Design of velocity-compounded turbine for 75ton class LRE turbopump application and pressure compounded turbine for 30ton class LRE turbopump has been performed. 1D calculation and CFD analysis were conducted in determining blade and flow passage shape of velocity compounded turbine iteratively. Finally, 23.1% improved specific power and 5% reduced weight turbine to the original design was developed. In case of pressure-compounded supersonic turbine design, rotational speed was increased by 50% and the effect of carryover ratio, 2nd nozzle installation angle, leakage flow of 2nd nozzle, and work sharing factor was studied. Final 1D design resulted 36% increased specific power and 51% reduced weight comparing to the original single-row impulse turbine. It is anticipated that nozzle flow path design will be very important for the accomplishment of expected performance of pressure-compounded turbine and nozzle shape optimization will be conducted through the CFD analysis.
The turbine system composed of a nozzle and a rotor is used to drive turbopumps while gas passes through the nozzle, potential energy is converted to kinematic energy, which forces the rotor blades to spin. In this study, an aerodynamic design of a turbine system is investigated using compressible fluid dynamic theories with some pre-determined design requirements (i.e.,pressure ratio, rotational speed, required power etc.) obtained from a liquid rocket engine (L.R.E.) system design. For simplicity of a turbine system, impulse-type rotor blades for open type L.R.E. have been chosen. Usually, the open-type turbine system requires low mass flow rate compared to the close-type system. In this study, a partial admission nozzle is adopted to maximize the efficiency of the close-type turbine system. A design methodology of the a turbine system has been introduced. Especially, a partial admission nozzle has been designed by means of simple empirical correlations between efficiency and configuration of the nozzle. Finally, a turbine system design for a 10 ton thrust level of L.R.E is presented.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.12
no.4
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pp.48-55
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2008
In this paper, numerical analysis of the surface gas temperature on turbine blades has been performed to investigate the temperature profiles characteristics of a partial admission supersonic turbine driven by high temperature and pressure gas of pyro-starter with two different types of turbine blade edge shape. In order to examine the surface gas temperature on turbine blades at initial starting, computations tlave been carried out at several turbine rotational speeds in the range of $0{\sim}10,000$ rpm for each type of turbine edge shape. "Sharp" edge and "Round" edge types were taken as the turbine edge shape factor. As turbine rotational speed increased, the average temperature of turbine blades was further decreased. It was also found that the surface temperature of turbine blades with a sharp edge was lower than round-type edge turbine blades.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.15
no.1
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pp.19-28
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2011
As a preview study, present research analysed the performance characteristics of a velocity compound supersonic impulse turbine with the rotor overlaps before adapting the overlap has the best turbine performance. This research was conducted for the turbine with square cross-section nozzles instead of axisymmetric nozzles and wrap around nozzles. Through 3-dimensional flow analysis for the turbine by a commercial flow analysis package, tip overlap case was more effective to improve the turbine performance than case hub overlap, and overlap case applied the hub and tip of the rotor had the largest improvement for the turbine performance in the cases. In case of overlap for the 2nd stage rotor, improvement of the turbine performance was not visibly large. Because, generated power in the 2nd stage is 22~23% of whole generated turbine power.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.37
no.9
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pp.889-898
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2009
A mixed-type turbine was adopted and the rotor outer diameter was 108 mm. Turbine rotors were designed to the axial-type blade because the turbine operated at a low partial admission rate of 1.7-2.0% with two stages. Performance characteristics were studied when the spouting from the nozzle was toward radially inward or outward direction. Additionally, the effect at each stage of the rotor was measured. For comparing with each turbine performance, properties were measured based on various rotational speeds. Measured net specific torque was used to compare with the turbine system performance. On the mixed-type turbine, better performance was obtained when the operating air spouted toward radially inward direction. The specific torque was increased by 7.8% from using the second stage although its effect depended on the rotational speed.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2010.11a
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pp.43-48
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2010
Present study was conducted numerical analysis for velocity compound supersonic impulse turbine with the rotor overlaps, and the performance characteristics were analyzed through the numerical results. Tip overlap was more effective than hub overlap through the analysis. a case, overlap applied the hub and tip of the rotor, has the largest improvement for the turbine performance in parametric study cases. In case of overlap for the 2nd stage rotor, however, improvement of the turbine performance was not visibly large. Because, power generated in the 2nd stage was 22~23% of whole generated turbine power.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2008.05a
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pp.49-52
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2008
The numerical analysis for gas temperature of turbine blade surface has been performed to investigate development of temperature with various blade edge shape. Two different types of the turbine which one is "Sharp" edge and the other is "Round" edge was modeled. Computations have been carried out several turbine rotational speeds in the range from 0 to 10,000 rpm for the each types of turbine edge shape. As a result, the more rotational speed of turbine increased, the more turbine blade's temperature decreased. It is also found that the surface temperature of turbine blades for sharp type edge were lower than the round type edge.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.5
no.2
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pp.24-31
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2001
An axial-type turbine design technology is developed. In order to design one-stage turbine, the preliminary design method is applied, and then design parameters are chosen after analyzing gas properties within the turbine passage using the streamline curvature method. Stator blade is designed using C4 profile, and rotor blade is designed using shape parameters. Stator is manufactured as an integral type and rotor is manufactured to be disassembled from the disc for changing blade incidence angle. The output power from the rotor is measured with various RPM and input power. Experimental results show that the maximum efficiency of turbine rotor is obtained on the design point, and the output power is proportionally decreased with the negative incidence angle even the test turbine is a reaction turbine. The efficiency of turbine rotor is decreased to 5% by $7.5^{\cire}$ negative incidence angle from the designed value.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.11
no.4
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pp.59-66
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2007
In this paper, experimental investigation results of the effect of partial admission ratio on the performance of axial turbine was presented. A supersonic impulse turbine of gas generator cycle liquid rocket engine turbopump was used for the test. for experimental purpose, a nozzle block, in which total 14 number of axi-symmetric convergent-divergent nozzles are arranged circumferentially, was designed and manufactured. Partial admission ratio was controlled by changing the number of active nozzles. High pressure air was used as working medium for the test. The experimental result revealed that the performance of the supersonic impulse turbine does not much affected by the partial admission ratio for supersonic impulse turbine.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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