navier-Stokes code is a parallel code and works on a multi-cpu machine. It is based on the SIMPLE algorithm and uses QUICK scheme for convection terms and second order back difference for all temporal derivatives. Computations were carried out for two cases : case 1 is for 3 stator cascade passages subjected to two upstream wakes while case 2 is for 2 stator cascade passages subjected to three upstream wakes. Numerical solutions show that rotor-stator blade count ratio plays a significant role in the unsteady aerodynamic characteristics of the stator cascade. Case 2 shows smaller unsteady fluctuation than case 1, even if they show the same time averaged value. The smaller fluctuation of case 2 is believed due to strong interaction between unsteady vortices. The unsteady lift variation of case 2 is shown to have many high frequency fluctuations as more unsteady vortices travel around the cascade. The unsteady turbulent kinetic energy due to the upstream wake is also shown to decay faster through the cascade passage than in the free stream.
This paper is concerned with the viscous interaction between rotor and stator The viscous interaction is caused by wakes from upstream blades. The cascade was composed with five blades and cylinders were placed to make wakes and their location was about 50 percent of blade chord upstream. The location of cylinders were varied in the cascade axis with 0, 20, 40, 60 and 80 percent of pitch length. The velocity distribution in the cascade passage were measured using single slanted hot-wire and the ones in the boundary layer using boundary probe. As a result, wakes decay more rapidly at suction surface and more slowly at pressure surface. And the measurement of momentum thickness of cascade shows that the momentum thickness is larger near the blade surface. From measurement of blade boundary layer, turbulent intensity is also larger near the blade surface because wakes collide the boundary layer And wakes make boundary layer thickness smaller and delay flow separation.
The torsional resonance of the generator shaft system has the possibility of inducing voltages across the stator winding because it is a carrier with the field excitation. And these torsional induced stator currents inducs the eddy current in the rotor. This paper describes the eddy current based on the double Fourier series method. The forces generating during the torsional interaction are computed using the Maxwell's magnetic stress tensor for each of the Fouriercomponennts. And then, these forces of the Fourier components are evaluated by the Parseval's theorem.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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