The flow and heat/mass transfer characteristics on the squealer tip surface of a high-turning turbine rotor blade have been investigated at a Reynolds number of $2.09{\times}10^5$, by employing the oil-film flow visualization and naphthalene sublimation technique. The squealer rim height-to-chord ratio and tip gap height-to-chord ratio are fixed as typical values of $h_{st}/c$ = 5.5% and h/c = 2.0%, respectively, for turbulence intensities of Tu = 0.3% and 15%. The results show that the near-wall flow phenomena within the cavity of the squealer tip are totally different from those over the plane tip. There are complicated backward flows from the suction side to the pressure side near the cavity floor, in contrast to the plane tip gap flows moving toward the suction side after flow separation/reattachment. The squealer tip provides a significant reduction in tip surface thermal load with less severe gradient compared to the plane tip. In this study, the tip surface is divided into six different regions, and transport phenomena at each region are discussed in detail. The mean thermal load averaged over the squealer cavity floor is augmented by 7.5 percents under the high inlet turbulence level.
Three-dimensional flow and aerodynamic loss in the tip-leakage flow region of a high-turning first-stage turbine rotor blade with a squealer tip have been measured with a straight miniature five-hole probe for the tip gap-to-chord ratio, h/e, of 2,0%. This squealer tip has a indent-to-chord ratio, $h_{st}/c$, of 5.5%. The results are compared with those for a plane tip ($h_{st}/c\;=\;0.0%$). The squealer tip tends to reduce the mass flow through the tip gap and to suppress the development of the tip-leakage vortex. Therefore, it delivers lower aerodynamic loss in the near-tip region than the plane tip does. At the mid-span, however, the aerodynamic loss has nearly the same value for the two different tips.
Numerical calculations are performed to simulate the film cooling effect of turbine blade tip with squealer rim. Because of high temperature of inside rim, squealer rim is damaged easily. Therefore many various cooling systems were used. The calculations are based on 100,000 Reynolds number in linear cascade model. A blade has 2% tip clearance and 8.4% rim height. The axial chord length and turning angle is 237mm, 126$^{\circ}$. Numerical calculations are performed without and with film cooling. In a film cooling in the cavity, hot spots of cavity were cooled effectively. However hot spots of suction side rim still remains. The CFD results show that the circulation flow in cavity of squealer tip affects the temperature rise of squealer rim. To maintain the blade integrity and avoid the excessive hot spot of blade, rearrangement of cooling hole is needed.
Three-dimensional flow and aerodynamic loss in the tip-leakage flow region of a high-turning first-stage turbine rotor blade with a squealer tip have been measured with a straight miniature five-hole probe for the tip gap-to-chord ratio, h/c, of 2.0%. This squealer tip has a indent-to-chord ratio, $h/{st}/c$, of 5.5%. The results are compared with those for a plane tip $(h_{st}/c=0.0%)$. The squealer tip tends to reduce the mass flow through the tip gap and to suppress the development of the tip-leakage vortex. Therefore, it delivers lower aerodynamic loss in the near-tip region than the plane tip does. At the mid-span, however, the aerodynamic loss has nearly the same value for the two different tips.
The effects of squealer rim height on three-dimensional flows and aerodynamic losses downstream of a high-turning turbine rotor blade have been investigated for a typical tip gap-to-chord ratio of h/c=2.0%. The squealer rim height-to-chord ratio is changed to be $h_{st}/c$=0.00(plane tip), 1.37, 2.75, 5.51, and 8.26%. Results show that as $h_{st}/c$ increases, the tip leakage vortex tends to be weakened and the interaction between the tip leakage vortex and the passage vortex becomes less severe. The squealer rim height plays an important role in the reduction of aerodynamic loss when $h_{st}/c{\leq}2.75%$. In the case of $h_{st}/c{\geq}5.51%$, higher squealer rim cannot provide an effective reduction in aerodynamic loss. The aerodynamic loss reduction by increasing $h_{st}/c$ is limited only to the near-tip region within a quarter of the span from the casing wall.
Detailed heat transfer coefficient distributions an two. types of gas turbine blade tip, plane tip and squealer tip, were measured using a hue-detection base transient liquid crystals technique.. The heat transfer coefficients an the shroud and near tip regions of the pressure and suction sides af the blade were also. measured. The heat transfer measurements were taken at the three different tip gap clearances af 1.0%, 1.5%, and 2.5% of blade span. Results shaw the overall heat transfer coefficients on the tip and shroud with squealer tip blade were lower than those with plane tip blade. By using squealer tip, however, the reductions af heat transfer coefficients near the tip regions of the pressure and suction sides were nat remarkable.
In this paper, a numerical simulation of three-dimensional flow field and heat transfer coefficient distribution are conducted for two types of gas turbine blade with plane and squealer tips. The numerical results show that gas turbine blade with squealer tip considerably changes the flow structures near the tip regions of pressure and suction sides, so the overall heat transfer coefficients on the tip and shroud with squealer tip are lower than those with the plane tip blade. Finally, the effect of tip gap clearance on the flow field and heat transfer characteristics are investigated.
본 연구에서는 압력면윙렛/흡입면스퀼러형 터빈 동익 팁에 대하여 익렬 하류에서 3차원 유동 및 압력손실을 측정하였다. 팁간극비 h/s = 1.36%에 대하여, 흡입면스퀼러의 높이는 $h_s/s$ = 3.75%로 일정하게 유지하고, 압력면윙렛의 폭은 w/p = 2.64%, 5.28%, 7.92%, 10.55% 등으로 변화시키면서 실험을 수행하였다. 그 결과, 본 연구의 팁은 평면팁 대비 통로와류 영역에서 압력손실의 저감 효과가 매우 뛰어났지만, 팁누설와류 영역에서는 오히려 압력손실을 크게 증가시켰다. 본 연구의 질량평균 압력손실은 평면팁에 비해 크게 낮았지만, 전면스퀼러팁보다는 더 크게 나타났다. 압력면윙렛의 폭이 증가할수록 질량평균 압력손실은 감소하는 경향을 보였다.
The effect of channel cutback on three-dimensional flow fields and aerodynamic losses downstream of a cavity squealer tip has been investigated in a turbine rotor cascade for the squealer rim height-to-chord ratio and tip gap height-to-chord ratio of $h_{st}/c$ = 5.51% and h/c = 2.0% respectively. The cutback length-to-camber ratio is changed to be $CB/c_c$ = 0.0, 0.1, 0.2 and 0.3. The results show that longer cutback delivers not only stronger secondary flow but also higher aerodynamic loss in the tip leakage vortex region, meanwhile it leads to lower aerodynamic loss in the passage vortex region. The discharge of cavity fluid through the cutback opening provides a beneficial effect in the reduction of aerodynamic loss, whereas there also exists a side effect of aerodynamic loss increase due to local wider tip gap near the trailing edge. With increasing $CB/c_c$ from 0.0 to 0.3, the aerodynamic loss coefficient mass-averaged all over the measurement plane tends to increase slightly.
The effect of pressure-side opening length on three-dimensional flow fields and aerodynamic losses downstream of a cavity squealer tip has been investigated in a turbine rotor cascade for the squealer rim height-to-chord ratio and tip gap height-tochord ratio of $h_{st}/c$ = 5.05% and h/c = 2.0% respectively. The opening length-to-camber ratio is changed to be $OL/c_c$ = 0.0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, and 0.7 The results show that longer OL leads not only to weaker secondary flow but also to lower aerodynamic loss in the tip leakage vortex region, while it significantly widens the area with high aerodynamic loss in the passage vortex region. The aerodynamic loss coefficient mass-averaged all over the measurement plane is kept almost constant for $0.0{\leq}OL/c_c{\leq}0.3$, whereas it increases rapidly for $OL/c_c$ > 0.3 in proportion to $OL/c_c$. There is little deterioration in flow turning with increasing $OL/c_c$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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