본 연구에서는 막냉각되는 터빈블레이드에서의 열전달 계수를 측정하기 위하 여 열전달과 물질전달의 상사관계를 이용하였다.터빈블레이드의 선단을 다른 연구 에서와 마찬가지로 원봉으로 모사하였고, 원봉의 표면에 위치하고 있는 1열의 분사홀 로부터 제트가 분사될 때 분사홀 근처 및 그 하류에서의 물질 전달계수를 측정하기 위 해 나프탈렌승화법을 이용하였다. 분사홀 열의 위치를 정체점에서 하류방향으로 이 동시키면서, 물질전달계수의 변화를 연구하였고, 분사율(M=.rho.$_{j}$ U$_{j}$ /.rho.$_{\infty}$ U$_{\infty}$)의 영향도 고찰하였다.
The present study investigates convective heat/mass transfer and flow characteristics inside the cooling passage of the gas-turbine blades. It is important to increase not only the heat transfer rates but also the uniformity of heat transfer in the cooling passage. The square duct has compound-angled ribs with $60^{\circ},\;70^{\circ}$ and $90^{\circ}$ attack angles, which are installed on the test plate surfaces. a naphthalene sublimation technique is employed to determine the detailed local heat transfer coefficients using the heat and mass transfer analogy. The ribs disturb the main flow resulting in the recirculation and secondary flows near the ribbed wall and the vertices near the side-wall. The local heat transfer and the secondary flow in the duct are changed largely according to the rib orientation. Therefore, geometry and arrangement of the ribs are important fur the advantageous cooling performance. The angled ribs increase the heat transfer discrepancy between the wall and center regions because of the interaction of the secondary flows. The average heat/mass transfer coefficient and pressure drop of the ribs with the $60^{\circ}$$-90^{\circ}$ compound-angle are higher than those with the $60^{\circ}$ attack angle. Also, the thermal efficiency of the compound-angled rib is higher than that with the $60^{\circ}$ attack angle. The uniformity of heat/mass transfer coefficient on the cross ribs may is higher than that on the parallel ribs array.
The effect of relative position of the stationary turbine blade for the fixed vane has been investigated on blade tip and shroud heat transfer. The local mass transfer coefficients were measured on the tip and shroud fur the blade fixed at six different positions within a pitch. A low speed stationary annular cascade with a single turbine stage was used. The chord length of the tested blade is 150 mm and the mean tip clearance of the blade having flat tip is 2.5% of the blade chord. A naphthalene sublimation technique was used for the detailed mass transfer measurements on the tip and the shroud. The inlet flow Reynolds number based on chord length and incoming flow velocity is fixed to $1.5{\times}10^5$. The results show that the incoming flow condition and heat transfer characteristics significantly change when the relative position of the blade changes. On the tip, the size of high heat/mass transfer region along the pressure side varies in the axial direction and the difference of heat transfer coefficient is up to 40% in the upstream region of the tip because the position of flow reattachment changes. On shroud, the effect of tip leakage vortex on the shroud as well as tip gap entering flow changes as the blade position changes. Thus, significantly different heat transfer patterns are observed with various blade positions and the periodic variation of heat transfer is expected with the blade rotation.
The present study investigates convective heat/mass transfer and flow characteristics inside a cooling passage of rotating gas-turbine blades. The rotating duct has staggered ribs with $70^{\circ}$ attack angle, which are attached on leading and trailing surfaces. Naphthalene sublimation technique is employed to determine detailed local heat transfer coefficients using the heat and mass transfer analogy. Additional numerical calculations are conducted to analyze the flow patterns in the cooling passage. The present experiments employ two-surface heating conditions in the rotating duct because the exposed surfaces to hot gas stream are pressure and suction side surfaces in the middle passages of an actual gas-turbine blade. Secondary flows are generated by Coriolis and centrifugal forces in the spanwise and streamwise directions. The ribs attached on the walls disturb the mainflow resulting in recirculation and secondary flows near the ribbed wall. The local heat transfer and flow patterns in the passage are changed significantly according to rib configurations and duct rotation speeds. Therefore, the geometry and arrangement of the ribs are important for the advantageous cooling performance. The experimental results show that the ribs enhance the heat transfer more than $70\%$ from that of the smooth duct. The duct rotation generates the heat transfer discrepancy between the leading and trailing walls due to the secondary flows induced by the Coriolis force. The overal heat transfer pattern on the leading and trailing walls for the first and second passes are depended on the rotating speed, but the local heat transfer trend is affected mainly by the rib arrangements.
Impingement/effusion cooling technique is used for combustor liner or turbine parts cooling in gas turbine engine. In the impingement/effusion cooling system, the crossflow generated in the cooling channel induces an adverse effect on the cooling performance, which consequently affects the durability of the cooling system. In the present study, to reduce the adverse effect of the crossflow and improve the cooling performance, circular pin fins are installed in impingement/effusion cooling system and the heat transfer characteristics are investigated. The pin fins are installed between two perforated plates and the crossflow passes between these two plates. A blowing ratio is changed from 0.5 to 1.5 for the fixed jet Reynolds number of 10,000 and five circular pin fin arrangements are considered in this study. The local heat/mass transfer coefficients on the effusion plate are measured using a naphthalene sublimation method. The results show that local distributions of heat/mass transfer coefficient are changed due to the installation of pin fins. Due to the generation of vortex and wake by the pin fin, locally low heat/mass transfer regions are reduced. Moreover, the pin fin prevents the wall jet from being swept away, resulting in the increase of heat/mass transfer. When the pin fin is installed in front of the impinging let, the blockage effect on the crossflow enhances the heat/mass transfer. However, the pin fin installed just behind the impinging jet blocks up the wall jet, decreasing the heat/mass transfer. As the blowing ratio increases, the pin fins lead to the higher Sh value compared to the case without pin fins, inducing $16\%{\~}22\%$ enhancement of overall Sh value at high blowing ratio of M=1.5.
The heat/mass transfer characteristics in a rotating two-pass duct with and without rib turbulators are investigated in the present study. The square duct has a hydraulic diameter ($D_h$) of 26.7 mm, and $1.5\;mm{\times}1.5\;mm$ square $90^{\circ}$-rib turbulators are attached on the leading and trailing walls. The pitch-to-rib height ratio (p/e) is 10. The Reynolds number based on the hydraulic diameter is kept constant at 10,000 to exclude the Reynolds effect, and the rotation number is varied from 0.0 to 0.20. In the smooth duct, the curvature of the $180^{\circ}$-turn produces Dean vortices that enhance heat/mass transfer in the post-turn region. When rib turbulators are installed, heat/mass transfer is augmented 2.5 times higher than that of the smooth duct since the main flow is turbulated by reattaching and separating in the vicinity of the duct surfaces. The duct rotation results in heat/mass transfer discrepancy so that Sherwood number ratios are higher on the trailing surface in the first-pass and on the leading surface in the second-pass. In the turning region, Dean vortices shown in the stationary case transform into one large asymmetric vortex cell, and subsequent heat/mass transfer characteristics also change. As the rotation number increases, the heat/mass transfer discrepancy enlarges.
The present study has been conducted to investigate the effect of discrete ribs and rotation on heat/mass transfer characteristics in a two-pass square duct with $90^{\circ}-rib$ turbulators. The rib turbulator has a square cross section of 1.5 mm. The rib height-to-hydraulic diameter ratio $({e/D_{h})$ is 0.056, and the rib pitch-to-rib height ratio (p/e) is 10. The gap width is the same as the rib height. The rotation number ranges from 0.0 to 0.2 while Reynolds number is fixed to 10,000. In a stationary duct, the heat/mass transfer on the surfaces with discrete ribs is enhanced because the gap flow promotes local turbulence and flow mixing near the ribbed surface. In a rotating duct, the gap flow affects differently the heat/mass transfer on leading and trailing surfaces with discrete ribs. On the leading surface of the first pass, heat/mass transfer is increased due to the gap flow. On the trailing surface of the first pass, however, heat/mass transfer is decreased because the gap flow disturbs reattachment of main flow. The phenomenon, that is, the difference of heat transfer between the leading and the trailing surfaces is distinctly presented by rotation.
The present study investigates heat/mass transfer and flow characteristics in a ribbed rotating passage with turning region. The duct has an aspect ratio (W/H) of 0.5 and a hydraulic diameter ($D_h$) of 26.67 mm. Rib turbulators are attached in the cross arrangement on the leading and trailing surfaces of the passage. The ribs have a rectangular cross section of $2\;mm\;(e){\times}\;mm\;(w)$ and an attack angle of $70^{\circ}$. The pitch-to-rib height ratio (p/e) is 7.5, and the rib height-to-hydraulic diameter ratio ($e/D_h$) is 0.075. The rotation number ranges from 0.0 to 0.20 while the Reynolds number is constant at 10,000. To verify the heat/mass transfer augmentation, internal flow structures are calculated for the same conditions using a commercial code FLUENT 6.1. The heat transfer data of the smooth duct for various Ro numbers agree well with not only the McAdams correlation but also the previous studies. The cross-rib turbulators significantly enhance heat/mass transfer in the passage by disturbing the main flow near the surfaces and generating one asymmetric cell of secondary flow skewing along the ribs. Because the secondary flow is induced in the first-pass and turning region, heat/mass transfer discrepancy is observed in the second-pass even for the stationary case. When the passage rotates, heat/mass transfer and flow phenomena change. Especially, the effect of rotation is more dominant than the effect of the ribs at the higher rotation number in the upstream of the second-pass.
The present study investigates the effects of various rib arrangements and rotating on heat/mass transfer in the cooling passage of gas turbine blades. The cooling passage has very complex flow structure, because of the rib turbulator and rotating effect. Experiments and numerical calculation are conducted to investigate the complex flow structures and heat transfer characteristics; the numerical computation is performed using a commercial code, FLUENT ver.5, to calculate the flow structures and the experiments are conducted to measure heat/mass transfer coefficients using a naphthalene sublimation technique. For the rotating duct tests, the test duct, which is the cross section of is $20mm\times40mm$ (the hydraulic diameter, $D_h$, of 26.7 mm, has two-pass with $180^{\circ}$ turning and the rectangular ribs on the wall. The rib angle of attack is $70^{\circ}$ and the maximum radius of rotation is $21.63D_h$. The partition wall has 10 mm thickness, which is 0.5 times to the channel width, and the distance between the tip of the partition wall and the outer wall of the turning region is 26.7 mm $(1D_h)$. The turning effect of duct flow makes the very complex flow structure including Dean type vortex and high turbulence, so that the heat/mass transfer increases in the turning region and at the entrance of the second pass. The Coriolis effect deflects the flow to the trailing surface, resulting in enhancement of the heat/mass transfer on the trailing surface and reduction on the leading surface in the first pass. However, the opposite phenomena are observed in the second pass. The each rib arrangement makes different secondary flow patterns. The complex heat/mass transfer characteristics are observed by the combined effects of the rib arrangements, duct rotation and flow turning.
The effect of tip gap height on heat/mass transfer characteristics on the floor of cavity squealer tip has been investigated in a turbine cascade for power generation by employing the naphthalene sublimation technique. The squealer rim height is chosen to be an optimal one of $h_{st}/c$ = 5.51% for the tip gap height-to-chord ratios of h/c = 1.0, 2.0, 3.0 and 4.0%. The results show that heat transfer on the cavity floor is strongly dependent upon the behavior of the cavity flow falling down onto the floor. For lower h/c, the floor heat transfer is influenced by the tip leakage flow falling down along the inner face of the suction-side squealer, whereas the floor heat transfer for higher h/c is augmented mainly due to the impingement of leakage flow on the floor near the leading edge. Compared to the plane tip surface heat transfer, the cavity floor heat transfer is less influenced by h/c. For h/c = 1.0%, the average thermal load is as low as a half of the plane tip surface one, and the difference in the thermal load between the two cases tends to decrease with increasing h/c.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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