Organic Rankine Cycle is widely used to convert the low-grade thermal energy to the electrical energy. However, usually available thermal energy is not supplied constantly. This makes hard to use positive displacement expanders. Hence, turbo-expander has merits to apply as an expander in ORC because it can operate well off-design points even though the mass flowrate is fluctuated. The thermal energy fluctuation causes the turbo-expander to operate in partial admission. In addition, supersonic nozzles are required so that the partially admitted turbine operates efficiently. In this study, R245fa was chosen as a working fluid of ORC. A design method and an analysis technique of supersonic nozzle based on R245fa were developed. The shape of the nozzle was designed by the characteristic method. The thermal properties within the nozzle were estimated and the predicted results were agreed well with the computed results.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.12
no.6
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pp.21-29
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2008
Performance characteristics on a partially admitted small axial-type turbine are experimentally studied with changing design parameters, such as exit flow angles at the nozzle and solidities at the rotor. The tested turbine consists of a single-stage and its mean radius is 35 mm. In this experiment, three different solidities and four different nozzle flow angles are applied to find the optimal design parameter. For a comparison of the turbine performance, the net specific output powers are evaluated. For a 3.4% partial admission rate, the best performance is obtained when the rotor solidity is at 2.18, which is increased to 74% compared to the solidity at full admission.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.36
no.9
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pp.898-906
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2008
A tested turbine consists of two stages, and an axial-type and a radial-type turbine are applied to the first and second stage, respectively. The mean diameter of the axial-type turbine rotor is 70 mm, and the outer diameter of the radial-type turbine is 68mm at the inlet. In this experiment, an axial-type turbine, two different radial-type turbines, and three different nozzle flow angles are applied to find the optimal design parameters. To compare the turbine performance, the net specific output torque is evaluated. The test results show that the nozzle flow angle on the first stage is a more important parameter than other design parameters for partially admitted small turbines to obtain high operating torque. For a 3.4% partial admission rate, the net specific output torque is increased by 13% with the addition of a radial-type rotor to the second stage when the turbine operates at $75^{\circ}$ nozzle flow angle.
Cho Chong-Hyun;Cho Soo-Yong;Kim Soo-Yong;Choi Sang-Kyu
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.9
no.3
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pp.10-17
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2005
A performance prediction model is developed for partially admitted axial-type turbines. Losses generated within the turbine are classified to the windage loss, expansion loss and mixing loss. The developed loss model is compared with an experimental result. The results predicted with the developed model agree well with the experimental results than those predicted with several other models because this model considers three different kinds of losses. Moreover, this model predicts well the performance even the partial admission is changed. So, this model could be applied to predict the performance of partially admitted axial turbine and it has a high accurate performance.
For axial-type turbines which operate at partial admission, a performance prediction model is developed. In this study, losses generated within the turbine are classified to windage loss, expansion loss and mixing loss. The developed loss model is compared with experimental results. Particularly, if a turbine operates at a very low partial admission rate, a circular-type nozzle is more efficient than a rectangular-type nozzle. For this case, a performance prediction model is developed and an experiment is conducted with the circular-type nozzle. The predicted result is compared with the measured performance, and the developed model quite well agrees with the experimental results. So the developed model could be applied to predict the performance of axial-type turbines which operate at various partial admission rates or with different nozzle shape.
For axial-type turbines which operate at partial admission, a performance prediction model is developed. In this study, losses generated within the turbine are classified to windage loss, expansion loss and mixing loss. The developed loss model is compared with experimental results. Particularly, if a turbine operates at a very low partial admission rate, a circular-type nozzle is more efficient than a rectangular-type nozzle. For this case, a performance prediction model is developed and an experiment is conducted with the circular-type nozzle. The predicted result is compared with the measured performance, and the developed model quite well agrees with the experimental results. So the developed model could be applied to predict the performance of axial-type turbines which operate at various partial admission rates or with different nozzle shape.
An experimental study is conducted to investigate flow characteristics on a small axial-type turbine which is applied as the rotating part of air tools. It operates in a partial admission due to consumption restriction of the high pressure air. In this operating condition, it is necessary to understand flow characteristics for obtaining the high specific output power. Tested turbine consists of two stages and the mean radius of flow passage is less than 10mm. A 6 bar pressure air is used to operate the turbine. The experimental results show that flow angles depend on the measuring location along the circumferential direction, but its discrepancy is alleviated along the axial direction. Absolute flow velocities show three times difference according to the measuring location at the exit of the first rotor due to the partial admission, but they show similar value at the exit of the second rotor by the velocity diffusion. From the measured flow angles and velocities, a ratio of output power obtained by the first and second rotor is estimated. It shows that the output power obtained by the second rotor is about $11\%$ to that by the first rotor at 60,000 RPM. It is effective therefore to improve the first rotor for increasing the turbine output 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.
Organic Rankine cycle (ORC) has been used to generate electrical or mechanical power from low-grade thermal energy. Usually, this thermal energy is not supplied continuously at the constant thermal energy level. In order to optimally utilize fluctuating thermal energy, an axial-type turbine was applied to the expander of ORC and two supersonic nozzle were used to control the mass flow rate. Experiment was conducted with various turbine inlet temperatures (TIT) with the partial admission rate of 16.7 %. The tip diameter of rotor was to be 80 mm. In the cycle analysis, the output power of ORC was predicted with considering the load dissipating the output power produced from the ORC as well as the turbine efficiency. The predicted results showed the same trend as the experimental results, and the experimental results showed that the system efficiency of 2 % was obtained at the TIT of $100^{\circ}C$.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.38
no.9
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pp.890-899
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2010
An experimental study has been conducted to analyze the operating forces on a partially admitted turbine blade using a linear cascade apparatus. Axial-type blades were used and the blade chord was 200mm. The rectangular nozzle was applied and its size was $200mm{\times}200mm$. The experiment was done at $3{\times}10^5$ of Reynolds number based on the chord. The rotational force and axial force on the blade were measured at steady state by moving the blade to the rotational direction. The operating forces were measured at three different nozzle install angles of $58^{\circ}$, $65^{\circ}$ and $72^{\circ}$ for off-design performance test. In addition, three different solidities of 1.25, 1.38 and 1.67 were applied. From the results, the maximum rotational force was increased when the solidity was decreased and the nozzle install angle was decreased. The axial force was increased by decreasing the nozzle install angle. The reverse axial force was obtained in the partially admitted region when the nozzle install angle was increased to $72^{\circ}$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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