An experimental study has been conducted to measure the temperature fields and the local film cooling effectiveness for two and three staggered rows of the rectangular shaped-holes with various blowing rates. The hydraulic diameter of rectangular-shaped hole is 10mm. To compare with the film cooling performance of rectangular-shaped hole, two kinds of circular holes are tested. One has the same hydraulic diameter as the rectangular hole and the other has the same cross sectional area. Also, rectangular holes with expanded exit with same inlet area as rectangular ones are tested. Temperature fields are measured using a thermocouple rake attached on three-axis traversing system. Adiabatic film cooling effectiveness on the surface are obtained based on experimental results of thermochromic liquid crystals. The film cooling effectiveness is measured for various blowing rates and compared with the results for the cylindrical holes. In case of 2 rows, the rectangular holes has better performance than circular holes due to its slot-like geometry. In case of 3 rows, the effecta of hole shape is not clear.
본 연구에서는 화염 안정기 형상이 램제트 연소실에서의 단열 막냉각 효율에 미치는 영향에 대하여 실험을 수행하였다. 램제트 연소실 입구의 경사진 확장면의 끝에 화염안정기 형상을 설치하여 화염안정기에 의해 발생된 난류 유동이 다단 슬롯에 영향을 끼치도록 실험 장치를 구성하여, 화염안정기 형상을 탈부착 시키면서, 슬롯 출구 하류에서의 단열 막냉각 효율을 측정하였다. 화염 안정기를 설치하였을 경우 화염안정기에 의해 발생된 유동의 높은 전단력과 난류강도로 급격히 주유동과 혼합되어, 화염안정기가 설치되지 않은 경우에 비해 전체적으로 냉각 성능이 감소함을 결과를 통해 확인하였다.
본 연구에서는 가스터빈 블레이드의 냉각을 위해 사용되는 막냉각 홀을 대상으로 다양한 형상변수들이 막냉각 효율에 미치는 영향을 평가하기 위한 수치적 연구를 수행하였다. 삼차원 압축성 Reynolds-averaged Navier-Stokes 해석을 수행하였으며, 난류모델로는 shear stress transport 모델이 사용되었다. 해석을 통해 홀의 형상, 측면 방향 분사각, 홀의 주기 및 분사율이 막냉각 효율에 미치는 영향이 평가되었다. 해석결과, 원통형홀의 경우 측면 방향 분사각이 존재할 때 월등히 향상된 막냉각 효율을 보여주었으며, 홴형상 홀의 경우 측면 방향 분사각이 $20^{\circ}{\sim}30^{\circ}$일 때 가장 높은 막냉각 효율을 보여주었다. 또한 홀의 주기의 변화에 따른 성능평가 결과 높은 분사율일 때가 낮은 분사율의 경우보다 홀의 주기에 의존하는 경향을 보였다.
A numerical study has been performed for the 2-dimensional film cooling employed in the cooling of hot components such as gas turbines. The flow and heat transfer characteristics are numerically simulated using FLUENT software. Blowing ratios vary from 0.25 to 5.0 and coolant injection angles vary from $15^{\circ}\;to\;60^{\circ}\;in\;15^{\circ}$ increment. The result shows that, for all cases, there exists a blowing ratio which maximizes film cooling effect (measured by the distance from the slot exit to the downstream wall location at which temperature increases to 900 K) for a given injection angle. It is also observed that the film cooling effectiveness decreases when downstream wall is sunk or lifted. The simulation has been performed using both constant properties and temperature dependent variable properties. It is found that the cases with constant properties overestimate the film cooling effect considerably.
1단 베인 엔드월에서 막냉각 성능을 증가시키기 위해서 본 연구를 진행하였다. 1단 베인에서의 유동 및 막냉각 특성을 분석하기 위해 수치해석을 진행하였고, 유동특성을 고려하여 서로다른 6가지의 막냉각 홀 배열을 설계하였다. 그 결과, 기본형상의 경우 냉각유체가 흡입면으로 편향되면서 압력면과 노즐 목에서 낮은 냉각 효율을 나타냈다. 반면 일부 홀들을 압력면을 따라 설치한 경우, 횡방향 유동이 냉각유체에 미치는 영향이 감소하여 압력면과 노즐 목에서 막냉각 효율이 증가하였다. 이에 기존 막냉각 홀 배열보다 막냉각 효율이 16% 증가하였다.
In order to investigate the effects of various injection hole shapes on the film cooling of turbine blade, three test models having cylindrical and shaped holes were used. A three-dimensional Navier-Stokes code with standard k-$\epsilon$ model was used to compute the film cooling coefficient on the film cooled turbine blade. Over 330,000 grids were used to compute the flow over the blade. Mainstream Reynolds number based on the cylinder diameter was $7.1{\times}10^4$. The turbulence intensity kept at $5.0\%$ for all inlets. The effect of coolant blowing ratio was studied for various blowing ratios. For each blowing ratios, wall temperatures around the surface of test model were calculated. Temperature was visualized using cartesian cut-cell method to obtain traces of the injected secondary air on the test surface, so we could interpret the film effectiveness as temperature distributions.
The effects of hole expansion angle and the arrangement of nozzles on a film cooling system for a turbine-blade-shaped surface were experimentally investigated. Liquid crystal with flue-temperature correlation and an image processing system were employed to evaluate surface temperature. Distributions of cooling effectiveness were then presented to figure out the change of heat transfer characteristics with different geometric conditions of cooling-holes. It was found thats the averaged cooling efficiency on the suction surface was maximum with 10 degree of the cooling hole expansion angle. It was also shown that the averaged cooling efficiency on the pressure surface and the averaged cooling efficiency for dual array case were not affected by the hole expansion angle.
An experiment has been conducted on the flow and heat transfer characteristics of film coolant injected from a row of five holes with compound angle orientations of 35$^{\circ}$ inclination angle and 45$^{\circ}$ orientation angle. The Reynolds number based on the mainstream velocity and injection hole diameter 3.58${\times}$10$^4$. Three-dimensional velocity, film cooling effectiveness and heat transfer coefficient data are presented at three different mass flux ratios of 0.5, 1.0 and 2.0. Flow entrainment has been found between the vortices generated by adjacent injectants. The injectant with compound angle orientation entrains not only the mainstream boundary layer flow but also the adjacent injectant. Because of the flow entrainment, the injectant. With compound angle orientation is characterized by a single vortex while two bound vortices are usually observed in the case of simple angle injection. The strength of the secondary flow depends strongly on the mass flux ratio, which shows significant influence on the film cooling effectiveness and heat transfer coefficient.
Dispersion of coolant jets in a film cooling flow field is the result of a highly complex interaction between the film cooling jets and the mainstream. In order to investigate the effect of blowing ratios on the film cooling of turbine blade, cylindrical body model was used. Mainstream Reynolds number based on the cylinder diameter was $7.1{\times}10^4$. The effect of coolant flow rates was studied for blowing ratios of 0.7, 0.9, 1.2 and 1.5, respectively. The temperature distribution of the cylindrical model surface is visualized by infrared thermography (IRT). Results show that the film-cooling performance could be significantly improved by the shaped injection holes. For higher blowing ratio, the spanwise-diffused injection holes are better due to the lower momentum flux away from the wall plane at the hole exit.
Periodic pulsations in the static pressure near turbine surfaces as blade rows move relative to each other is one of the important sources of turbine unsteadiness. The present experiment aims to investigate the effect of the static pressure pulsations on the interaction of film coolant flows from two rows of staggered holes with mainstream and its effect on film cooling heat transfer. Potential flow pulsations are generated by the rotating shutter mechanism installed downstream of the test section, The free-stream Strouhal number based on the boundary layer thickness is in the range of 0.033 - 0.33, and the amplitude of about 10-20%. Measured are time-averaged and phase-averaged velocity variations, pressure variations and temperature distributions of the flow field. Experimental conditions are identified by boundary layer measurements. Injectant behavior is characterized by the measurements of unsteady pressure in the plenum chamber and free-stream static pressure. The film cooling effectiveness is evaluated from the insulated wall temperature measurement. It has been found that bulk flow pulsation provides very large diffusion of the injectants and the effectiveness is significantly reduced by the flow pulsations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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