Xinyang Yin;Hanqiong Wang;Jinguang Yang;Yan Liu;Yang Zhao;Jinhu Yang
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.10
no.3
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pp.245-256
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2023
In order to improve aerodynamic performance of multi-stage axial flow turbines used in aircraft engines, a one-dimensional aerodynamic design and optimization framework is constructed. In the method, flow path is generated by solving mass continuation and energy conservation with loss computed by the Craig & Cox model; Also real gas properties has been taken into consideration. To obtain an optimal result, a multi-objective genetic algorithm is used to optimize the efficiencies and determine values of various design variables; Final design can be selected from obtained Pareto optimal solution sets. A three-stage axial turbine is used to verify the effectiveness of the developed optimization framework, and designs are checked by three-dimensional CFD simulation. Results show that the aerodynamic performance of the optimized turbine has been significantly improved at design point, with the total-to-total efficiency increased by 1.17% and the total-to-static efficiency increased by 1.48%. As for the off-design performance, the optimized one is improved at all working points except those at small mass flow.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.1
no.2
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pp.22-29
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2000
A method to simulate the gas turbine transient behavior is developed. The basic principles of the method and main input data required are described. Calculation results are presented in terms of whole operating regime of the engine. The influence of initial parameters such as starting engine power, moment of inertia of the rotor, fuel schedule on performance characteristics of gas turbine during transient operation is shown. In addition, the effect of bleeding air on transient behavior is also considered. For validation of the developed computer code, a comparative analysis with experimental data obtained from a heavy duty gas turbine is made. Calculation results agree well with the experimental data for the range of operating regime studied and proved applicability of the developed technique to initial design stage of control system.
The purpose of this paper is to perform the structural design of the small scale vertical-axis wind turbine (VAWT) blade using a response surface method(RSM). First, the four design factors that have a strong influence on the structural response of blade were selected. Analysis conditions were calculated by using the central composite design(CCD), which is a typical design of experiment for the response surface method(RSM). Also, the significance of the central composite design(CCD) was verified using analysis of variance(ANOVA). The finite element analysis was performed for the selected analytical conditions for the application of response surface method(RSM). Finally, a optimization problem was solved with a objective function of blade weight and a constraint of allowable stress to achieve a optimal structural design of blade.
Shin, Hyun Dong;Kang, Do Won;Kim, Tong Seop;Choi, Mun-Kyoung;Park, Pil Je
The KSFM Journal of Fluid Machinery
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v.15
no.6
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pp.39-45
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2012
This paper describes the outcome of the design of a 200 kW class micro gas turbine and the sensitivity of its performance (efficiency and power) to the variations in major design parameters. The reference design parameters were set up based on the best available component technologies. The resulting net electricity generation efficiency of the micro gas turbine package was found to be competitive to those of other systems in the market. The sensitivities of power and efficiency to the variations in compressor and turbine efficiencies, pressure ratio, turbine inlet temperature, recuperator effectiveness, secondary air ratio, pressure loss ratios of both the cold and hot sides of the recuperator were estimated. Based on the sensitivity data, a simplified method to predict the variation in system performance responding to the combinations of small changes in all design parameters were set up and validated.
In this paper, the inverse shape design is introduced using the permeable wall boundary condition. Inverse shape design defines the blade shape for the prescribed Mach numbers or pressure distribution on its surface. It calculates the normal mass flux from the difference between the calculated and prescribed pressure at the surface. A new geometry can be achieved after applying the quasi one-dimensional continuity equation from the leading edge to the trailing edge. For validation of this method, two test cases are studied. The first test case of inverse shape design illustrates the cosine bump with a strong shock. After seven geometry modifications, the shock-free bump geometry can be obtained. The second example concerns the redesign of a transonic turbine cascade. The initial isentropic Mach distribution has a peak on the upper surface. The target isentropic Mach number distribution was imposed smoothly. The peak of Mach distribution has disappeared at the final geometry. This proposed inverse design method has proven to be an efficient and robust tool in turbomachinery design fields.
Kim, Tae-Hyung;Lee, Seung-Min;Kim, Ho-Geon;Lee, Soo-Gab
한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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2009.11a
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pp.465-465
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2009
Wind power is one of the most reliable renewable energy sources and the installed wind turbine capacities are increasing radically every year. Although wind power has been favored by the public in general, the problem with the impact of wind turbine noise on people living in the vicinity of the turbines has been increased. Low noise wind turbine design is becoming more important as noise is spreading more adverse effect of wind turbine to public. This paper demonstrates the design of 10 kW class wind turbines, each of three blades, a rotor diameter 6.4m, a rated rotating speed 200 rpm and a rated wind speed 10 m/s. The optimized airfoil is dedicated for the 75% spanwise position because the dominant source of a wind turbine blade has been known as trailing edge noise from the outer 25% of the blade. Numerical computations are performed for incompressible flow and for Mach number at 0.145 and for Reynolds numbers at $1.02{\times}10^6$ with a lift performance, which is resistant to surface contamination and turbulence intensity. The objective in the low design process is to reduce noise emission, while sustaining high aerodynamic efficiency. Dominant broadband noise sources are predicted by semi-empirical formulas composed of the groundwork by Brooks et al. and Lowson associated with typical wind turbine operation conditions. During the airfoil redesign process, the aerodynamic performance is analyzed to minimize the wind turbine power loss. The results obtained from the design process show that the design method is capable of designing airfoils with reduced noise using a commercial 10 kW class wind turbine blade airfoil as a basis. The new optimized airfoil clearly indicates reduction of total SPL about 3 dB and higher aerodynamic performance.
This paper introduces the multi-coil eddy current sensor and its characteristic in magnetic material gas turbine rotor. In the past, magnetic particle inspection method was used for qualitative defect evaluation in magnetic material gas turbine rotor. And the ultrasonic inspection method was used for quantitative defect evaluation. Nowadays, eddy current method is used in magnetic gas turbine rotor inspection due to advanced sensor design technology. We developed multi-coil eddy current sensor for the rotor dovetail inspection. At first, rotor stress is analyzed for the determination of sensor position and number. The sensor coils are designed to cover the stress concentration area of rotor dovetail. We select optimum frequency according to material standard penetration data and experiment results. The rotor mock-up and artificial defects were made for the signal detection and resolution analysis of multi-coil eddy current sensor. The results show that signal detection and resolution capabilities are enhanced in comparison to the commercialized sensor enough for the gas turbine rotor inspection. So, this developed multi-coil eddy current sensor substituted for commercialized one and it applied in real gas turbine rotor inspection.
The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics
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v.27
no.5
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pp.438-445
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2022
Blade efficiency decreases when the rotor speed is kept constant even though the wind speed is higher than the rated value. Therefore, a speed controller is used to regulate the rotor speed in the high-wind-speed region. In stall-blade wind turbine, the role of the speed controller is important because precise aerodynamic regulation is unavailable. In this study, an effective parameter design method of a PI speed controller is proposed to limit the speed overshoot of a type 4 wind turbine with stall blades even though wind gust occurs. The proposed method considers the efficiency characteristics of the stall blade and the mechanical inertia of the wind turbine rotor. It determines the bandwidth of the speed controller to comply with the speed limit during generator speed overshoot for the worst case of wind gust. The proposed method is verified through intensive simulations with a MATLAB/SIMULINK model and experimental results obtained using a 3 kW MG set of wind turbine simulator.
Kim, Tae-Woo;Park, Sang-Gyoo;Kim, Jin-Bum;Kweon, Ki-Yeoung;Oh, Si-Deok
한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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2009.06a
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pp.512-515
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2009
This research describes on airfoil shape design, crucial to core technique and algorithm optimization for the wind turbine blade development. We grasped the parameter to define the airfoil shape in the wind turbine blade and aircraft, and the important performance characteristic of the airfoil. The airfoil shape function is selected by studying which is suitable for wind turbine blade airfoil development. The selected method is verified by to compare the generated airfoil shape with base airfoil. The new airfoils were created by the selecting shape function based on the well-known airfoil for wind turbine blades. In addition, we performed aerodynamic analysis about the generated airfoils by XFOIL and estimated the point of difference in the airfoil shape parameter using the aerodynamic performance results which is compared with basic airfoil. This result data applies to the fundamental research for a wind turbine blade optimization design and accomplished the aerodynamic analysis manual.
So, Ki-Sung;Choi, Chan-Woong;Lee, Dong-Chul;Kang, Ki-Weon
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.37
no.11
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pp.1331-1337
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2013
This study deals with the structural optimization of hybrid vertical-axis wind turbine blades using a response surface method (RSM). The structural analysis results suggest that the stress of hybrid vertical-axis wind turbine blades exceeds the yield strength. Optimization techniques are then applied to structural design to ensure a safe structure. First, the design factors that strongly influence the structural response are identified. The RSM was applied based on the design of experiments. The objective function and constraint terms set the weight and allowable stress, respectively. Furthermore, sensitivity analysis was conducted to indicate the effects of the design factors on the stress and weight. Finally, structural design was performed for the hybrid vertical-axis wind turbine blade.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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