International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.1
no.1
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pp.155-168
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2008
This paper investigates a variable geometry (VG) mixed flow turbine with a novel, purposely designed pivoting nozzle vane ring. The nozzle vane ring was matched to the 3-dimensional aspect of the mixed flow rotor leading edge with lean stacking. It was found that for a nozzle vane ring in a volute, the vane surface pressure is highly affected by the flow in the volute rather than the adjacent vane surface interactions, especially at closer nozzle positions. The performance of the VG mixed flow turbine has been evaluated experimentally in steady and unsteady flow conditions. The VG mixed flow turbine shows higher peak efficiency and swallowing capacity at various vane angle settings compared to an equivalent nozzleless turbine. Comparison with an equivalent straight vane arrangement shows a higher swallowing capacity but similar efficiencies. The VG turbine unsteady performance was found to deviate substantially from the quasi-steady assumption compared to a nozzleless turbine. This is more evident in the higher vane angle settings (smaller nozzle passage), where there are high possibility of choking during a pulse cycle. The presented steady and unsteady results are expected to be beneficial in the design of variable geometry turbochargers, especially the ones with a mixed flow turbine.
Kim, Hong-Won;Oh, Kook-Taek;Ghal, Sang-Hak;Ha, Ji-Soo
Proceedings of the KSME Conference
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2001.11b
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pp.670-675
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2001
This paper describes aerodynamic preliminary design performance prediction and flow analysis for turbine of the marine middle engine turbocharger. The performance characteristics of turbocharger turbine are investigated at various operating conditions using mass flow rate and computational flow analysis for rotor and nozzle at design point are performed. Preliminary design results are performed by applying mean line and radial equilibrium theory. Performance prediction and flow analysis results show good agreement with experiments. From 3 dimensional flow analysis result, efficiency is 0.6% greater than design point. Therefore, this design approach is useful for preliminary design, and helps to increase the design capability for optimized rotor blade.
A small mixed-type turbine with a diameter of 19.9 mm has been substituted for a rotational part of pencil-type air tool. Usually, a vane-type rotor is applied to the rotational part of the air tool. However, the vane-type rotor has some problems, such as friction, abrasion, and necessity of accurate assembly etc.,. These problems make the life time of the vane-type air tool short, but air tools operated by mixed-type turbines are free of friction and abrasion because the turbine rotor dose not contact with the casing. Moreover, it is assembled easily because of no axis offset. These characteristics are merits for using air tools, but loss of power is inevitable on a non-contacting type rotor due to flow loss, tip clearance loss, and profile loss etc.,. In this study, four different rotors are tested, and their characteristics are investigated by measuring the specific output power. Additionally, optimum nozzle location against the rotor is studied. Output powers are obtained through measured pressure, temperature, torque, rotational speed, and flow rate. The experimental results obtained with four different rotors show that the rotor blade shape greatly influences to the performance, and the optimum nozzle location exists near the mid span of the rotor.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2008.03a
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pp.25-34
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2008
In this paper, three-dimensional multiblade row unsteady Navier-Stokes simulations at a hot streak temperature ratio of 2.0 have been performed to reveal the effects of rotor tip clearance on the inlet hot streak migration characteristics in low pressure stage of a Vaneless Counter-Rotating Turbine. The hot streak is circular in shape with a diameter equal to 25% of the high pressure turbine stator span. The hot streak center is located at 50% of the span and the leading edge of the high pressure turbine stator. The tip clearance size studied in this paper is 2.0mm(2.59% high pressure turbine rotor height, and 2.09% low pressure turbine rotor height). The numerical results show that the hot streak is not mixed out by the time it reaches the exit of high pressure turbine rotor. The separation of colder and hotter fluid is observed at the inlet of low pressure turbine rotor. Most of hotter fluid migrates towards the rotor pressure surface, and only little hotter fluid migrates to the rotor suction surface when it convects into the low pressure turbine rotor. And the hotter fluid migrated to the tip region of the high pressure turbine rotor impinges on the leading edge of the low pressure turbine rotor after it goes through the high pressure turbine rotor. The migration of the hotter fluid directly results in very high heat load at the leading edge of the low pressure turbine rotor. The migration characteristics of the hot streak in the low pressure turbine rotor are dominated by the combined effects of secondary flow and leakage flow at the tip clearance. The leakage flow trends to drive the hotter fluid towards the blade tip on the pressure surface and to the hub on the suction surface, even partial hotter fluid near the pressure surface is also driven to the rotor suction surface through the tip clearance. Compared with the case without rotor tip clearance, the heat load of the low pressure turbine rotor is intensified due to the effects of the leakage flow. And the numerical results also indicate that the leakage flow effect trends to increase the low pressure turbine rotor outlet temperature at the tip region.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.22
no.11
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pp.1591-1602
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1998
Simple spanwise distribution models of deviation angle and pressure loss coefficient due to the tip leakage flow are formulated for use in association with the streamline curvature method as a flow analysis. Combining these new models with the previous deviation and loss models due to secondary flow, a robust streamline curvature method is established for flow analysis of single-stage, subsonic axial turbines with wide ranges of turning angle, aspect ratio and blading type. At the exit from rotor rows, the flow variables are mixed radially according to a spanwise transport equation. The proposed streamline curvature method is tested against a forced vortex type turbine as well as a free vortex type one. The results show that the spanwise variations of flow angle, axial velocity and loss coefficients at rotor exit are predicted with good accuracy, being comparable to a steady three-dimensional Navier-Stokes analysis. This simple and fast flow analysis is found to be very useful for the turbine design at the initial design phase.
Thermo-acoustic instability of methane/ air flames in an industrial gas-turbine combustor is numerically investigated adopting CFD analysis. The combustor has 37 EV burners through which methane and air are mixed and then injected into the chamber. First, steady fuel! air mixing and flow characteristics established by the burner are investigated by numerical analysis with single burner. And then, based on information on the flow data, the burners are modeled numerically via equivalent swirlers, which facilitates the numerical analysis with the whole combustion system including the chamber and numerous burners. Finally, reactive flow fields within the chamber are investigated numerically by unsteady analysis and thereby, spontaneous instability is simulated. Based on the numerical results, scaling analysis is conducted to find out the instability mechanism in the combustor and the passive control method to suppress the instability is proposed and verified numerically.
The effect of tip clearance is important part for turbomachinery performance. Tip leakage flow due to tip clearance is mixed with passage vortex. Large amount of loss is generated at the mixing region and overall performance of turbomachinery is reduced. Numerical calculation of the 1st stage rotor of GE7FA gas turbine is carried out to investigate tip clearance effect on performance, pitchwise variations of velocity profiles, pressure distributions and loss coefficients. A commercial code, CFX-TascFlow is validated in this study.
The Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) analysis of the 3-D steady flow around the NREL Phase VI horizontal axis wind turbine(HAWT) rotor was performed. The CFD analysis results were compared with experimental data at several different wind speeds. The present CFD model shows good agreements with the experiments both at low wind speed which formed well-attache flow mostly on the upper surface of the blade, and at high wind speed which blade surface flow completely separated. However, some discrepancy occurs at the relatively high wind speeds where mixed attached and separated flow formed on the suction surface of the blade. It seems that the discrepancy is related to the onset of stall phenomena and consequently separation prediction capability of the current turbulence model. It is also found that strong span-wise flow occurs in stalled area due to the centrifugal force generated by rotation of the turbine rotor and it prevents abrupt reduction of normal force for higher wind speed than the designed value.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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1998.04a
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pp.13-13
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1998
A simple model of the tip leakage flow models of the rotor downstream flow is developed, based on Lakshminarayana's theoretical concept on the tip clearance flow and the experimental data published in open literature. And new spanwise distribution models of deviation angle and pressure loss coefficient due to the tip leakage flow are formulated for use in association with the streamline curvature method as a through flow analysis. Combining these new models and previous deviation and loss models due to secondary flow, a robust streamline curvature method is established for flow analysis of single-stage, subsonic axial turbines with wide ranges of turning angle, aspect ratio and blading type. At the exit from rotor rows, the flow variables are mixed radially according to a spanwise transport equation. The proposed streamline curvature method is tested against a forced vortex type turbine as well as a free vortex type one. The results show that the spanwise variations of flow angle, axial velocity and loss coefficients at rotor exit are predicted with good accuracy, being comparable to a steady three-dimensional Navier-Stokes analysis. This simple and fast flow analysis is found to be very useful for the turbine design at the initial design phase.
Seungheon Lee;Hyoung Jin Lee;Sangjo Kim;Gyujin Na;Jung Hoe Kim
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.27
no.1
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pp.37-48
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2023
In this study, performance analysis modeling of two spool mixed flow type turbofan engine according to steady-state and transient is performed. The target engine is selected as F100-PW-229 from Pratt & Whitney, and main engine components including fan, high pressure compressors, combustion, high pressure turbines, low pressure turbines, mixer, convergent-divergent nozzle are modeled. The cooling effect of turbine through secondary flow path are considered in engine simulation model. We develop in-house Matlab/Simulink-based engine performance analysis program capable of analyzing internal engine state and compare it with GASTURB which is generally used as a commercial engine analysis program.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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