Published November 1, 2023
| Version v1
Publication
Optimization of a novel impulse gas turbine nozzle and blades design utilizing Taguchi method for micro-scale power generation
Creators
- 1. McGill University
- 2. Universiti Teknologi Petronas
- 3. Curtin University Sarawak
- 4. Petronas (Malaysia)
Description
This study is conducted to optimize the nozzle and blade of a compact non-combustion impulse gas turbine driven by the pressurized gas line with Computational Fluid Dynamics (CFD) approach and Taguchi method. For nozzle, throat diameter, nozzle inlet and outlet diameter and convergent-divergent length were investigated. Meanwhile, number of blades, blade radius, blade curvature angle, blade thickness and surface roughness were evaluated for blade. An L25 orthogonal array was chosen for both optimizations. Once optimized, the corresponding operating envelope was identified and compared against the original turbine. When operating at flow rate of 1.2MMSCFD and pressure of 69 bar, the turbine with optimized nozzle produces a maximum power output of 4383.59W at 5500 rpm, while with optimized blades produce 2058.64W at 5000 rpm. Combining optimized nozzle and blades produced 4928.64W at 6000 rpm. These produced powers are significantly higher than the original turbine maximum power of 1743.81W at 4500 rpm. This indicates potential performance enhancement of the turbine by optimizing its blade and nozzle geometry which is useful for its implementation on the offshore platform. To fully utilize this potential enhancement, the electric generator attached to the turbine shall be fine-tuned to have peak power at the optimum rpm band of the optimized turbine.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يتم إجراء هذه الدراسة لتحسين فوهة وشفرة توربين الغاز الدفعي المضغوط غير الاحتراق المدفوع بخط الغاز المضغوط مع نهج ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) وطريقة تاغوشي. بالنسبة للفوهة، تم فحص قطر الحلق ومدخل الفوهة وقطر المخرج وطول التقارب والتباعد. وفي الوقت نفسه، تم تقييم عدد الشفرات ونصف قطر الشفرة وزاوية انحناء الشفرة وسماكة الشفرة وخشونة السطح للشفرة. تم اختيار مصفوفة متعامدة L25 لكلا التحسينين. وبمجرد تحسينه، تم تحديد ظرف التشغيل المقابل ومقارنته بالتوربين الأصلي. عند التشغيل بمعدل تدفق 1.2MMSCFD وضغط 69 بار، تنتج التوربينات ذات الفوهة المحسنة طاقة قصوى تبلغ 4383.59 واط عند 5500 دورة في الدقيقة، بينما تنتج الشفرات المحسنة 2058.64 واط عند 5000 دورة في الدقيقة. الجمع بين الفوهة والشفرات المحسنة المنتجة 4928.64 واط عند 6000 دورة في الدقيقة. هذه القوى المنتجة أعلى بكثير من الطاقة القصوى للتوربينات الأصلية البالغة 1743.81 واط عند 4500 دورة في الدقيقة. يشير هذا إلى تحسين الأداء المحتمل للتوربين من خلال تحسين هندسة الشفرة والفوهة التي تفيد في تنفيذه على المنصة البحرية. للاستفادة الكاملة من هذا التحسين المحتمل، يجب ضبط المولد الكهربائي المتصل بالتوربين ليكون له طاقة الذروة عند النطاق الأمثل للدوران في الدقيقة للتوربين المحسن.Translated Description (French)
Cette étude est menée pour optimiser la buse et l'aube d'une turbine à gaz compacte à impulsion sans combustion entraînée par la conduite de gaz sous pression avec l'approche de dynamique des fluides computationnelle (CFD) et la méthode de Taguchi. Pour la buse, le diamètre du col, le diamètre d'entrée et de sortie de la buse et la longueur convergente-divergente ont été étudiés. Pendant ce temps, le nombre de lames, le rayon de la lame, l'angle de courbure de la lame, l'épaisseur de la lame et la rugosité de la surface ont été évalués pour la lame. Un réseau orthogonal L25 a été choisi pour les deux optimisations. Une fois optimisée, l'enveloppe de fonctionnement correspondante a été identifiée et comparée à la turbine d'origine. Lorsqu'elle fonctionne à un débit de 1,2MMSCFD et à une pression de 69 bar, la turbine avec tuyère optimisée produit une puissance maximale de 4383,59W à 5500 tr/min, tandis qu'avec des pales optimisées, elle produit 2058,64W à 5000 tr/min. La combinaison de la buse optimisée et des lames a produit 4928,64W à 6000 tr/min. Ces puissances produites sont nettement supérieures à la puissance maximale de la turbine d'origine de 1 743,81 W à 4 500 tr/min. Cela indique une amélioration potentielle des performances de la turbine en optimisant sa géométrie d'aube et de tuyère, ce qui est utile pour sa mise en œuvre sur la plate-forme offshore. Pour utiliser pleinement cette amélioration du potentiel, le générateur électrique fixé à la turbine doit être réglé avec précision pour avoir une puissance de crête à la bande de régime optimale de la turbine optimisée.Translated Description (Spanish)
Este estudio se realiza para optimizar la boquilla y la pala de una turbina de gas compacta de impulso sin combustión accionada por la línea de gas presurizado con el enfoque de dinámica de fluidos computacional (CFD) y el método de Taguchi. Para la boquilla, se investigaron el diámetro de la garganta, el diámetro de entrada y salida de la boquilla y la longitud convergente-divergente. Mientras tanto, se evaluó el número de palas, el radio de la pala, el ángulo de curvatura de la pala, el espesor de la pala y la rugosidad de la superficie de Se eligió una matriz ortogonal L25 para ambas optimizaciones. Una vez optimizada, se identificó la envolvente operativa correspondiente y se comparó con la turbina original. Cuando se opera a un caudal de 1.2MMSCFD y una presión de 69 bar, la turbina con boquilla optimizada produce una potencia máxima de 4383.59W a 5500 rpm, mientras que con palas optimizadas produce 2058.64W a 5000 rpm. La combinación de boquilla y cuchillas optimizadas produjo 4928,64W a 6000 rpm. Estas potencias producidas son significativamente más altas que la potencia máxima original de la turbina de 1743.81W a 4500 rpm. Esto indica una posible mejora del rendimiento de la turbina al optimizar su geometría de palas y boquillas, lo que es útil para su implementación en la plataforma marítima. Para utilizar completamente esta mejora potencial, el generador eléctrico conectado a la turbina debe ajustarse para tener una potencia máxima en la banda de rpm óptima de la turbina optimizada.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تحسين تصميم جديد لفوهة وشفرات التوربينات الغازية الدافعة باستخدام طريقة تاغوشي لتوليد الطاقة على نطاق صغير
- Translated title (French)
- Optimisation d'une nouvelle conception de tuyère et d'aubes de turbine à gaz à impulsion utilisant la méthode de Taguchi pour la production d'énergie à petite échelle
- Translated title (Spanish)
- Optimización de una nueva boquilla de turbina de gas de impulso y diseño de álabes utilizando el método Taguchi para la generación de energía a microescala
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4386620781
- DOI
- 10.1016/j.energy.2023.129018
References
- https://openalex.org/W2030375703
- https://openalex.org/W2032777079
- https://openalex.org/W2059574373
- https://openalex.org/W2091897132
- https://openalex.org/W2171332458
- https://openalex.org/W2278884487
- https://openalex.org/W2323869356
- https://openalex.org/W2482569371
- https://openalex.org/W2499423003
- https://openalex.org/W2618562413
- https://openalex.org/W2792595935
- https://openalex.org/W2793534761
- https://openalex.org/W2804503463
- https://openalex.org/W2918039855
- https://openalex.org/W2921611724
- https://openalex.org/W2926368042
- https://openalex.org/W2929198136
- https://openalex.org/W2954402348
- https://openalex.org/W2955420737
- https://openalex.org/W2991225856
- https://openalex.org/W2998910533
- https://openalex.org/W3030239944
- https://openalex.org/W3043291028
- https://openalex.org/W3056093521
- https://openalex.org/W3083069911
- https://openalex.org/W3127612195
- https://openalex.org/W3130527129
- https://openalex.org/W3135754820
- https://openalex.org/W3185492058
- https://openalex.org/W4205420905
- https://openalex.org/W4229053203
- https://openalex.org/W4307449486
- https://openalex.org/W4312084438
- https://openalex.org/W4312084460