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ME I3100 STEAM & GAS TURBINES Fall 2017 DESIGN PROJECT: DESIGN OF A GAS TURBINE Submitted to: Prof. Rishi Raj Submitted by: Carles Bertran EMPLID: 23506295 December 5th, 2017

DESIGN PROJECT: DESIGN OF A GAS TURBINE

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ME   ­   I3100   STEAM   &   GAS   TURBINES 

Fall   2017 

 

DESIGN   PROJECT:  DESIGN   OF   A   GAS   TURBINE  

 

 

Submitted   to:   Prof.   Rishi   Raj 

Submitted   by:   Carles   Bertran 

EMPLID:   23506295 

December   5th,   2017 

 

M.E.   ­   I3100   Steam   &   Gas   Turbines DESIGN   PROJECT 

 

ABSTRACT  

This   paper   collects   the   data   and   calculations   necessary   for   the   design   of   a   gas   turbine. 

A   gas   turbine   is   an   internal   combustion   engine   that   uses   air   as   the   working   fluid,   and   is 

composed   by   an   upstream   rotating   compressor   coupled   to   a   downstream   turbine   by   a 

combustion   chamber.   The   application   of   the   turbine   of   this   paper   is   to   generate 

electricity   for   a   power   plant,   by   transforming   the   thermal   energy   of   a   fuel   into 

mechanical   energy.   This   mechanical   energy   will   be   used   to   power   a   generator   which 

transforms   mechanical   energy   into   electrical   energy.   The   final   design   has   been 

determined   by   the   design   parameters   that   have   been   pre­set   according   to   the 

requirements   of   the   application   of   the   turbine.  

 

In   order   to   transform   the   energy   of   fuel   into   mechanical   energy   (Work),   the   gas   turbine 

engine   follows   the   thermodynamic   cycle   known   as   the   Brayton   cycle.   This   cycle   has 

been   analysed   in   depth   for   the   ideal   and   real   Brayton   gas   turbine   cycles,   to   calculate 

the   parameters   that   govern   the   design   of   the   turbine.   These   parameters   have   helped 

design   the   turbine   by   determining   the   dimensions   of   the   components   of   the 

turbomachine.   Calculations   determined   that   this   turbine   must   have   four   stages   with   high 

stage   enthalpies.   Once   the   parameters   have   been   met,   the   following   chapters   describe 

the   design   and   definition   of   the   component   materials   chosen   for   the   design,   as   well   as 

the   bearings   required   for   the   assembly. 

 

 

 

 

 

 

 

 

M.E.   ­   I3100   Steam   &   Gas   Turbines DESIGN   PROJECT 

TABLE   OF   CONTENTS 

 

1.   BACKGROUND 3 

2.   THEORY   OF   OPERATION   ­   THE   BRAYTON   CYCLE 5 2.1.   IDEAL   BRAYTON   CYCLE   PROCESSES 6 

3.   CYCLE   ANALYSIS   AND   CALCULATIONS 7 3.1.   SYMBOLOGY   AND   PARAMETERS 8 3.2.   IDEAL   CYCLE 9 

3.2.1.   SUMMARY   OF   STATE   PARAMETER   CALCULATIONS 10 3.2.2.   WORK   and   ENERGY 10 

3.3.   REAL   CYCLE 11 3.3.1.   SUMMARY   OF   STATE   PARAMETER   CALCULATIONS 13 3.3.2.   WORK   and   ENERGY 13 

3.4.   TURBINE   CALCULATIONS 14 3.4.1.   STAGE   CALCULATION 14 Calculation   of   STAGE   1 15 3.4.2.   SUMMARY   OF   STAGE   CALCULATIONS 19 

4.   SELECTION   OF   MATERIALS   AND   BEARINGS 20 4.1.   MATERIAL   SELECTION 20 4.2.   BEARING   SELECTION 23 

4.2.1.   ROLLING   BEARINGS 24 4.2.2.   JOURNAL   BEARING 25 

5.   DISCUSSION 28 

6.   REFERENCES 29   

 

 

   

M.E.   ­   I3100   Steam   &   Gas   Turbines DESIGN   PROJECT 

1.   BACKGROUND 

 

The   gas   turbine,   also   known   as   combustion   turbine,   is   a   type   of   internal   combustion 

(I.C.)   engine.   To   differentiate   it   from   the   I.C.   piston   engine,   each   one   of   the 

thermodynamic   processes   of   the   turbine   occur   simultaneously   throughout   different 

elements   of   the   equipment.   For   instance,   it   uses   an   upstream   axial­flow   rotating 

compressor   that   increases   the   pressure   of   air   at   the   same   time   that   this   one   is   being 

returned   to   atmospheric   pressure   after   providing   work   on   the   downstream   turbine.   In 

I.C.   piston   engine,   an   oscillating   piston   has   the   role   of   compressing   and   providing   work 

on   sequential   stages.  

 

In   gas   turbines,   the   compressed   air   is   driven   into   the   combustion   chamber   where   fuel   is 

mixed   in   and   ignited.   The   increase   in   pressure   after   ignition   is   used   to   move   the 

downstream   turbine   at   the   end   of   the   engine   which,   in   most   cases,   is   used   to   drive   the 

compressor   as   well   as   other   mechanical   elements   like,   in   power   generation,   an   electric 

generator   coupled   to   the   shaft   of   the   turbine.   In   air­breathing   jet   engines   however,   the 

high   pressure   of   fluid   after   ignition   is   known   as   the   fast­moving   gases   or   jet   discharged 

at   the   exhaust   which   generate   the   propulsion   (thrust)   necessary   to   propel   aircrafts   at 

supersonic   speeds.   On   occasions,   the   high   temperature   of   the   ignition   is   also   used   at 

the   exhaust   (waste   heat)   to   feed   a   regular   steam   generator   that   powers   a   steam   turbine 

(combined   cycle),   which   can   reach   efficiencies   of   over   60%.   However,   this   paper 

focuses   on   the   main   piece   of   equipment   of   the   gas   turbine   like   the   one   shown   in   Figure 

1.  

 

 

M.E.   ­   I3100   Steam   &   Gas   Turbines DESIGN   PROJECT 

 

Figure   1:   Basic   components   of   the   gast   turbine 

http://cset.mnsu.edu/engagethermo/images/gasturbineanimation.png 

 

The   application   of   turbines   is   very   versatile:   in   power   generation   they   can   be   used   to 

operate   additional   emergency   generators   to   supply   energy   during   peak   demand,   due   to 

the   ability   to   be   quickly   turned   on   and   off   compared   to   other   forms   of   power   generation. 

Its   relatively   simple   mechanism   allows   the   construction   of   a   wide   range   of   sizes   and 

weights,   which   further   extends   its   applications.   This   mechanical   simplicity   also   makes 

turbine   engines   especially   suited   for   high   power   outputs   during   an   extended   period   of 

time,   and   are   known   to   be   very   reliable   engines   with   very   long   operational   life   under 

extended   hours   of   use.   These   features   explain   its   wide   use   in   the   modern   aeronautic 

industry   and   other   sorts   of   transportation.  

Simple   cycle   gas   turbines   are   still   not   as   efficient   as   other   power   generating   engines, 

therefore   their   use   are   still   limited   to   emergency   situations   or   mostly   military   applications 

where   to   benefit   from   its   high   power   generation.  

   

M.E.   ­   I3100   Steam   &   Gas   Turbines DESIGN   PROJECT 

2.   THEORY   OF   OPERATION   ­   THE   BRAYTON   CYCLE 

 

 

Figure   2.   Schematic   of   the   gas   turbine.   The   numbers   show   where   the   cycle   processes   occur. 

 

Gas   turbines   follow   a   thermodynamic   cycle   called   Brayton   cycle.   In   this   cycle   there   is   a 

sequence   of   thermodynamic   processes   which   describe   the   transfer   of   heat   and   work 

into   and   out   of   the   system   while   varying   pressure,   temperature,   volume   and   enthalpy, 

and   which   return   the   system   to   its   initial   state   closing   the   thermodynamic   cycle.   In   this 

paper   the   ideal   and   actual   Brayton   cycles   were   analysed,   therefore   we   discuss   in   detail 

the   processes   that   compose   these   two   cycles: 

 

 

   

M.E.   ­   I3100   Steam   &   Gas   Turbines DESIGN   PROJECT 

2.1.   IDEAL   BRAYTON   CYCLE   PROCESSES 

              

Figure   3.   The   Brayton   Cycle:   Pressure   ­   Volume   diagram   (Left)   and   Temperature   ­   Entropy 

diagram   (Right). 

 

1­2.   Isentropic   Compression 

Air   at   atmospheric   pressure   and   temperature   enters   the   compressor   where   it   gets 

compressed.   Work   is   added   to   the   process   (­Wc).   This   is   an   adiabatic,   reversible   (thus 

isentropic)   process. 

2­3   Isobaric   Process 

Compressed   air   runs   through   the   combustion   chamber   where   is   mixed   with   fuel   and 

ignited.   This   process   adds   heat   to   the   cycle   but   the   pressure   remains   constant   because 

the   combustion   chamber   is   open   to   flow   in   and   out. 

3­4   Isentropic   Expansion 

High   heat,   high   pressure   air   returns   to   atmospheric   pressure   (adiabatic   reversible 

expansion)   expanding   and   producing   work,   which   is   mostly   absorbed   by   the   turbine 

(Wt). 

4­1   Isobaric   Process  

Air   exits   the   turbine   (exhaust)   rejecting   heat   to   the   atmosphere   where   it   returns   to   initial 

values   of   temperature   and   pressure.  

M.E.   ­   I3100   Steam   &   Gas   Turbines DESIGN   PROJECT 

3.   CYCLE   ANALYSIS   AND   CALCULATIONS 

 

In   this   section   of   the   paper   the   parameters   for   the   thermal   cycle   have   been   calculated 

from   the   design   parameters   that   have   been   set.   The   requirements   from   the   application 

define   the   initial   parameter   such   as   the   shaft   speed   and   power   needed   from   the   turbine. 

The   rest   of   the   initial   parameters   are   set   by   physical   constraints   like   the   maximum 

temperature   that   the   available   materials   are   capable   of   withstanding,   or   the 

environmental   conditions   in   which   the   engine   will   be   operating   on: 

 

Parameter  Symbol  Value 

Temperature   at   Turbine   Inlet   (Max.   Temp.)   T 3  1800   °F   =   2260   °R 

Temperature   at   Compressor   Inlet   (atmospheric)  T 1  70   °F   =   530   °R 

Pressure   at   Comp.   Inlet   (atmospheric)  P 1  1   atm   =   14.69   psi 

Net   Shaft   Power   P NET  10000   HP   =   7457   KW 

Shaft   Speed  N  7200   RPM 

Table   1.   Initial/design   Parameters 

 

By   analysing   the   Brayton   thermodynamic   cycle,   the   values   of   pressure,   volume, 

temperature,   enthalpy,   mass   flow   rate   and   work   can   be   defined   at   every   process.   This 

analysis   has   been   done   for   the   ideal   cycle   as   well   as   the   real   cycle. 

   

M.E.   ­   I3100   Steam   &   Gas   Turbines DESIGN   PROJECT 

3.1.   SYMBOLOGY   AND   PARAMETERS 

 

p Pressure   (PSI) 

T Temperature   (°R) 

h Enthalpy   (Btu/lbm) 

q in Heat   addition   (Btu/lbm) 

q out Heat   rejection   (Btu/lbm) 

W Work   (Btu/lbm) 

ṁ Mass   Flow   Rate   (lbm/s) 

W c Work   of   compressor   (Btu/lbm) 

W T Work   of   Turbine   (Btu/lbm) 

P Power   (KW) 

N Number   of   cycles   (rpm) 

N b Number   of   blades 

V Absolute   velocity   (ft/s) 

W Relative   velocity   (ft/s) 

U Axial   velocity   (ft/s) 

C p Specific   heat   at   constant   p   (Btu/lbm   °R) 

g c Mass­force   constant   (ld   ft/lbf­s 2 ) 

k Ideal   Gas   Constant   (Btu/lbm°R) 

r p Pressure   ratio 

η Efficiency 

l length   of   blade(ft) 

r m Middle   radius   (ft) 

r t Tip   radius   (ft) 

r h Hub   radius   (ft) 

ρ Density   (lbm/ft 3 ) 

φ Loading   coefficient 

 ϕ Zweifel   Factor 

M.E.   ­   I3100   Steam   &   Gas   Turbines DESIGN   PROJECT 

3.2.   IDEAL   CYCLE  

 

Recall   the   following   values   for   an   ideal   cycle: 

K   =   1.4 

Cp   =   0.24   Btu/lbm   °R 

 air    =   0.0748   lbm/ft 3ρ  

 

State   1 

Assume   atmospheric   T   and   P: 

 atm 4.69 psip1 = 1 = 1  

0°F 30 °RT 1 = 7 = 5  

T .24 40 27.20 Btu lbm  h1 = Cp 1 = 0 ∙ 5 = 1 /  

 

State    2 

094.44°R  T 2 = (T T )1 31 2/ = √530 260∙ 2 = 1  

4.69 85.88psi  p2 = p1 ∙ ( T 1

T 2 )k (k−1)/

= 1 ∙ ( 5301094.44)1.4 0.4/ = 1  

T .24 094.44 62.66 Btu lbm  h2 = Cp 2 = 0 ∙ 1 = 2 /  

 

State   3 

85.88 psip3 = p2 = 1  

260°RT 3 = Tmax = 2  

T .24 260 42.4 Btu lbm  h3 = Cp 3 = 0 ∙ 2 = 5 /  

 

State   4 

4.69 psip4 = p1 = 1  

260 094.44°R  T 4 = T 3 ∙ ( p3p4 )

k−1 k/= 2 ∙ ( 14.69

185.88)0.4 1.4/ = 1  

T .24 094.44 62.66 Btu lbm  h4 = Cp 4 = 0 ∙ 1 = 2 /  

M.E.   ­   I3100   Steam   &   Gas   Turbines DESIGN   PROJECT 

 

3.2.1.   SUMMARY   OF   STATE   PARAMETER   CALCULATIONS 

 

State  Temperature   ( )R  °   Pressure   (psi)  Enthalpy   (Btu/lbm) 

1  530  14.69  127.20 

2  1094.44  185.88  262.66 

3  2260  185.88  542.4 

4  1094.44  14.69  262.66 

Table   2.   Ideal   Cycle   state   calculation   results 

 

3.2.2.   WORK   and   ENERGY 

Heat   input 

42.4 62.66 79.73 Btu lbm  qin = h3 − h2 = 5 − 2 = 2 /  

Heat   rejected 

62.66 27.20 34.46 Btu lbm  qout = h4 − h1 = 2 − 1 = 1 /  

Turbine   Work 

42.4 62.66 79.74 Btu lbm  W T = h3 − h4 = 5 − 2 = 2 /  

Compressor   Work 

62.66 27.20 35.46 Btu lbm  WC = h2 − h1 = 2 − 1 = 1 /  

Net   Work 

79.74 35.46 44.26 Btu lbm  W net = W T −WC = 2 − 1 = 1 /  

Thermal   Efficiency 

.5173 00 1.57%  ηtheoretical = qinW net = 279.73

144.72 = 0 × 1 = 5  

Pressure   Ratio 

2.65rp = p1p2 = 14.69

185.88 = 1  

Mass   Flow   Rate   (ṁ)  

P net = 3412ṁ∙Δh  

h h ) h )  Δ = ( 3 − h4 − ( 2 − h1  

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M.E.   ­   I3100   Steam   &   Gas   Turbines DESIGN   PROJECT 

0000 HP 457 kWP net = 1 = 7  

75810.42 lbm hr 8.98 lbm s  ⇒ṁ = P ∙3412net(h −h )−(h −h )3 4 2 1

= 7457∙3412279.74−135.02 = 1 / = 4 /  

 

 

Parameter  Symbol  Value 

Heat   Input  q in  279.73   Btu/lbm 

Heat   Rejected  q out  135.46   Btu/lbm 

Compressor   Work  W c  135.46   Btu/lbm 

Turbine   Work  W T  279.74   Btu/lbm 

Net   Work  W net  144.27   Btu/lbm 

Cycle   Efficiency  ηtheoretical   51.57% 

Pressure   Ratio  r p  12.65 

Mass   Flow   Rate  ṁ  48.98   lbm/s 

Table   3.   Ideal   cycle   parameter   calculation   results. 

 

The   results   from   the   calculations   validate   the   design   parameters   in   an   ideal   situation.   A 

high   efficiency   has   been   achieved.   The   following   section   determines   the   same 

parameters   for   the   real   cycle.  

 

3.3.   REAL   CYCLE 

 

In   this   section   the   efficiencies   of   the   components   of   the   engine   have   been   considered. 

In   other   words,   the   elements   of   the   assembly   have   energy   losses   due   to   mechanical 

inefficiencies   and   other   physical   conditions.   These   have   been   assumed   from   examples 

found   in   real   life,   and   are   presented   at   the   beginning   of   the   calculations.  

In   order   to   simplify   the   calculations,   the   values   of   K,   C p    and   C v    have   been   considered 

constant,   as   in   the   ideal   cycle.   Thus   the   calculation   process   is   presented   as   follows:  

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M.E.   ­   I3100   Steam   &   Gas   Turbines DESIGN   PROJECT 

 

Assumptions: 

=   0.85ηcompressor  

=   0.93ηturbine  

 

State   1 

Following   the   same   fashion   as   for   the 

ideal   cycle,   assume   atmospheric   T   and   P: 

 atm 4.69 psip1 = 1 = 1  

0°F 30 °RT 1 = 7 = 5  

T .24 40 27.20 Btu lbm  h1 = Cp 1 = 0 ∙ 5 = 1 /  

  

State   2 

30 194.05°RT ′2 = T 1 +(T −T )2 1

 

ηcompressor= 5 + 0.85

1094.44−530 = 1  

4.69 52.14 psi  p′2 = p1 ∙ ( T 1

T ′2 )k (k−1)/

= 1 ∙ ( 5301194.05)1.4 0.4/ = 2  

27.2 86.05 Btu lbmh′2 = h1 +(h −h )2 1

 

ηcompressor= 1 + 0.85

262.22−127.2 = 2 /  

 

State   3 

52.14 psip′3 = p′2 = 2  

260°RT 3 = Tmax = 2  

T .24 260 42.4 Btu lbm  h3 = Cp 3 = 0 ∙ 2 = 5 /  

 

State   4 

4.69 psip4 = p1 = 1  

(T ) 260 .93(2260 094.44) 176.03 psi  T ′4 = T 3 − ηturbine 3 − T 4 = 2 − 0 − 1 = 1  

(h ) 42.4 .93(542.4 62.22) 81.83 Btu lbm  h′4 = h3 − ηturbine 3 − h4 = 5 − 0 − 2 = 2 /  

 

12 

M.E.   ­   I3100   Steam   &   Gas   Turbines DESIGN   PROJECT 

 

3.3.1.   SUMMARY   OF   STATE   PARAMETER   CALCULATIONS 

State  Temperature   ( )R  °   Pressure   (psi)  Enthalpy   (Btu/lbm) 

1  530  14.69  127.20 

2  1194.05  252.14  286.05 

3  2260  252.14  542.4 

4  1176.03  14.69  281.83 

Table   4.   Real   Cycle   state   calculation   results 

 

3.3.2.   WORK   and   ENERGY 

Heat   input 

42.4 86.05 55.82 Btu lbm  q′in = h3 − h′2 = 5 − 2 = 2 /  

Heat   rejected 

81.83 27.20 55.05 Btu lbm  q′out = h′4 − h1 = 2 − 1 = 1 /  

Turbine   Work 

42.4 81.83 60.15 Btu lbm  W ′T = h3 − h′4 = 5 − 2 = 2 /  

Compressor   Work 

86.05 27.20 59.37 Btu lbm  W ′C = h′2 − h1 = 2 − 1 = 1 /  

Net   Work 

60.57 58.85 00.78 Btu lbm  W ′net = W ′T −W ′C = 2 − 1 = 1 /  

Thermal   Efficiency 

.3968 00 9.68%  ηreal = q′inW ′net = 256.35

101.72 = 0 × 1 = 3  

Pressure   Ratio 

7.16r′p = p1p′2 = 14.69

252.14 = 1  

Mass   Flow   Rate   (ṁ)  

P net = 3412ṁ∙Δh  

h h ) h )  Δ = ( 3 − h′4 − ( ′2 − h1  

13 

M.E.   ­   I3100   Steam   &   Gas   Turbines DESIGN   PROJECT 

0000 HP 457 kWP net = 1 = 7  

52460 lbm hr 0.12 lbm s  ⇒ṁ′ = P ∙3412net(h −h )−(h −h )3 ′4 ′2 1

= 7457∙3412260.57−158.85 = 2 / = 7 /  

 

 

Parameter  Symbol  Value 

Compressor   efficiency  ηcompressor    0.85 

Turbine   efficiency  ηturbine   0.93 

Heat   Input  q’ in  255.82   Btu/lbm 

Heat   Rejected  q’ out  155.05   Btu/lbm 

Compressor   Work  W’ c  159.37   Btu/lbm 

Turbine   Work  W’ T  260.15   Btu/lbm 

Net   Work  W’ net  100.78   Btu/lbm 

Cycle   Efficiency  ηreal   39.39% 

Pressure   Ratio  r’ p  17.16 

Mass   Flow   Rate  ṁ’  70.13   lbm/s 

Table   5.   Real   cycle   parameter   calculation   results. 

 

The   efficiency   for   the   real   cycle   is   39.39%,   which   is   a   significant   drop   in   respect   to   the 

ideal   situation   (51.73%).   This   is   translated   into   a   higher   flow   rate   in   order   to   achieve   the 

same   max.   Power.   Since   this   scenario   is   a   more   disadvantageous   case,   these 

parameters   and   results   are   being   used   to   proceed   with   the   design   of   the   engine.   

 

3.4.   TURBINE   CALCULATIONS 

3.4.1.   STAGE   CALCULATION 

At   this   point   of   the   calculation   process   it   is   possible   to   determine   the   total   enthalpy 

change,   which   corresponds   to   the   work   done   by   the   turbine.   Since   the   typical   values   of 

14 

M.E.   ­   I3100   Steam   &   Gas   Turbines DESIGN   PROJECT 

enthalpy   change   range   between   50   ­   80   BTU/lbm,   the   total   enthalpy   has   to   be   divided   in 

different   stages   that   fit   the   range.   This   defines   the   number   of   stages   of   the   turbine: 

 

Total   Enthalpy   Change 

h ) 60.15 Btu lbm  Δhtotal = ( 3 − h′4 = W ′T = 2 /  

 

Enthalpy   per   stage     0 Btu lbm  50 h≤ Δ stage ≤ 8 /  

5.04 Btu lbm  Δhstage =Δhtotal  

# of  stages = 4260.57 = 6 /  

 

This   value   of   enthalpy   is   the   average   value   through   the   4   stages.   For   this   design   the 

enthalpy   per   stage   must   follow   a   decreasing   value   from   the   first   stage   to   the   last.   These 

values   have   been   adjusted   conveniently   for   the   calculation.   Similarly,   the   values   for   the 

reaction   follow   the   same   criteria   but   on   an   increasing   form.  

 

This   parameters   allow   to   start   with   the   calculation   of   all   the   parameters   that   define   the 

design   of   the   turbine   in   each   one   of   its   stages.   The   following   part   will   walk   the   reader 

through   the   calculation   process   of   the   parameters   and   dimensions   that   define   the   first 

stage   of   the   turbine.   The   results   have   been   collected   in   table   6,   where   the   values   of   the 

results   of   the   calculations   for   Stages   2   to   4   can   be   found   as   well.   

 

Calculation   of   STAGE   1 

 

1.       (Specified)8.04 Btu lbm  Δhstage1 = 6 /  

 

2.   Reaction   at   Stage   1      R   =   0.32   (Specified) 

R = Δhstage

Δhrotor    

h h .32 8.04 1.77 Btu lbm  Δ rotor = R ∙ Δ stage = 0 ∙ 6 = 2 /  

h h h 8.04 1.80 6.26 Btu lbm  Δ stator = Δ stage − Δ rotor = 6 − 2 = 4 /  

15 

M.E.   ­   I3100   Steam   &   Gas   Turbines DESIGN   PROJECT 

 

3.   Adiabatic   Velocity 

 V o =√2 h 78∙ gc ∙ Δ stage ∙ 7 =  

840.59 f t s  = √2 2.2 8.04 78∙ 3 ∙ 6 ∙ 7 = 1 /  

 

4.   Velocity   Ratio    .60  UV o≈ 0    

      (Specified   for   a   R   =   0.32) 

 

5.   Blade   velocity 

       .60 840.59 .60 104.35 f t s  U = V o ∙ 0 = 1 ∙ 0 = 1 /  

 

6.   Mean   radius   ‘r m ’ 

U = 602∙π∙N ∙rm  

    .47 f t  ⇒ rm = U ∙602∙π∙N = 2∙π∙7200

1104.35∙60 = 1  

 

7.   Absolute   velocity  

 V 2 =√2 1 ) h 78∙ gc ∙ ( − R ∙ Δ stage ∙ 7 =  

     = √2 2 1 .32) 8.04 78∙ 3 ∙ ( − 0 ∙ 6 ∙ 7 =  

517.79 f t s  = 1 /  

 

8.    (Specified) α2 = 74o  

 

9.    rctan  β2 = a ( V cosα2 2

V sinα −U2 2 ) =  rctan 0.29   = a ( 1517.79 ∙ cos 74 o

1517.79∙sin 74  −1108.62o ) = 4 o  

 

10.   Relative   Velocity 

 

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48.44 f t s  W 2 = cos(β )2V cos(α )2 2 = cos(40.29  )o

1517.79∙cos(74  )o = 5 /  

11.   Absolute   Velocity 

os(α  ) 523.66 os (74 ) 18.36 f t s  V 2X = V 2 ∙ c 2 = 1 ∙ c o = 4 /  

 

12.   Relative   Velocity 

 W 3 =√2 h 78∙ gc ∙ Δ rotor ∙ 7 +W 22 =  

176.81 f t s  = √2 2 1.77 78∙ 3 ∙ 2 ∙ 7 + 548.442 = 1 /   

13.    rcos  β3 = a ( W 3

W cosβ2 2 ) =  rcos 9.17   = a ( 1176.81

548.44∙cos 40.29 o ) = 6 o  

 

14.    rctan  α3 = a ( V cosα2 2

U−W sinβ3 3 ) =  rctan .60   = a ( 1517.79 ∙ cos 74 o

1104.35−1176.81∙sin 69.17 o ) = 0 o  

 

15.   Absolute   Velocity   V 3 

18.38  f t s  V 3 = cos(α )3V cos(α )2 2 = cos(0.60  )o

1517.79∙cos(74  )o = 4 /  

 

16.   Work 

 W = Ug ∙778c

∙ (W inβ inβ )2 ∙ s 2 +W 3 ∙ s 3 =  

4.52 Btu lbm  = 32∙7781104.35 ∙ (548.44 in 40.29 176.81 in 69.17 )∙ s o + 1 ∙ s o = 6 /  

 

17.   Stage   efficiency  

.9483 00 4.83%  ηstage1 =WV 2o

2∙778∙gc

= 64.52

2∙778∙321840.352

= 0 ∙ 1 = 9  

 

18.   Length   of   blades   ‘l’   (rotor   and   stator) 

r ) π  ṁ′ = ρ ∙ V 2X ∙ A = ρ ∙ V 2X ∙ π ∙ ( t2 − r2h = ρ ∙ V 2X ∙ 2 ∙ rm ∙ l  

17 

M.E.   ­   I3100   Steam   &   Gas   Turbines DESIGN   PROJECT 

 ⇒ l = ṁ′ρ∙V ∙2π∙r2X m

 

Recall    ,   therefore0.13 lbm s  ṁ′ = 7 /  

.2435 f tl = 70.130.0748∙418.36∙2π∙1.46 = 0  

 

 

19.   Number   of   blades   –   Zweifel   relation   ( ).85  ϕ = 0  

os β  ϕ = b2∙S ∙ tan β an β[ 2 + t 3] ∙ c 2

3  

 

 

We   know   that,    π  N b ∙ S = 2 ∙ rm  

Given   that   the   range   of   the 

values   for   the   cord   length   ‘c’ 

must   be   between   2­3   inches,   for 

this   report   it   has   been   pre­set   as 

3   inches.   Then, 

.333 f t  b ≈ c = 0  

 

 ⇒ S = ϕ∙b2∙ tan β +tan β ∙cos β[ 2 3] 2

3=  

.322 f t= 0.85∙0.3332∙ tan 40.29 +tan 69.17 ∙cos 69.17[ o o] 2 o = 0  

 

Number   of   blades: 

8.57  9 blades  N b = 0.3222π∙rm = 0.322

2π∙1.46 = 2 ⇒ N b = 2  

 

20.   Loading   Factor 

.317 0.8 .317  φ = WU2

778∙gc

= 64.52

778∙321104.352

= 1 →   < 1 < 2  

This is an acceptable value for the R in this stage  ⇒    

 

The   results   for   the   calculations   of   the   stages   2­4   have   been   collected   on   table   6.   

18 

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3.4.2.   SUMMARY   OF   STAGE   CALCULATIONS 

  STAGE   1  STAGE   2  STAGE   3  STAGE   4 

Δh stage    (Btu/lbm)  68.04  66.04  64.04  62.04 

R  0.32  0.34  0.36  0.38 

Δh rotor    (Btu/lbm)  21.77  22.45  23.05  23.57 

Δh stator    (Btu/lbm)  46.27  43.59  40.98  38.46 

V 0    (�/s)  1840.59  1813.33  1785.66  1757.56 

U/V 0  0.60  0.61  0.63  0.65 

U   (�/s)  1104.35  1106.13  1124.97  1142.41 

N   (rpm)  7200  7200  7200  7200 

r m    (�)  1.47  1.47  1.49  1.52 

V 2    (�/s)  1517.79  1473.16  1428.53  1383.90 

α 2    (°)   –   assumed  74.00  76.00  78.00  80.00 

β 2    (°)  40.29  42.21  42.52  42.53 

W 2    (�/s)  548.45  481.16  402.97  326.12 

V 2x    (�/s)  418.36  356.39  297.01  240.31 

W 3    (�/s)  1176.81  1161.68  1144.67  1131.45 

β 3    (°)  69.18  72.13  74.96  77.74 

α 3    (°)  0.61  0.08  3.76  8.70 

V 3    (�/s)  418.38  356.39  297.65  243.11 

W   (Btu/lbm)  64.52  63.49  62.26  60.85 

η stage    (%)  94.83  96.14  97.22  98.10 

m   DOT   m ̇  (lbm/s)  70.13  70.13  70.13  70.13 

L   (�)  0.24  0.29  0.34  0.41 

b=3   inch   (�)   –   assumed  0.33  0.33  0.33  0.33 

c=3   inch   (�)   –   assumed  0.33  0.33  0.33  0.33 

Zweifel   rel.   Φ   –   assumed  0.85  0.85  0.85  0.85 

S   (�)  0.32  0.38  0.45  0.57 

N b    (blades)  29  25  21  17 

Loading   Factor   φ  1.32  1.29  1.22  1.16 

Table   6.   Results   for   the   calculations   of   the   parameters   that   define   the   4   stages   of   the   turbine 

19 

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4.   SELECTION   OF   MATERIALS   AND   BEARINGS 

4.1.   MATERIAL   SELECTION 

In   this   section   the   material   selection   in   gas   turbine   engine   design   is   discussed.   Material 

selection   in   gas   turbine   is   an   important   subject   due   to   the   large   variety   of   requirements 

needed   to   maximize   the   performance   and   operability   of   the   engine.   During   the   different 

processes   of   the   thermal   cycle,   the   materials   that   compose   the   elements   of   the   engine 

are   subject   to   very   different   and   extreme   situations,   pushing   the   limits   of   the   most 

sophisticated   materials   available   today.   The   challenges   faced   by   these   materials   are 

high   loads,   high   vibrations   (fatigue   resistance),   high   impacts,   contact   with   abrasive 

particles   like   sand   and   other   objects   found   in   the   air   that   enters   the   inlet,   contact   with 

oils,   oxidation   and   corrosion,   high   temperatures   and   or   large   temperature   gradients. 

Therefore,   the   materials   selected   will   have   to   excel   primarily   in   strength,   fatigue 

capability,   weight,   cost,   creep   resistance   and   thermal   stability   (low   coefficient   of   thermal 

expansion).  

Let’s   take   a   closer   look   at   the   specific   elements   throughout   the   engine,   with   the   intention 

to   analyse   the   situations   in   which   the   materials   have   to   perform.   Once   we   have   a   basic 

idea   of   these   conditions,   the   requirements   of   the   materials   can   be   determined.   As   a 

result   we   will   be   able   to   list   some   of   the   materials   that   are   most   suitable   for   each 

situation.  

20 

M.E.   ­   I3100   Steam   &   Gas   Turbines DESIGN   PROJECT 

 

FAN 

At   the   inlet,   the   blades   of   the   fan   are   subject   to   high   tensile   strength   due   to   the 

centrifugal   forces   during   the   rotation   of   the   shaft.   Centrifugal   forces   can   be   minimized 

with   a   lightweight   material,   which   needs   to   be   able   to   resist   high   impacts   from   outside 

objects   being   pulled   inside   the   engine. 

Examples:   Polymer   Composite   of   Titanium   alloys   for   blades,   and   nickel­based   alloys 

and   polymer   composites   or   titanium   alloys   for   the   containment   of   the   fan. 

 

COMPRESSOR 

The   compressor   operates   at   high   temperatures   during   long   periods   of   time.   Like   the   fan 

and   most   of   elements   in   the   engine,   the   rotation   of   the   blades   occur   at   very   high 

speeds.   Therefore   the   material   is   required   to   withstand   high   stresses,   centrifugal   forces 

and   fatigue.  

21 

M.E.   ­   I3100   Steam   &   Gas   Turbines DESIGN   PROJECT 

Examples:   Titanium   alloys   for   blades   operating   at   lower   temperature,   and   nickel   based 

or   titanium   alloys   on   higher   temperatures.   Same   for   compressor   disk.  

 

COMBUSTOR 

Very   high   temperatures   (averaging   at   2800F)   during   very   long   periods   of   time.   The 

combustor   lining   must   be   able   to   withstand   stresses   due   to   heat,   takeoff   and   cool   down 

situations,   and   have   good   oxidation   resistivity.  

Example:   Nickel   based   alloys   for   combustor   and   liner. 

 

TURBINE 

The   materials   required   for   this   element   must   have   good   rotational   strength,   resist 

pressure   loading   (from   the   very   high   pressure   gases   coming   from   the   combustor), 

withstand   high   temperatures,   resist   creep   and   oxidation.  

Example:   Single   crystal   Nickel   based   alloys   with   thermal   barrier   coatings. 

 

MIXER 

Materials   of   the   mixer   must   withstand   high   temperatures   as   well   as   low   temperatures, 

requiring   a   material   that   has   minimal   effect   towards   thermal   expansion.  

Example:   Nickel   based   alloys. 

 

NOZZLE 

At   the   nozzle   the   materials   must   be   able   to   withstand   high   temperatures,   with   ranges   of 

1200F   to   2400F.  

Example:   Nickel   or   titanium   based   alloys   or   ceramic   matrix   composites.  

 

The   following   table   lists   some   of   the   alloys   currently   employed   in   turbine   engine 

development.   This   is   only   a   sample   of   materials   used   in   some   of   the   components   found 

in   turbines   which   are   capable   of   withstanding   high   temperatures   without   losing 

mechanical   properties.   However,   the   list   of   materials   from   other   families   other   than 

22 

M.E.   ­   I3100   Steam   &   Gas   Turbines DESIGN   PROJECT 

alloys   are   extensively   used   in   the   design   of   modern   turbines   where   the   ratio   of   high 

temperature   resistance   capabilities   to   strength   are   not   as   crucial,   like   ceramic   matrix 

composites,   or   polymer   matrix   composites   for   the   use   in   combustors.  

Other   lightweight   materials   like   carbon   fiber   reinforced   composites   are   used   for   static 

engine   structures   and   inlet   blades   where   significant   weight   savings   result   in   more 

efficient   engines.   

 

 

Table   7.   Common   Alloys   used   in   the   elements   that   compose   turbine   engines,   with   composition 

percentages.  

 

4.2.   BEARING   SELECTION 

Gas   turbines   are   a   type   of   engine   that   shines   for   its   mechanical   simplicity.   This   simplicity 

is   mainly   due   to   all   the   moving   parts   (compressor   and   turbine)   having   only   a   rotational 

movement   and   being   concentric   to   the   same   shaft.   In   order   to   guarantee   a   high 

23 

M.E.   ­   I3100   Steam   &   Gas   Turbines DESIGN   PROJECT 

performance   for   the   elements   of   the   engine,   a   big   responsibility   is   entrusted   to   the 

bearings   which   allow   rotational   movement   of   the   moving   parts.  

Different   bearings   are   strategically   positioned   along   the   lengths   of   the   shaft.   Radial 

support   is   provided   by   journal   or   roller   bearings,   and   axial   positioning   is   left   to   thrust 

bearings.   Heavy   duty   applications   are   usually   dominated   by   journal   bearings,   while 

aerospace   applications   tend   to   use   ball/roller   bearings.  

 

4.2.1.   ROLLING   BEARINGS 

These   bearings   are   differentiated   according   to 

the   direction   of   the   main   radial   or   axial   loads,   as 

well   as   the   type   of   rolling   elements   which   can   be 

balls   or   rollers.   Balls   are   used   for   lower   carrying 

capacities   and   higher   speeds,   while   roller 

bearings   have   higher   load   capacity   and   lower 

speeds.  

Aeroderivative   gas   turbines,   as   well   as   jet 

engines   –   where   lightweight   components   are 

used   due   to   lower   loads,   requirement   of   the 

vehicle,   smaller   size   etc   –   typically   use   roller 

bearings   throughout   since   these   do   not   require 

lube   oil   reservoirs,   coolers   and   pumps   associated   with   journal   bearings.  

 

 

 

Figure   10.   Different 

types   of   rolling 

elements:   Ball   (left), 

rolls   (center),   tapered 

rolls   (right). 

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4.2.2.   JOURNAL   BEARING 

Journal   bearings   use   the   principle   of   Hydrodynamic 

film   lubrication.   A   shaft   (or   journal)   spins   inside   a 

stationary   sleeve,   which   has   a   slightly   bigger   bore 

which   is   filled   up   with   a   lubricant.   When   the   shaft   starts 

spinning,   the   lubricant   is   pushed   between   the   shaft   and 

the   sleeve   creating   a   film,   eliminating   the   direct   contact 

between   the   two   components,   usually   made   out   of 

metal.  

The   application   of   this   bearings   is   largely   used   in 

heavy   machinery   due   to   the   high   load­carrying 

capacity   (radial   and   axial   loads).   Therefore,   in   gas 

turbines   it   is   mostly   seen   in   industrial   grade   energy   generation   turbines.  

For   radial   loads,   it   is   worth   to   make   a   special   mention   to   the   Tilting­pad   bearing,   which   is 

the   most   common   type   in   today’s   machines.   It   consists   in   several   pads   located   around 

the   shaft,   which   are   floating   in   order   to   adapt   the   best   position   during   operation.  

In   journal   bearings,   axial   loads   can   also   be   handled   by   thrust   bearings.   These   are   used 

to   resist   the   unbalanced   force   in   a   machine’s   working   fluid   and   maintain   the   rotor   in   its 

position.   Tilting­pad   thrust   bearings   are   available   and,   when   perfectly   aligned,   are 

notorious   to   being   advantageous   compared   to   taper­land   bearings.  

 

 

 

   

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Figure   12.   Diagram   of   a   Turbofan   showing   the   bearings   supporting   the   connection   between   the 

different   rotating   elements   of   the   engine.  

 

The   bearings   used   in   turbomachinery   is   a   combination   of   the   described   in   this   section   of 

the   report.   The   number   of   bearings   is   defined   by   the   number   of   spools   of   the   engine. 

Figure   12   shows   the   placement   of   bearings   along   the   coaxial   shafts   of   a   three   spool 

engine   –particularly   of   a   turbofan   engine   used   in   aerospace–   where   bearings   support 

the   connection   between   the   compressor   and   turbine   shafts   at   low   and   high   pressure 

stages.   Since   this   is   considered   to   be   a   low   load­carrying   engine,   the   entirety   of   the 

bearings   seen   in   the   figure   are   rolling   bearings.   In   table   8   the   direction   of   the   loads   in 

each   section   are   discussed,   which   will   determine   the   type   of   bearing   suitable   for   the 

application. 

   

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Section  Bearing   Interface  Type   of   Load  Suggested   Bearing 

A  LPC   rotor   to   IPC  Axial   Ball   Bearing 

B  LPC   shaft   drive   support  Radial  Roller   Bearing 

C  HPC   rotor   to   IPC  Axial   Angular   Ball   Bearing 

D  HPC   and   HPT   driveshaft   support  Radial  Roller   Bearing  

E  LPC   and   LPT   driveshaft   Radial  Roller   Bearing Table   8.   Bearing   selection   per   section   of   the   engine. 

 

In   industrial   applications   for   energy   generation,   the   dimensions   of   the   components   is 

much   larger,   as   well   as   the   loads   that   the   bearings   have   to   cope   with.   In   this   case   the 

use   of   journal   bearings   is   more   common.   However,   journal   bearings   designed   to   resist 

thrust   are   not   able   to   resist   radial   loads,   therefore   wherever   an   angular   ball   bearing   has 

been   used   in   the   turbofan 

shown   above,   there   will   need   to 

be   a   combination   of   a   thrust 

bearing   and   a   radial   journal 

bearing.  

 

 

 

Figure   13.   Combination   of   a   journal   and   thrust   bearing   

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5.   DISCUSSION 

The   efficiency   of   the   cycle   has   been   calculated   to   be   of   39.39%.   This   efficiency   leads   to 

calculate   loading   factors   between   1.32   and   1.16,   which   are   acceptable   values   for   the 

Reaction   of   this   scenario. 

 

Even   though   this   seems   a   rather   low   efficiency   for   power   generation,   this   gas   turbine 

must   be   coupled   to,   for   example,   a   steam   turbine   that   uses   the   high   temperature   air   at 

the   nozzle.   This   way,   with   a   combined   cycle,   the   overall   efficiency   can   be   increased   to 

acceptable   values   and   make   the   most   out   of   the   energy   entering   the   system. 

  

All   the   parameters   calculated   are   within   common   values   of   turbine   designs,   therefore 

the   preliminary   design   gathered   in   this   report   is   accepted   to   proceed   with   the   next 

stages   of   the   design   of   the   turbine.  

   

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6.   REFERENCES 

 Raj,   Rishi      “Thermo­Fluid   Systems   Analysis   and   Design,   Emmerson:   Publication   of   GI Corporation,   2016   Eighth   Edition”.  Boyce,   Meherwan   P.   “Gas   Turbine   Engineering   Handbook.   Amsterdam:   Elsevier   / Butterworth   ­   Heinemann,   2012”.   

Web   sites 

 

https://link.springer.com/article/10.1007/s11837­016­2071­2 

 

http://ae3006­uee.blogspot.com/2007/10/ 

 

https://www.quora.com/How­is­a­turbofan­engine­shaft­supported­inside­the­engine­cas

ing 

 

https://www.google.com.ar/patents/US6378293 

 

 

 

 

 

 

 

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