Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.13
no.6
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pp.1-7
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2014
Gas turbines for generation are operated under high temperatures, high pressures and in corrosive environments for long periods of time. This environment causes serious damage to these parts. Therefore, the material, coating, and cooling technology used with a gas turbine are important factors with regard to turbine blade development. One method that can be used to protect a product from harsh conditions is the coating technology. A turbine blade undergoes very aggressive thermal stress and experiences high-temperature fatigue. In order to reduce the surface temperature of the components and protect the blade from high-temperature flames, a thermal barrier coating (TBC) is applied to its substrate. This study confirms the applicability of an inspection system for the turbine blade coating layer using an artificial heat source.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.7
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pp.1851-1865
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1994
The objective of the present study is to predict the film cooling effectiveness by a row of holes at various injection ratios and injection angles. Numerical calculations have been performed to investigate the characteristics of flow and temperature distributions in a region near the down-stream of injection hole including the region of adverse pressure gradient. The elliptic turbulent 3-dimensional governing equations with variable thermal properties using the low-Reynolds number k-$\bar{varepsilon}$ model was solved by SIMPLE algorithm. The results showed that the presence of adverse pressure gradient and secondary vortex in the region near the downstream of injection hole induces large temperature gradent. The $45^{\circ}$ injection has higher averaged film cooling effectiveness than $60^{\circ}$ injection. But neverthless the $90^{\circ}$ injection has greater deviation from a flat plate than $45^{\circ}$ and $60^{\circ}$ injection, the $90^{\circ}$ injection has higher averaged film cooling effectiveness than $45^{\circ}$ and $60^{\circ}$ injection in the region near the downstream of injection hole.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.23
no.7
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pp.831-840
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1999
In this work, an aerothermodynamic calculation model for cooled axial flow turbine blades with trailing edge ejection is suggested and a mean line performance analysis of a turbine stage with nozzle cooling is carried out. A unique model regarding the interaction between coolant and main gas is proposed, while existing correlations are adopted to predict viscous loss and blade outflow angle. The interactions considered are the heat transfer from main gas to coolant and the temperature and pressure losses by the mixing of two streams due to the trailing edge coolant ejection. For a stator blade without ejection, trailing edge loss calculated by the trailing edge analysis is compared with that calculated by loss correlation. The effect of heat transfer effectiveness of coolant passage on the mixing loss is analyzed. For a model turbine stage with nozzle cooling, parametric analyses are carried out to investigate the effect of main design variables(coolant mass flow ratio, temperature and ejection area) on the stage performance.
Murugan, Muthuvel;Ghoshal, Anindya;Walock, Michael J.;Barnett, Blake B.;Pepi, Marc S.;Kerner, Kevin A.
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.4
no.1
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pp.37-52
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2017
Gas turbines operating in dusty or sandy environment polluted with micron-sized solid particles are highly prone to blade surface erosion damage in compressor stages and molten sand attack in the hot-sections of turbine stages. Commercial/Military fixed-wing aircraft engines and helicopter engines often have to operate over sandy terrains in the middle eastern countries or in volcanic zones; on the other hand gas turbines in marine applications are subjected to salt spray, while the coal-burning industrial power generation turbines are subjected to fly-ash. The presence of solid particles in the working fluid medium has an adverse effect on the durability of these engines as well as performance. Typical turbine blade damages include blade coating wear, sand glazing, Calcia-Magnesia-Alumina-Silicate (CMAS) attack, oxidation, plugged cooling holes, all of which can cause rapid performance deterioration including loss of aircraft. The focus of this research work is to simulate particle-surface kinetic interaction on typical turbomachinery material targets using non-linear dynamic impact analysis. The objective of this research is to understand the interfacial kinetic behaviors that can provide insights into the physics of particle interactions and to enable leap ahead technologies in material choices and to develop sand-phobic thermal barrier coatings for turbine blades. This paper outlines the research efforts at the U.S Army Research Laboratory to come up with novel turbine blade multifunctional protective coatings that are sand-phobic, sand impact wear resistant, as well as have very low thermal conductivity for improved performance of future gas turbine engines. The research scope includes development of protective coatings for both nickel-based super alloys and ceramic matrix composites.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.29
no.7
s.238
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pp.1013-1021
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2005
In this paper, we developed an automatic design optimization system for parametric shape optimization of cooling passages inside axial turbine blades. A parallel three-dimensional thermoelasticity finite element analysis code from an open source system was used to perform automatic thermal and stress analysis of different blade configuration. The developed code was connected to an evolutionary optimizer and built in a design optimization system. Using the optimization system, 279 feasible and optimal solutions were searched. It is provided not only one best solution of the searched solutions, but also information of variation structure and correlation of the 279 solutions in function, variable, and real design spaces. To explore design information, it is proposed a new interpretation approach based on evolutionary clustering and principal component analysis. The interpretation approach might be applicable to the increasing demands in the general area of design optimization.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2010.05a
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pp.433-436
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2010
In this paper, heat/mass transfer characteristics on a film cooled stationary rotor blade are investigated using the naphthalene sublimation method. A row-speed annular wind tunnel with a single annular turbine stage is used. Three rows of film cooling holes are machined on the leading edge of the test blade. Detailed heat/mass transfer distributions are measured with changing the blowing rate from 1.0 to 2.0. As the blowing ratio increases, overall heat/mass transfer increases and the lower peak formed on the pressure side were disappeared.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.38
no.10
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pp.1244-1250
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2014
The temperature of the main engine cabin of commercial vessel is very high. The material SS-316L undergoes creep damage at temperatures exceeding $450^{\circ}C$. It is essential to maintain the highly stressed engine cabin below the creep regime. Hence, seawater is employed in this kind of maritime vehicles as cooling liquid. It obtains the thermal energy at the cooling pipe line after passing through main engine cooling system. To harness the energy in the seawater, a turbine can be installed to absorb the energy in the seawater before being released into the sea. In this study, a cooling pipe line is selected to apply the tubular type hydro turbine for transferring the energy. Numerical analysis for investigating the performance and the internal flow characteristics of the tubular turbine is conducted. The results show that the maximum efficiency of 85.8% is achieved although the efficiency drops rapidly at partial flow rate condition. The efficiency descends slowly at the condition of excess flow rate. There is a relatively wide operating range of flow rate of this turbine to keep high efficiency at the excess flow rate condition. For the internal flow of the turbine, there is uniform streamline on the suction and pressure sides of the blade at the design point. However, the secondary flow appears at the suction and pressure sidesat the excess flow rate.In addition, it appears only at pressure side at the partial flow rate condition.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.6
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pp.1621-1632
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1993
A numerical simulation is carried out on flows in a rotating serpentine flow passage, which models a cooling passage in a gas turbine blade, by using a 3-D FVM based TURBO-D program. When it is rotating, the flow field exhibits quite different aspects due to the effect of the Coriolis force. Especially the secondary flow field appearing in the cross-sectional area is very complex because of the combined effect of the Coriolis force and the centrifugal force in the curved area. Local Nusselt numbers are also obtained based on the Reynolds analogy and compared with the published experimental data showing a good agreement. The results of the present study can be applied to the design of cooling passages of a gas turbine blade.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.27
no.12
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pp.99-106
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2010
Gas turbines operation for power generation increased rapidly since 1990 due to the high efficiency in combined cycle, relatively low construction cost and low emission. But the operation and maintenance cost for gas turbine is high because the expensive superalloy hot gas path parts should be repaired and replaced periodically This study analyzed the initiation and propagation of the crack at the gas turbine blades which are coated with MCrAIY as a bond coat and TBC as a top coat. The sample blades had been serviced at the actual gas turbines for power generation. Total 7 sets of blades were analyzed and they have different EOH(equivalent operation hour). Blades were sectioned and the cracking distribution were measured and analyzed utilizing SEM(scanning electron microscope) and optical microscope. The blades which had 52,000 EOH of operation had cracks at the substrate and the maximum depth was 0.2 mm. Most of the cracks initiated at the boundary layer between TBC and bond coat and propagated down to the bond coat. Once bond coat is cracked, the base metal is exposed to the oxidation condition and undergoes notch effect. Under this environment, the crack branched at the inter-diffusion layer and propagated to the substrate. Critical cracks affecting the blade life were analyzed as those on suction side and platform.
Kim, K.Y.;Lee, K.D.;Moon, M.A.;Heo, M.W.;Kim, H.M.;Kim, J.H.;Husain, A.
한국전산유체공학회:학술대회논문집
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2010.05a
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pp.530-533
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2010
This paper presents numerical analysis and design optimization of various turbine blade cooling techniques with three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) analysis. The fluid flow and heat transfer have been performed using ANSYS-CFX 11.0. A fan-shaped hole for film-cooling has been carried out to improve film-cooling effectiveness with the radial basis neural network method. The injection angle of hole, lateral expansion angle of hole and ratio of length-to-diameter of the hole are chosen as design variables and spatially averaged film-cooling effectiveness is considered as an objective function which is to be maximized. The impingement jet cooling has been performed to investigate heat transfer characteristic with geometry variables. Distance between jet nozzle exit and impingement plate, inclination of nozzle and aspect ratio of nozzle hole are considered as geometry variables. The area averaged Nusselt number is evaluated each geometry variables. A rotating rectangular channel with staggered array pin-fins has been investigated to increase heat transfer performance ad to decrease friction loss using KRG modeling. Two non-dimensional variables, the ratio of the eight diameter of the pin-fins and ratio of the spacing between the pin-fins to diameter of the pin-fins selected as design variables. A rotating rectangular channel with staggered dimples on opposite walls are formulated numerically to enhance heat transfer performance. The ratio of the dimple depth and dimple diameter are selected as geometry variables.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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