The engine parts material used in gas turbines (GTs) should be resistant to high-temperature variations. Thermal barrier coatings (TBCs) for gas turbine blades are found to have a significant effect on prolonging the life cycle of turbine blades by providing additional heat resistance. This work is to study the performance of TBCs on the high-temperature environment of the turbine blades. It is understood that this coating will increase the lifecycles of blade parts and decrease maintainence and repair costs. Experiments were performed on the gas turbine blade to see the effect of TBCs in different combinations of materials through the air plasma method. Three-layered coatings using materials INCONEL 718 as base coating, NiCoCrAIY as middle coating, and La2Ce2O7 as the top coating was applied. Finite element analysis was performed using a two-dimensional method to optimize the suitable formulation of coatings on the blade. Temperature distributions for different combinations of coatings layers with different materials and thickness were studied. Additionally, three-dimensional thermal stress analysis was performed on the blade with a commercial code. Results on the effect of TBCs shows a significant improvement in thermal resistance compared to the uncoated gas turbine blade.
Vibration analysis of rotating blade is the main purpose of this study. In the present work, general formulation is proposed to analyze the rotating shell-type structures including the effect of centrifugal force, Coriolis acceleration and initial twist. Furthermore, simplified equations are derived for the case of an open circular cylindrical shell. Based on the concept of degenerated shell element with the Reissner-Mindlin's assumptions, the finite element method is adopted for solving the governing equations. In addition, it is investigated the effect of thermal load on the vibration characteristics of pretwisted blade. Numerical results are summarized for the various parameters such as rotating speed, angle of pretwist and stacking sequence of a composite blade. Also, present results are compared with the previous works and experimental data.
터빈 blade에 대해 기존의 stiffness matrix법과 finite element법에 의한 방식을 개선하여 수치계산을 행한 결과 다음의 결론을 얻었다. 1)stiffness matrix법을 적용하기 위해 th.2 order로 방정식을 유도하였으며, 회전시의 원심력의 영향 및 blade의 기하학적 형상이 수식에 고려되었다. 이 방법으로 blade의 여러 parameter의 영향을 간단히 계산할 수 있다. 계산결과는 다른 논문의 결과와 잘 일치함을 보였다. 또한, 원심력의 영향에 있어서는 th.2 order의 계산결과가 기존의 변형된 th.1 order의 결과보다 더 정확한 결과를 얻을 수 있다. 2) FEM 이용시 계산시간을 단축하면서 정확한 결과를 얻기 위해 blade를 간단히 modeling하여, 기하학적인 형상과 회전시의 영향을 고려한 식을 유도하였다. 본 방법의 결과는 타 문헌과 일치하였다.
Kim, Byoung Wan;Hong, Sa Young;Sung, Hong Gun;Hong, Seok Won
Ocean Systems Engineering
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제5권3호
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pp.221-243
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2015
This paper compares simplified and finite element method (FEM) models for tower and blade in dynamic coupled analysis of floating wind turbine. A SPAR type wind turbine with catenary mooring lines is considered in numerical analysis. Floating body equation is derived using boundary element method (BEM) and convolution. Equations for mooring line, tower and blade are formulated with theories of catenary, elastic beam and aerodynamic rotating beam, respectively and FEM is applied in the formulation. By combining the equations, coupled solutions are calculated. Tower or blade may be assumed rigid or lumped body for simplicity in modeling. By comparing floating body motions, mooring line tensions and tower stresses with the simple model and original FEM model, the effect of including or neglecting elastic, rotating and aerodynamic behavior of tower and blade is discussed.
The blade is an important part of rotating turbomachinery. The blade dynamic strength is of considerable importance as far as the reliability of operation and the life of the engine ate concerned. In this paper, blades are attached to a disk and coupled by means of damping wire. We assumes that the interfaces between the blade and disk dovetails are joined together, which means surface-to-surface contacts without friction. The damping wire is implemented using a beam element and temperature effect in the blade is neglected. Centrifugal forces ale applied by using an angular velocity to all elements in the system. The FEM results showed vibration characteristics in the blade disk system for the cases of a free-standing blade and blades with damping wire, respectively.
In this study, the regression equation was suggested to predict of the shot ball velocity according to blade shapes based on discrete element (DE) analysis. First, the flat type blade DE model was used in the analysis, the validity of the DE model was verified by giving that the velocity of the shot ball almost equal to the theoretical one. Next, the DE analyses for curved and combined blade models was accomplished, and their analytical velocities of shot ball were compared with the theoretical one. The velocity of combined blade model was greatest. From this, the regression equation for velocity of shot ball according to the blade shape based on the DE analysis was derived. Additionally, the wind speed measurement experiment was carried out, and the experimental result and analytical one were the same. Ultimately, it was confirmed that the prediction method of the velocity of shot ball based on DE analysis was effective.
Baldassarre, Alessandro;Ceruti, Alessandro;Valyou, Daniel N.;Marzocca, Pier
Wind and Structures
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제28권5호
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pp.271-284
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2019
This paper describes the application of a novel virtual prototyping methodology to wind turbine blade design. Numeric modelling data and experimental data about turbine blade geometry and structural/dynamical behaviour are combined to obtain an affordable digital twin model useful in reducing the undesirable uncertainties during the entire turbine lifecycle. Moreover, this model can be used to track and predict blade structural changes, due for example to structural damage, and to assess its remaining life. A new interactive and recursive process is proposed. It includes CAD geometry generation and finite element analyses, combined with experimental data gathered from the structural testing of a new generation wind turbine blade. The goal of the research is to show how the unique features of a complex wind turbine blade are considered in the virtual model updating process, fully exploiting the computational capabilities available to the designer in modern engineering. A composite Sandia National Laboratories Blade System Design Study (BSDS) turbine blade is used to exemplify the proposed process. Static, modal and fatigue experimental testing are conducted at Clarkson University Blade Test Facility. A digital model was created and updated to conform to all the information available from experimental testing. When an updated virtual digital model is available the performance of the blade during operation can be assessed with higher confidence.
The finite element analyses of a composite hingeless rotor blade in forward flight have been performed to investigate the influence of blade design parameters on the blade stability. The blade structure is represented by a single cell composite box-beam and its nonclassical effects such as transverse shear and torsion-related warping are considered. The nonlinear periodic differential equations of motion are obtained by moderate deflection beam theory and finite element method based on Hamilton principle. Aerodynamic forces are calculated using the quasi-steady strip theiry with compressibility and reverse flow effects. The coupling effects between the rotor blade and the fuselage are included in a free flight propulsive trim analysis. Damping values are calculated by using the Floquet transition matrix theory from the linearized equations perturbed at equilibrium position of the blade. The aeroelastic results were compared with an alternative analytic approch, and they showed good correlation with each other. Some parametric investigations for the helicopter design variables, such as pretwist and precone angles are carried out to know the aeroelastic behavior of the rotor.
The purpose of this paper is that investigates the dynamic behavior characteristic of W.T.S(Wind turbine System) and carries out the evaluation analysis during operating W.T.S. To investigate the dynamic behavior characteristic of W.T.S, the experiments to measure vibration of the blade from the attached accelerometer on the flap and edge section of the blade that is one of the most important elements of dynamic characteristic of W.T.S are performed. Natural frequency and mode shape are calculated with commercial program (ANSYS) using the measured vibration acceleration that receives the signal with F.F.T Analyzer from the accelerometer. For validation of these experiments, the finite element analysis is performed with commercial F.E.M program (ANSYS) on the basis of the natural frequency and mode shape. The results indicate that experimental values have good agreements with the finite element analysis.
The purpose of this paper is that investigates the dynamic behavior characteristic of W.T.S (wind turbine system) and carries out the evaluation analysis during operating W.T.S. To investigate the dynamic behavior characteristic of W.T.S, the experiments to measure vibration of the blade from the attached accelerometer on the flap and edge section of the blade that is one of the most important elements of dynamic characteristic of W.T.S are performed. Natural frequency and mode shape are calculated with commercial program ( ANSYS) using the measured vibration acceleration that receives the signal with F.F.T Analyzer from the accelerometer For validation of these experiments, the finite element analysis is performed with commercial F.E.M program (ANSYS) on the basis of the natural frequency and mode shape. The results indicate that experimental values have good agreements with the finite element analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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