Principles of Turbomachinery

Principles of Turbomachinery......Page 5
CONTENTS......Page 9
Foreword......Page 15
Acknowledgments......Page 17
1.1.1 Energy conversion of fossil fuels......Page 19
1.1.2 Steam turbines......Page 20
1.1.3 Gas turbines......Page 21
1.1.4 Hydraulic turbines......Page 22
1.1.7 Pumps and blowers......Page 23
1.1.8 Other uses and issues......Page 24
1.2.1 Water power......Page 25
1.2.2 Wind turbines......Page 26
1.2.3 Steam turbines......Page 27
1.2.4 Jet propulsion......Page 28
1.2.5 Industrial turbines......Page 29
1.2.6 Note on units......Page 30
2.1 Mass conservation principle......Page 33
2.2 First law of thermodynamics......Page 35
2.3.1 Tds equations......Page 37
2.4 Equations of state......Page 38
2.4.1 Properties of steam......Page 39
2.4.2 Ideal gases......Page 45
2.4.3 Air tables and isentropic relations......Page 47
2.4.4 Ideal gas mixtures......Page 49
2.4.6 Stagnation state......Page 53
2.5.1 Efficiency measures......Page 54
2.5.2 Thermodynamic losses......Page 60
2.5.3 Incompressible fluid......Page 61
2.5.4 Compressible flows......Page 62
2.6 Momentum balance......Page 65
Exercises......Page 72
3.1 Mach number and the speed of sound......Page 75
3.1.1 Mach number relations......Page 77
3.2 Isentropic flow with area change......Page 79
3.2.1 Converging nozzle......Page 83
3.2.2 Converging–diverging nozzle......Page 85
3.3 Normal shocks......Page 87
3.3.1 Rankine–Hugoniot relations......Page 91
3.4.1 Polytropic efficiency......Page 93
3.4.2 Loss coefficients......Page 97
3.4.3 Nozzle efficiency......Page 100
3.4.4 Combined Fanno flow and area change......Page 102
3.5 Supersaturation......Page 108
3.6.1 Mach waves......Page 110
3.6.2 Prandtl-Meyer theory......Page 111
3.7 Flow leaving a turbine nozzle......Page 118
Exercises......Page 121
4 Principles of Turbomachine Analysis......Page 123
4.1 Velocity triangles......Page 124
4.2 Moment of momentum balance......Page 126
4.3 Energy transfer in turbomachines......Page 127
4.3.1 Trothalpy and specific work in terms of velocities......Page 131
4.3.2 Degree of reaction......Page 134
4.4 Utilization......Page 135
4.5.1 Similitude......Page 142
4.5.2 Incompressible flow......Page 143
4.5.4 Compressible flow analysis......Page 146
4.6 Performance characteristics......Page 148
4.6.2 Turbine performance map......Page 149
Exercises......Page 150
5.1 Introduction......Page 153
5.2.1 Single-stage impulse turbine......Page 155
5.2.2 Pressure compounding......Page 164
5.2.3 Blade shapes......Page 168
5.2.4 Velocity compounding......Page 170
5.3 Stage with zero reaction......Page 176
5.4 Loss coefficients......Page 178
Exercises......Page 180
6.1 Introduction......Page 183
6.2 Turbine stage analysis......Page 185
6.3 Flow and loading coefficients and reaction ratio......Page 189
6.3.1 Fifty percent (50%) stage......Page 194
6.3.2 Zero percent (0%) reaction stage......Page 196
6.3.3 Off-design operation......Page 197
6.5 Radial equilibrium......Page 199
6.5.1 Free vortex flow......Page 201
6.5.2 Fixed blade angle......Page 204
6.6 Constant mass flux......Page 205
6.7.1 Soderberg loss coefficients......Page 208
6.7.2 Stage efficiency......Page 209
6.7.3 Stagnation pressure losses......Page 210
6.7.4 Performance charts......Page 216
6.7.5 Zweifel correlation......Page 221
6.7.6 Further discussion of losses......Page 222
6.7.7 Ainley-Mathieson correlation......Page 223
6.7.8 Secondary loss......Page 227
6.8.1 Reheat factor in a multistage turbine......Page 232
6.8.2 Polytropic or small-stage efficiency......Page 234
Exercises......Page 235
7 Axial Compressors......Page 239
7.1 Compressor stage analysis......Page 240
7.1.1 Stage temperature and pressure rise......Page 241
7.1.2 Analysis of a repeating stage......Page 243
7.2 Design deflection......Page 248
7.2.1 Compressor performance map......Page 252
7.3 Radial equilibrium......Page 253
7.3.1 Modified free vortex velocity distribution......Page 254
7.3.2 Velocity distribution with zero-power exponent......Page 257
7.3.3 Velocity distribution with first-power exponent......Page 258
7.4 Diffusion factor......Page 260
7.4.1 Momentum thickness of a boundary layer......Page 262
7.5.1 Efficiency......Page 265
7.5.2 Parametric calculations......Page 268
7.6.1 Blade shapes and terms......Page 270
7.6.2 Blade forces......Page 271
7.6.3 Other losses......Page 274
7.6.5 Flow deviation and incidence......Page 275
7.6.6 Multistage compressor......Page 277
7.6.7 Compressibility effects......Page 279
Exercises......Page 280
8 Centrifugal Compressors and Pumps......Page 283
8.1 Compressor analysis......Page 284
8.1.1 Slip factor......Page 285
8.1.2 Pressure ratio......Page 287
8.2 Inlet design......Page 292
8.2.1 Choking of the inducer......Page 296
8.3.1 Performance characteristics......Page 299
8.3.2 Diffusion ratio......Page 301
8.3.3 Blade height......Page 302
8.4 Vaneless diffuser......Page 303
8.5 Centrifugal pumps......Page 308
8.5.1 Specific speed and specific diameter......Page 312
8.7 Cavitation......Page 320
8.8.1 Vaneless diffuser......Page 323
8.8.2 Volute design......Page 324
Exercises......Page 327
9 Radial Inflow Turbines......Page 331
9.1 Turbine analysis......Page 332
9.2 Efficiency......Page 337
9.3 Specific speed and specific diameter......Page 341
9.4 Stator flow......Page 347
9.4.1 Loss coefficients for stator flow......Page 351
9.5 Design of the inlet of a radial inflow turbine......Page 355
9.5.1 Minimum inlet Mach number......Page 356
9.5.2 Blade stagnation Mach number......Page 361
9.5.3 Inlet relative Mach number......Page 363
9.6.1 Minimum exit Mach number......Page 364
9.6.2 Radius ratio r3s/r2......Page 366
9.6.3 Blade height-to-radius ratio b2/r2......Page 368
9.6.4 Optimum incidence angle and the number of blades......Page 369
Exercises......Page 374
10.1 Hydroelectric Power Plants......Page 377
10.2 Hydraulic turbines and their specific speed......Page 379
10.3 Pelton wheel......Page 381
10.4 Francis turbine......Page 388
10.5 Kaplan turbine......Page 395
10.6 Cavitation......Page 398
Exercises......Page 400
11.1 Fluid couplings......Page 403
11.1.1 Fundamental relations......Page 404
11.1.2 Flow rate and hydrodynamic losses......Page 406
11.1.3 Partially filled coupling......Page 408
11.2 Torque converters......Page 409
11.2.1 Fundamental relations......Page 410
11.2.2 Performance......Page 412
Exercises......Page 416
12 Wind turbines......Page 419
12.1 Horizontal-axis wind turbine......Page 420
12.2.1 Momentum Theory......Page 421
12.2.2 Ducted wind turbine......Page 425
12.2.3 Blade element theory and wake rotation......Page 427
12.2.4 Irrotational wake......Page 430
12.3.1 Nonrotating wake......Page 433
12.3.2 Wake with rotation......Page 437
12.3.3 Ideal wind turbine......Page 442
12.3.4 Prandtl's tip correction......Page 443
12.4 Turbomachinery and future prospects for energy......Page 447
Exercises......Page 448
A.1.1 Fundamental equations......Page 449
A.1.2 Formal solution......Page 453
Appendix B: Thermodynamic Tables......Page 455
References......Page 467
Index......Page 471