In this study, two computational methodologies were compared to consider an effective conjugate heat transfer analysis technique for the cooled vane with thermal barrier coating. The first one is the physical modeling method of the TBC layer on the vane surface, which means solid volume of the TBC on the vane surface. The second one is the numerical modeling method of the TBC layer by putting the heat resistance interface condition on the surface between the fluid and solid domains, which means no physical layer on the vane surface. For those two methodologies, conjugate heat transfer analyses were conducted for the cooled vane with TBC layer having various thickness from 0.1 mm to 0.3 mm. Static pressure distributions for two cases show quite similar patterns in the overall region while the physical modeling shows quite a little difference around the throat area. Thermal analyses indicated that the metal temperature distributions are quite similar for both methods. The results show that the numerical modeling method can reduce the computational resources significantly and is quite suitable method to evaluate the overall performance of TBC even though it does not reflect the exact geometry and flow field characteristics on the vane surface.
Kim, Jinuk;Bak, Jeonggyu;Kang, Young-Seok;Cho, Jinsoo
The KSFM Journal of Fluid Machinery
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v.18
no.2
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pp.60-66
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2015
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 %.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2004.03a
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pp.713-721
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2004
Variable air intake and variable exhaust nozzle of hypersonic engines are designed and tested in this study. Dimensions for variable geometry air intake, ram combustor and variable geometry exhaust nozzle are defined based on the requirements of a pre-cooled turbojet engine. Hypersonic Ramjet Engine is designed as a scaled test bed for each component. Actuation forces of moving parts for variable intake and variable nozzle are reduced by balancing the other force in the opposite direction. A demonstrator engine which includes variable intake and variable nozzle is designed and the components are fabricated. Composite material with silicone carbide is applied for high temperature parts under oxidation environment such as leading edge of the variable intake and combustor liner. Internal cooling structure is adopted for both moving and static parts of the variable nozzle. Pressure recovery and mass capture ratio of the variable intake at Mach 5 is obtained by a hypersonic wind tunnel test. Flow characteristics of the variable nozzle are obtained by a low temperature flow test. Wall temperature and heat flux of the nozzle at Mach 3 is obtained by a firing test. As results, the intake and the nozzle are proved to be used at designed pressure and temperature environment.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.30
no.1
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pp.22-29
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2006
Gas turbine engine among Principal internal combustion engines has been mainly applied as an aero and industrial Power plant. In order to increase its thermal efficiency. it has been raised their pressure ratio of compressor and the turbine inlet temperature. To operate above the limit temperature of turbine material, turbine nozzle vanes should be cooled. For this the cooling air is bled from the compressor section of 9as turbine. Meanwhile, to keep high thermal efficiency of 9as turbine, turbine vanes are to be cooled by using small cooling air Therefore, the complex cooling passages are requested to be designed and evaluated the effectiveness of vane cooling by measuring turbine vane temperature. But it is very difficult or impossible for us to measure local turbine temperatures at actual temperature When local heat transfer coefficients are known these can be calculated, therefore this study has been investigated on obtaining these coefficients of turbine vane at room temperature using TLC.
Seo, Seong-Hyeon;Lee, Kwang-Jin;Han, Yeoung-Min;Kim, Seung-Han;Kim, Jong-Gyu;Seol, Woo-Seok
한국연소학회:학술대회논문집
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2003.12a
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pp.131-136
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2003
Experimental study on combustion characteristics of double swirl coaxial injectors has been conducted for the assessment of critical design parameters of injectors. A subscale thrust chamber has been fabricated with a water-cooled copper nozzle, which allows a chamber to be reused without replacing parts. Two different designs of injectors have been tested for the understanding of the effects of recess length on combustion. Clearly, the recess length drastically affects the combustion efficiency and hydraulic characteristics of the injector. Internal mixing of propellants in the injector with the recess number of two increases a combustion efficiency and reveals sound combustion although a pressure drop required for the similar amount of mass flow rates increases compared with the injector of the recess number of one.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.11
no.5
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pp.72-77
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2007
The combustion test results of the sub-scale combustor having dual swirl injector with internal mixing for a liquid rocket engine are described. The sub-scale combustor uses liquid oxygen(LOx) and kerosene as propellants and has an injector head, an ablative material combustor wall and a water cooled nozzle. The injector head has LOx manifold, fuel manifold, fire face plate, one center swirl injector and 18 main swirl injectors of internal mixing. The combustion tests were successfully performed at design and off-design points without any damages on the injectors. Combustion characteristics velocity of 1756m/s was measured at design point. High frequency combustion instability was not observed but low frequency pulsations occurred at off-design conditions.
The procedure of conceptual and detailed design of sub-scale combustor using bipropellant swirl or impinging injector with external or internal mixing for a liquid rocket engine are described in this paper. The sub-scale combustor uses liquid oxygen(LOx) and kerosene as propellants and has a injector head, an ablative material combustor wall and a water cooled nozzle. The injector head has LOx manifold, fuel manifold, fire face plate, one center swirl or impinging injector and 18 main swirl or impinging injectors.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2004.03a
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pp.125-130
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2004
Experimental study on combustion characteristics of double swirl coaxial injectors has been conducted for the assessment of critical injector design parameters. A reusable, unielement thrust chamber has been fabricated with a water-cooled copper nozzle. Two principle design parameters, a swirl angle and a recess length, have been investigated through hot firing tests for the understanding of their effects on high pressure combustion. Clearly, both parameters considerably affect the combustion efficiency, dynamics and hydraulic characteristics of an injector. Internal mixing of propellants in a recess region increases combustion efficiency along with the increase of a pressure drop required for flowing the same amount of mass flow rates. It is concluded that pressure buildup due to flame can be released by the increase of LOx flow axial momentum or the reduction of a recess length. Dynamic pressure measurements of the thrust chamber show varied dynamic behaviors depending on injector configurations.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.8
no.1
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pp.54-60
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2004
Experimental study on combustion characteristics of double swirl coaxial injectors has been conducted for the assessment of critical injector design parameters. A reusable, subscale thrust chamber has been fabricated with a water-cooled copper nozzle. Two different configurations of injectors have been tested for the understanding of the effects of recess length on high pressure combustion. Clearly, the recess length drastically affects the combustion efficiency and hydraulic characteristics of an injector. Internal mixing of propellants in an injector with recess number of two increases a combustion efficiency and reveals sound combustion although a pressure drop required for the same amount of mass flow rates increases compared with an injector of recess number of one.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.8
no.2
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pp.85-94
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2004
Experimental study on combustion characteristics of double swirl coaxial injectors has been conducted for the assessment of critical injector design parameters. A reusable, unielement thrust chamber has been fabricated with a water-cooled copper nozzle. Two principal design parameters. a swirl angle and a recess length, have been investigated through hot firing tests for the understanding of their effects on high pressure combustion. Clearly, both parameters considerably affect the combustion efficiency, dynamics and hydraulic characteristics of an injector. Internal mixing of propellants in a recess region increases combustion efficiency along with the increase of a pressure drop required for flowing the same amount of mass flow rates. It is concluded that pressure buildup due to flame can be released by the increase of LOx flow axial momentum or the reduction of a recess length. Dynamic pressure measurements of the thrust chamber show varied dynamic behaviors depending on injector configurations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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