International Journal of Fluid Machinery and Systems
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제6권2호
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pp.56-74
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2013
Stall stagnations in the system of axial-flow compressors and ducts occur in transition from deep surge conditions to decayed or converged stall conditions. The present study is concerned with the boundaries between the deep surges and the stagnation stalls on the basis of analytical results by a code on surge transients analysis and simulation. The fundamental acoustical-geometrical stagnation boundaries were made clear from examinations of the results on a variety of duct configurations coupled with a nine-stage compressor and a single stage fan. The boundary was found to be formed by three parts, i.e., B- and A-boundaries, and an intermediate zone. The B-boundary occurs for the suction-duct having a length of about a quarter of the wave-length of the first resonance in the case of very short and fat plenum-type delivery duct. On the other hand, the A-boundary occurs for the long and narrow duct-type delivery flow-path having a length about a fifth of the wavelength and relatively small sectional area in the case of short and narrow suction ducts. In addition to this, the reduced surge-cycle frequencies with respect to the duct lengths are observed to have respective limiting values at the stagnation boundaries. The reduced frequency for the B-boundary is related with a limiting value of the Greitzer's B parameter. The tendency and the characteristic features of the related flow behaviors in the neighborhood of the boundaries were also made clearer.
This study simulated the operation of a steam injected gas turbine combined heat and power (CHP) system. A full off-design analysis was carried out to examine the change in the turbine blade temperature caused by steam injection. The prediction of turbine blade temperature was performed for the operating modes suggested in the previous study where the limitation of compressor surge margin reduction was analyzed in the steam injected gas turbine. It was found that both the fully injected and partially injected operations suggested in the previous study would cause the blade temperature to exceed that of the pure CHP operation and the under-firing operation would provide too low blade temperature. An optimal operation was proposed where both the turbine inlet temperature and the injection amount were modulated to keep both the reference turbine blade temperature and the minimum compressor surge margin. The modulation was intended to maintain a stable compressor operation and turbine life. It was shown that the optimal operation would provide a larger power output than the under-firing operation and a higher efficiency than the original partially injected operation.
터보프롭 엔진(PT6A-62)의 정상상태 및 동적 성능모사를 위한 프로그램을 개발하였다. 특히 이 프로그램은 Flat-rated 성능특성과 압축기서지 및 압축기터빈 입구제한온도 초과 방지를 위한 한도제어 알고리즘을 포함하였다. 해석오차를 최소화 하기 위해 조합 오차 값을 이용한 구성품 성능 데이터의 보간 방법과 온도의 함수로서 계산된 정압비열가 비열비가 사용되었다. 개발된 정상상태 성능해석 프로그램은 고도, 비행속도, 블리드유량, 흡입구온도 및 압력, 제한출력등의 여러 조건을 고려 할 수 있으며, 천이상태 성능해석 프로그램은 일반모드와 압축기 서지 방지 모드, 터빈 제한온도 초과방지 모드로 선택하여 해석을 수행할 수 있도록 구성하였다.
Off-design experimental performance was investigated for a small centrifugal compressor, whose impeller diameter is about 125mm, used in an industrial gas turbine. Test rig was designed and manufactured with a radial inflow turbine and a combustor to supply driving power to the compressor. Static pressure was measured on the casing of the impeller, vaneless diffuser, vaned diffuser and volute. Total pressure was obtained using specially fabricated rakes at the vaned diffuser throat and exit. Circumferential nonuniformity was found, near surge, in the Impeller, vaned diffuser and volute region. Spanwise nonuniform flow from the impeller affected the total pressure defects in the vaned diffuser region. Static pressure distortion in the circumferential direction in the volute was found near surge, where the minimum occurred near 140 degree position.
The performance of gas turbine engines is affected by instabilities, like as rotating stall and/or surge. Rotating Stall is a transient intermediate stage between normal flow and complete flow breakdown leading to engine surge. Rotating Stall is associated with large amplitude nonaxisymmetric flow variations rotating around the compressor annulus. This paper presents the evolutions of stall propagation in a compressor cascade by numerical analysis. The flow phenomena due to stall cells and propagation speed are examined using 2 dimensional Navier - Stokes equations.
The new development of turbo-compressor and fan in China is introduced here. For improving the performance of compressor and fan, we have studied the design method, numerical simulation, unsteady flow and the strategy for anti-surge control, got some achievement.
A fuel spiking test was performed to measure the surge margin of the compressor in a gas turbine engine. During the test, fuel spiking signal was superimposed on the engine controller demand and the mixed signals were used to control a fuel line servo-valve. For the superimposition, a subsystem composed of a fuel controller and a function generator was used. During the fuel spiking test, the original scheduled fuel signals and the modified signals were compared to guarantee the consistency excluding the spiking signals. The spiking signals were carefully selected to maintain the engine speed constant. The fuel spiking effects were checked by three dynamic pressure sensors. Sensors were placed before the servo-valve, after the servo-valve, and after the compressor location, respectively. The modulations of the spiking signal duration and fuel flow rate were examined to make the- operating point approach the surge region. The real engine test was performed at the Altitude Engine Test Facility (AETF) in Korea Aerospace Research Institute (KARI). In the real engine test, fuel spiking signals with 25~50 ㎳ of spiking signal time and 17~46 % of base fuel flow rate condition were used. The dithering signal was 5~6 ㎃ at 490 Hz. The test results showed good agreement between the fuel spiking signals and the fuel line pressure signals. Also, the compressor discharge pressure signals showed fuel spiking effects and the changes of the operating point on the compressor characteristic map could be traced.
This study analyzed the variations in the performance and operation of a 200 kW class micro gas turbine according to performance degradation of compressor and turbine. An in-house code, developed by the present authors and presented in the first part of these series of papers, were used for the analysis. The degradation of compressor and turbine were simulated by modifications in the their performance maps: mass flow rate, pressure ratio and efficiency were decreased from the reference values. Firstly, the variations in the operating conditions (air flow rate, pressure ratio) were predicted for the full load condition. Then, the same analysis were performed for a wide partial load operating range. The change in engine's performance (power output and efficiency) due to the component degradation was predicted. In addition, the change in the compressor surge margin, which is an important indicator for safe engine operation, was evaluated.
In this paper, we propose to use variable inlet guide vane as a means of active surge control to solve above problems. There is some advantage. For example, since the inlet guide vanes are already present in POSCO, no additional actuation device is required. We can collect all data easily which is related to the test and can simulate new model using our compressors. We can obtain the result that blow-off valve is opened less 5% and can operate air compressor automatically and more efficiently. Through a simulation example, the effectiveness of the proposed schemes is illustrated.
The effect of 15% pinched diffuser in a centrifugal air compressor with a cascade airfoil diffuser on the aerodynamic performance is investigated using a numerical approach. The commercial CFD code for three-dimensional, turbulent, compressible flow fields is executed for various mass flow rates at a design speed which can be obtained as long as the calculation succeeds. The pinched diffuser is found to help improve the instability of flow within vaneless diffuser space, especially the reverse flow near shroud, and to change both stall/surge line and choking line to increase the surge margin. It is also found to generate more favorable increase of static pressure in diffuser region, and to increase the resulting pressure ratio and efficiency.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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