Two and three-dimensional flows around a cross-flow wind turbine are investigated by the numerical simulation. The turbine studied in this paper has cylindrical shape with many small blades along its periphery. Incompressible Navier-Stokes equation is used for this simulation. A rotating coordinate system, which rotates at the same speed of the turbine, is used in order to simplify the boundary conditions on the blades of the turbine. Additionally, a boundary fitted coordinate system is employed in order to express the shape of the blades precisely. A third order upwind scheme is chosen for the approximation of the non-linear terms. When the number of blades is about 10, the highest torque is obtained.
Plate-fin type recuperators for the gas turbine/fuel cell hybrid power generating system were designed using commercial design software, MUSE. Heat transfer efficiency and total pressure drop in the recuperator were calculated to confirm required recuperator performance. Both counter flow and cross flow type plate-fin recuperators were designed. Results show that the counter flow type has higher efficiency and short core length, but the cross flow type is simpler to construct because the cross flow type does not need additional distributors. Two or three headers for the each recuperator core will be designed and tested to evaluate best header design. The designed recuperators and headers which will be designed later will be constructed, tested, and used in gas turbine/fuel cell hybrid power generating system.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.23
no.8
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pp.543-548
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2011
New concept of wind energy conversion system is proposed to increase the energy density at a given working space. The quality of wind for wind power generation is depend on its direction and speed. However, the quality is not good on land because wind direction is changeable all the time and the speed as well. The most popularly operated wind turbine system is an axial-flow free turbine. But its conversion efficiency is less than 30% and even less than 20% considering the operating time. In this research, a cross-flow type wind turbine system is proposed with a convergent-divergent duct system to accelerate the low speed wind at the inlet of the wind turbine. Inlet guide vane is also introduced to the wind turbine system to have continuous power generation under the change of wind direction. In here, the availability of wind energy generation is evaluated with the change of the size of the inlet guide vane and the optimum geometry of the turbine impeller blade was found for the innovative wind power generation system.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.34
no.5
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pp.703-710
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2010
Recently, small hydropower attracts attention because of its clean, renewable and abundant energy resources to develop. However, suitable turbine type is not determined yet in the range of small hydropower and it is necessary to study for the effective turbine type. Therefore, a 80kW-Class cross-flow turbine is adopted in this study because of its simple structure and high possibility of applying to small hydropower. The result shows that as effective head increases, tangential and radial flow velocities increase and thus, the increased tangential velocity contributes to the increase of angular momentum and output torque.
The three-dimensional flow in a turbine nozzle guide vane passage causes large secondary loss through the passage and increased heat transfer on the blade surface. In order to reduce or control these secondary flows, a linear cascade with a contoured endwall configuration was used and changes in the three-dimensional flow field were analyzed and discussed. Measurements of secondary flow velocity and total pressure loss within the passage have been performed by means of five-hole probes. The investigation was carried out at fixed exit Reynolds number of $4.0{\times}10^5$. The objective of this study is to document the development of the three-dimensional flow in a turbine nozzle guide vane cascade with modified endwall. The results show that the development of passage vortex and cross flow in the cascade composed of one flat and one contoured endwalls are affected by the flow acceleration which occurs in contoured endwall side. The overall loss is reduced near the flat endwall rather than contoured endwall.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.38
no.4
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pp.418-423
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2014
Small hydropower has been considered as a solution to resolve the problem of exhaustion of fossil fuel and industrial pollution. In this study, we developed and tested a Cross-Flow Turbine with two guide vanes to optimize the small hydropower for the site condition with large fluctuation of head and flow rate. Furthermore, in the condition of constant inlet head, CFD analysis was carried out to analyze the effect of air suction and valve position on the performance characteristics. The results showed that the air suction can minimize the hydraulic loss caused by the Recirculation flow in the runner passage and flow impact on main shaft so that it can increase the turbine efficiency and output power.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.35
no.7
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pp.914-920
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2011
For a hydro turbine electricity generation system in river or bay, a venturi system could be applied to accelerate flow speed at the inlet of the turbine system in a flow field. In this study, a steady flow simulation was conducted to understand the effect of venturi system on the acceleration of current speed at the inlet of a hydro turbine system. According to the continuity equation, the flow speed is inversely proportional to the cross-section area in a conduit flow; however, it would be different in an open region because the venturi system would be an obstruction in the flow region. As the throat area is 1/5 of the inlet area of the venturi, the flow velocity is accelerated up to 2.1 times of the inlet velocity. It is understood that the venturi system placed in an open flow region gives resistance to the upcoming flow and disperses the flow energy around the venturi system. The result of the study should be very important information for an optimum design of a hydro turbine electricity generation system.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.15
no.3
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pp.1272-1278
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2014
In this experimental study for the current growing offshore wind, a wind tunnel test was conducted to examine the performance of the vertical-type cross-flow wind turbine power generation system. Due to the limited size of the test section of the wind tunnel, the inlet guide vane of the original wind power generation was scaled down to about 1/5 and the turbine impeller diameter was also reduced to 1/2 of the prototype impeller. The number of the impeller blade is another important parameter to the output power of the wind power generation system and the number was varied 8 and 16. From the analysis of the experimental result, the output brake power of the model wind turbine was measured as 278watts with the 16-blade at 12 m/s of the rated wind speed and the rated brake power of the prototype wind turbine is calculated to 3.9kW at the rated operating condition.
The objective of this study is to investigate the three-dimensional turbulence flow characteristics of a rotor passage of an one-stage axial flow gas turbine and to investigate the effects of a boundary layer fence installed on the hub endwall of the rotor passage. Secondary flows occurring within the rotor passage (e.g. horseshoe vortex, passage vortex, and cross flow) cause secondary loss and reduce turbine efficiency. To control these secondary flows, a boundary layer fence measuring half the height of the thickness of the inlet boundary layer was installed on the hub endwall of the rotor passage. This study was performed numerically. The results show that the wake and secondary flows generated by the stator reduced the rotor load to constrain the development of cross flow and secondary flow reinforced by the rotor passage. In addition, the secondary vortices occurring within the rotor passage were reduced by the rotation of the rotor. Although, the boundary layer fence induced additional vortices, giving rise to an additional loss of turbine, its presence was shown to reduce the total pressure loss when compared to effects of the case without fence regardless of the relative position of blades by enervating secondary vortices occurred within the rotor passage.
Turbines have been known to be particularly susceptible to flow-induced self-excited vibration. In such vibrations, direct damping and cross stiffness effects of aerodynamic forces determine rotordynamic stability. In axial turbines with eccentric shrouded rotors, the non-uniform sealing gap causes azimuthal non-uniformities in the seal gland pressure and the turbine torque which destabilize the rotor system. Previously, research efforts focused solely on either the seal flow or the unshrouded turbine passge flow. Recently, a model for flow in a turbine with a statically offset shrouded rotor has been developed and some stiffness predictions have been obtained. The model couples the seal flow to the passage flow and uses a small perturbation approach to determine nonaxiymmetric flow conditions. The model uses basic conservation laws. Input parameters include aerodynamic parameters (e.g. flow coefficient, reaction, and work coefficient); geometric parameters (e.g. sealing gap, depth of seal gland, seal pitch, annulus height); and a prescribed rotor offset. Thus, aerodynamic stiffness predictions have been obtained. However, aerodynamic damping (i.e. unsteady aerodynamic) effects caused by a whirling turbine has not yet been examined. Therefore, this paper presents a new unsteady model to predict the unsteady flow field due to a whirling shrouded rotor in turbines. From unsteady perturbations in velocity and pressure at various whirling frequencies, not only stiffness but also damping effects of aerodynamic forces can be obtained. Furthermore, relative contributions of seal gland pressure asymmetry and turbine torque asymmetry are presented.
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