The paper describes the results of an experimental investigation of the heat transfer rate on the endwall surface within the plane turbine cascade passage and includes the effect of the heat transfer for the two different boundary layer thicknesses and Reynolds numbers. The limiting streamlines on the endwall surface have been visualized by the oil film method in order to compare with the endwall heat transfer. The hue-capturing method using the termochromatic liquid crystals with great spatial resolution has been used to provide the local distribution of the endwall heat transfer coefficients. Because the detailed contours of the local heat transfer coefficients over the entire endwall can be obtained from the hue-capturing method, it has been possible to obtain information on the endwall heat transfer within the plane turbine cascade passage from these heat transfer contours.
본 연구에서는 초음속 충동형 터빈의 유동특성을 알아보기 위해 소형 초음속 풍동을 설계하였으며 Single pass Schlieren system을 이용하여 유동을 가시화하였다. 실험은 2차원 초음속 노즐과 익렬을 조합하여 블레이드 앞전 형상과 노즐-익렬 간극에 따라 실시하였다. 실험을 통해 충격파를 포함한 복잡한 유동 형태와 노즐-익렬, 충격파-경계층 상호작용 등을 관찰할 수 있었다.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제35권7호
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pp.938-945
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2011
Unsteady flow simulations through a transonic turbine vane were carried out for an isentropic Mach number of 1.02 and a Reynolds number of $10^6$. The main objective of the study is to investigate the effect of unsteadiness due to vortex shedding on the flow in transonic regime. The steady and the time-averaged unsteady results by employing three different turbulence models: shear stress transport (SST), k-${\omega}$, and ${\omega}$ Reynolds stress models were compared. The comparisons were emphasized on the isentropic Mach number along the blade and total pressure loss at the cascade exit. The results showed that both steady and unsteady calculations have good agreement with experimental data along the blade surface. However, at cascade exit, the unsteady calculations have much better agreement with experimental data than steady calculations. Based on these, we conclude that the unsteady flow calculations are essential for these types of problems.
본 연구에서는 초음속 충동형 터빈 익렬의 유동특성을 알아보기 위해 소형 초음속 풍동을 설계하였으며 Single pass Schlieren system을 이용하여 유동을 가시화하였다. 실험은 3차원 초음속 노즐과 익렬을 조합하여 노즐 설치각에 따라 실시하였다. 실험을 통해 충격파를 포함한 복잡한 유동 형태와 노즐-익렬, 충격파-경계층 상호작용 등을 관찰할 수 있었다.
The working fluid from the combustor to the turbine stage of a gas turbine makes various boundary layer thickness. Since the inlet boundary layer thickness is one of the important factors that affect the turbine efficiency. It is necessary to investigate secondary flow and loss with various boundary layer thickness conditions. In the present study, the effect of various inlet boundary layer thickness on secondary flow and loss and the proper height of the boundary layer fences for various boundary layer thickness were investigated. Measurements of secondary flow velocity and total pressure loss within and downstream of the passage were taken under 5 boundary layer thickness conditions, 16, 36, 52, 69, 110mm. It was found that total pressure loss and secondary flow areas were increased with increase of thickness but they were maintained almost at the same position. At the fellowing research about the boundary layer fences, 1/6, 1/3, 1/2 of each inlet boundary layer thickness and 12mm were used as the fence heights. As a result, it was observed that the proper height of the fences was generally constant since the passage vortex remained almost at the same position. Therefore once the geometry of a cascade is decided, the location of the Passage vortex and the proper fence height are appeared to be determined at the same time. When the inlet boundary layer thickness is relatively small, the loss caused by the proper fence becomes bigger than endwall loss so that it dominates secondary loss. In these cases the proper fence hight is decided not by the cascade geometry but by the inlet boundary layer thickness as previous investigations.
Heat (mass) transfer characteristics have been investigated on the endwall of a large-scale linear turbine cascade passage under a combustor-level high free-stream turbulence with a large length scale. Local heat (mass) transfer coefficients are measured by using the naphthalene sublimation technique. The result shows that local heat (mass) transfer on the endwall is greatly enhanced in the central region of the turbine passage, but there is no noticeable change in the local heat (mass) transfer in the region suffering severe heat load. Under the high free-stream turbulence, the local heat (mass) transfer coefficient shows more uniform distribution and its average value across the whole endwall region is increased by 26% of that at low turbulence condition. The heat (mass) transfer data on the endwall strongly supports that well-organized vortices near the endwall tends to suffer an suppression by the high free-stream turbulence.
In order to simulate wake of stator and a gas turbine engine's balde row, acryl cylinder and a linear turbine cascade were used respectively in this study. Experimental of heat transfer distributions was done on the passage endwall and blade suction surface. Temperature distributions on the experimental regions were obtained through image processing system by using the cholesteric type liquid crystal which has chain structure of metyl$(CH_3)$. To represent the degree of heat transfer, dimensionless St number was used. The results show that heat transfer on the blade suction surface was increased due to the wake from the cylinder and was decreased as the distance between cylinder row and blade row increases. Because of groth of passage vortex, heat transfer distributions on the trailing edge area showed triangular shape which was little changed with wake. On the other hand, heat transfer on the passage endwall was decreased due to the wake from cylinder. As the distance between cylinder row and blade row increases, heat transfer was more decreased.
Heat (mass) transfer characteristics have been investigated on the endwall of a large-scale linear turbine cascade. Its profile is based on the mid-span of the first-stage rotor blade in a industrial gas turbine. By using the naphthalene sublimation technique, local heat (mass) transfer coefficients are measured for two different free-stream turbulence intensities of 1.3% and 4.7%. The results show that local heat (mass) transfer Stanton number is widely varied on the endwall, and its distribution depends strongly on the three-dimensional vortical flows such as horseshoe vortices, passage vortex, and corner vortices. From this experiment, severe heat loads are found on the endwall near the blade suction side as well as near the leading and trailing edges of the blade. In addition, the effect of the free-stream turbulence on the heat (mass) transfer is also discussed in detail.
The objective of this study is to document the secondary flow and the total pressure loss distribution in the contoured endwall installed linear turbine cascade passage and to propose an appropriate height of the contoured endwall which shows the best loss reduction among the simulated contoured endwall. In this study, three different contoured endwalls have been tested which have different height. This study was performed by numerical method and the result showed the contoured endwall which has the height of $5\%$ of the axial chord showed the best loss reduction rate.
Numerical investigations have been performed to examine the effects of the computational grids on the prediction of the flow characteristics inside the turbine cascades. Three kinds of grid system based on H-type grid are applied to the high-turning transonic turbine rotor blades and comparisons with the experimental data and the numerical results of each grid structure have been done. In addition, the grid sensitivity on the estimation of the blade performances has been investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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