To get higher efficiency of gas turbine, The designer should have more higher turbine inlet temperature (TIT). Today, modem gas turbine having sophisticated cooling scheme has TIT above $1,700^{\circ}C$. In the korea, many gas turbine having TIT above $1,300^{\circ}C$ was imported and being operated, but the gas with high TIT above $1,300^{\circ}C$ in the turbine will give damage to liner of combustor, and blade of turbine and etc. So frequently maintenance for parts enduring high temperature was performed. In this study, the heat transfer analysis of cooling air in the internal cooling channel (network analysis) and temperature analysis of the blade (Finite Element Analysis) in the first stage rotor was conducted for development of the optimal cooling passage design procedure. The results of network analysis and FEM analysis of blade show that the high temperature spot are occured at the leading edge, trailing edge near tip, and platform. so to get more reliable performance of gas turbine, the more efficient cooling method should be applied at the leading edge and tip section. and the thermal barrier coating on the blade surface has important role in cooling blade.
This study presents gas turbine cooling blade by using experimental and numerical works. The review cover researches related to cooling channels using finite element method in rotating blade. Also, the film cooling device and the heat transfer of the external surface of the blade are included. In addition, several methods to be used for the design of the blade, numerical method and experimental techniques are introduced. This work will contribute to improving the manufacturing of engine and the efficiency of gas turbine engines.
Gas turbines are extensively used in flight propulsion, electrical power generation, and other industrial applications. During its life span, a turbine blade is taken out periodically for repair and maintenance. This includes re-coating the blade surface and re-drilling the cooling holes/channels. A successful laser re-drilling requires the measurement of a hole within the accuracy of ${\pm}0.15mm$ in position and ${\pm}3^{\circ}$ in orientation. Detection of gas turbine blade/vane cooling hole position and orientation thus becomes a very important step for the vane/blade repair process. The industry is in urgent need of an automated system to fulfill the above task. This paper proposes approaches and algorithms to detect the cooling hole position and orientation by using a vision system mounted on a robot arm. The channel orientation is determined based on the alignment of the vision system with the channel axis. The opening position of the channel is the intersection between the channel axis and the surface around the channel opening. Experimental results have indicated that the concept of cooling hole identification is feasible. It has been shown that the reproducible detection of cooling channel position is with +/- 0.15mm accuracy and cooling channel orientation is with +/$-\;3^{\circ}$ with the current test conditions. Average processing time to search and identify channel position and orientation is less than 1 minute.
Parametric cycle analysis of a dual-spool, mixed exhaust turbofan engine with turbine blade cooling were described to investigate the effect of turbine blade cooling on the engine performance such as specific thrust and thrust specific fuel consumption. Coolant of low pressure turbine triggers high engine performance loss and cooling effect loss in high pressure turbine. Therefore low pressure turbine coolant should be much more considered for effective design.
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.
In order to investigate the effects of various injection hole shapes on the film cooling of turbine blade, three test models having cylindrical and shaped holes were used. A three-dimensional Navier-Stokes code with standard k-$\epsilon$ model was used to compute the film cooling coefficient on the film cooled turbine blade. Over 330,000 grids were used to compute the flow over the blade. Mainstream Reynolds number based on the cylinder diameter was $7.1{\times}10^4$. The turbulence intensity kept at $5.0\%$ for all inlets. The effect of coolant blowing ratio was studied for various blowing ratios. For each blowing ratios, wall temperatures around the surface of test model were calculated. Temperature was visualized using cartesian cut-cell method to obtain traces of the injected secondary air on the test surface, so we could interpret the film effectiveness as temperature distributions.
The serpentine internal passage is located in turbine blade and it shows the variety heat transfer distribution. Especially, the Coriolis force, which is induced by blade rotation, makes different heat transfer distribution of the leading and trailing surfaces of serpentine internal passage. The different heat transfer is one of the reasons why the serpentine cooling passage shows low cooling performance in the rotating condition. So, this study tried to design the advanced the serpentine passage to consideration of the Coriolis force. The design concept of advanced serpentine cooling is maximizing cooling performance using the Coriolis force. So, the flow turns from leading surface to trailing surface in advanced serpentine passage to match the direction of Coriolis force and rotating force. We performed numerical analysis using CFX and compared the existing and advanced serpentine internal passage. This design change is induced the high heat transfer distribution of whole advanced serpentine internal passage surfaces.
Turbine blade cooling is one of the major technologies to enhance the performance of gas turbine and combined cycle power plants. In this study, two cases of coolant pre-cooling schemes were applied in combined cycle power plant: decrease of coolant mass flow needed to cool turbine blade and increase of turbine inlet temperature (TIT). Both schemes are benefited by the decrease of coolant temperature through coolant pre-cooling. Under the same degree of pre-cooling, increasing TIT exhibits larger plant power boost and higher plant efficiency than reducing coolant flow. As a result, the former produces the same gas turbine power with a much smaller degree of pre-cooling than the latter. Another advantage of increasing TIT is a higher plant efficiency. Even with an assumption of partial achievement of the theoretically predicted TIT, the method of increasing TIT can provide considerably larger power output.
Developments of numerical methods are very important to design and analysis for a high subsonic turbine blade. In general, Analysis by experimental investigation has needed a lot of human resources and required time, indispensably, and equipments still have a limit to measure in conditions of high temperature. Rapid technological developments of CPU and integration level of memory make it possible to advance computation with almost exactly simulation so, recent developments of numerical methods are in spotlight. In the present study, the panel method, which is well-known as relatively simplified numerical method, and 2-dimensional ordinary differential Falkner-Skan equation were computed in order to analyze the outer flow, and FVM-based solid heat transfer equation, was also computed to forecast the temperature distribution of the airfoil and the turbine blade. Unstructured grid was constructed in the turbine blade, which has double cooling holes, in order to analyze the internal heat transfer. Cooling fluid was assumed as fully-developed turbulent flow and that circulated in cooling holes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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