본 연구에서는 램제트 연소실에서의 재순환 유동이 슬롯 막냉각에 미치는 영향에 대하여 실험을 수행하였다. 램제트 연소실 입구의 경사진 확장면 돌출부에 의해 발생된 재순환 유동이 다단 슬롯 중 첫 번째 슬롯에 영향을 미치도록 실험 장치를 구성하여, 슬롯 출구 하류에서의 속도장, 온도장 및 단열 막냉각 효율을 측정하였다. 재순환 유동의 영향에 들어가는 슬롯에서 분사된 냉각유체는 재순환 유동의 높은 전단력과 난류강도로 인해 분사 직후 급격히 주유동과 혼합되어, 재순환 영역에 포함되지 않은 슬롯보다 냉각 성능이 감소함을 결과를 통해 확인하였다.
We used a cylindrical model which simulates turbine blade leading edge to investigate the effects of free-stream turbulence intensity and blowing ratio on film cooling of turbine blade leading edge. Tests are carried out in a low-speed wind tunnel on a cylindrical model with three rows of injection holes. Mainstream Reynolds number based on the cylinder diameter was $7.1\times10^4$. Two types of turbulence grid are used to increase a free-stream turbulence intensity. The effect of coolant blowing ratio was studied for various blowing ratios. For each blowing ratios, wall temperatures around the surface of the test model are measured by thermocouples installed inside the model. Results show that blowing ratios have small effect on spanwise-averaged film effectiveness at high free-stream turbulence intensity. However, an increase in free-stream turbulence intensity enhances significantly spanwise-averaged film effectiveness at low blowing ratio.
연소실 내부에서 주유동의 난류강도가 엇갈린 배열의 사각홀의 막냉각 성능에 미치는 영향에 대하여 실험을 수행하였으며, 주유동의 $10\%$ 난류강도 하에서 온도장 및 단열 막냉각 효율이 측정되어졌다. 온도장의 결과는 주유동의 높은 난류강도에 의해 전체적인 값들이 감소하고, 두터운 냉각유체 막이 형성됨을 보였으며, 흘 인접영역에서 주유동의 높은 난류강도에 의해 낮은 막냉각 효율 값을 보이지만, 하류로 진행함에 따라 냉각성능의 차이가 줄어듦을 보였다.
고온의 연소가스로부터 노즐 표면을 보호하기 위하여 슬롯을 통하여 냉각 유체를 분사하는 슬롯 막냉각에 대하여 연구하였다. 냉각효율 및 열전달 특성은 주유동과 2차 유동의 분사율에 따라 크게 달라지며, 형상변화 및 유동가속에 의해서도 냉각 효과의 변화를 가져오게 된다. 본 연구에서는 실험을 통하여 축소노즐에서 분사율 변화에 따른 슬롯 막냉각 열전달 특성을 고찰하고, 평판 슬롯 막냉각 경험식의 결과와 비교하였으며, 수치해석을 통하여 축소노즐과 원형관에서의 냉각효율 및 열전달 특성도 비교하였다. 상대적으로 낮은 분사율에서 분사율 증가에 따른 냉각효율의 증가가 크게 나타났으며, 일정 분사율 이상에서는 냉각 효율의 증가가 크게 둔화되었다
Conjugate heat transfer analysis was performed to investigate the flow and cooling performance of the high pressure turbine nozzle of gas turbine engine. The CHT code was verified by comparison between CFD results and experimental results of C3X vane. The combination of k-${\omega}$ based SST turbulence model and transition model was used to solve the flow and thermal field of the fluid zone and the material property of CMSX-4 was applied to the solid zone. The turbine nozzle has two internal cooling channels and each channel has a complex cooling configurations, such as the film cooling, jet impingement, pedestal and rib turbulator. The parabolic temperature profile was given to the inlet condition of the nozzle to simulate the combustor exit condition. The flow characteristics were analyzed by comparing with uncooled nozzle vane. The Mach number around the vane increased due to the increase of coolant mass flow flowed in the main flow passage. The maximum cooling effectiveness (91 %) at the vane surface is located in the middle of pressure side which is effected by the film cooling and the rib turbulrator. The region of the minimum cooling effectiveness (44.8 %) was positioned at the leading edge. And the results show that the TBC layer increases the average cooling effectiveness up to 18 %.
Film cooling characteristics has been investigated numerically with the aid of FLUENT software for the sunk or the lifted upstream wall from the slot injection exit. In this study, with the fixed blowing ratio of 1 and the fixed coolant injection angle of $30^{\circ}$, the downstream flow field and the downstream temperature field were examined in terms of velocity vector, turbulent kinetic energy, temperature contours, and downstream wall temperature. Upstream wall was sunk or lifted from 1d to 5d(d=slot width). The result shows that the up-Id upstream wall has the best film cooling performance. This is due to the fact that the up-1d upstream wall configuration reduces velocity gradient just enough to minimize the turbulent mixing between the mainstream and the coolant just off the slot exit.
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 a turbine blade, cylindrical body model is used. Mainstream Reynolds number based on the cylinder diameter is $7.1{\times}10^4$. The effects of coolant flow rates are studied for blowing ratios of 0.7, 1.0, 1.3 and 1.7, respectively. The temperature distribution of the cylindrical model surface is visualized with 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.
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.
본 연구에서는 전산해석을 통해 냉각 터빈 블레이드 팁 간극의 유동 및 열전달 특성을 연구하였다. 1단 고압터빈 노즐 출구에서 획득한 속도, 온도 프로파일을 로터의 입구에 적용하여 로터 도메인을 대상으로 전산해석을 하였다. 스퀼러 팁이 적용된 블레이드의 팁 간극을 스팬의 1%부터 2.5%로 조절하여 팁 간극의 공력 손실, 열전달 계수와 막냉각 효율의 영향을 고찰했다. 팁 간극이 커질수록 출구에서 공력 손실과 블레이드 끝단 표면에서 열전달 계수는 증가하였다. 특히 팁 간극이 스팬의 2%일 때 평균 열전달 계수가 급격히 증가하였다. 팁 영역의 막냉각 효율은 팁 간극이 작을수록 높았고, 캐비티 내부 냉각 홀 근처의 막냉각 효율이 높았다.
Kim, Kyung-Min;Lee, Dong-Hyun;Cho, Hyung-Hee;Kim, Moon-Young
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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제2권1호
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pp.55-60
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2009
The present study investigated temperature and thermal stress distributions in a film cooling system with normal injection cooling flow. 3D-numerical simulations using the FEM commercial code ANSYS were conducted to calculate distributions of temperature and thermal stresses. In the simulations, the surface boundary conditions used the surface heat transfer coefficients and adiabatic wall temperature which were converted from the Sherwood numbers and impermeable wall effectiveness obtained from previous mass transfer experiments. As a result, the temperature gradients, in contrast to the adiabatic wall temperature, were generated by conduction between the hot and cold regions in the film cooling system. The gradient magnitudes were about 10~20K in the y-axis (spanwise) direction and about 50~60K in the x-axis (streamwise) direction. The high thermal stresses resulting from this temperature distribution appeared in the side regions of holes. These locations were similar to those of thermal cracks in actual gas turbines. Thus, this thermal analysis can apply to a thermal design of film cooling holes to prevent or reduce thermal stresses.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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