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.
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.
Vu T.A. Co;Hung C. Hoang;Duy C.K. Do;Son H. Truong;Diem G. Pham;Nhung T.T. Le;Truong C. Dinh;Linh T. Nha
Advances in aircraft and spacecraft science
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제11권2호
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pp.153-175
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2024
In jet engines, turbine blade cooling has an extremely important role. The pin-fin array, which is situated close to the trailing edge of the blade, aids in internal cooling of the gas turbine blades and preserves the structural integrity of the blade. Previous studies often focused on pin-fin configurations, but the current research focuses on improving the geometry at the endwalls to reduce wake vortices behind the pin-fins and enhance heat transfer at the endwalls location. Using the k-ω turbulence model, a numerical study was conducted on a ribbed shape situated on the walls between pin-fin arrays, spanning a Reynolds number range of 7400 to 36000, in order to determine the heat transport characteristics. The heat transfer efficiency coefficient and Nusselt number increase dramatically with the revised wall configuration, according to the numerical data. The channel's heat transfer efficiency is increased by enlarging the heat transfer areas near the pin-fins and by the interaction of the flow with the endwalls. The addition of ribs causes the Nusselt number of the new model to climb from 78% to 96% at the previously given Reynolds numbers, and the heat transfer efficiency index to rise from 60% to 73%. The height (Hr), position (Lr), forward width (Wf), and backward width (Wb) of the ribs are among the geometric elements that were looked at in order to determine how they affected the performance of heat transmission. In comparison to the reference design, the parametric study results demonstrate that the best forward width (Wf/R=18.75%) and backward width (Wb/R=31.25%) increase the heat transfer efficiency index by 0.4% and 1.3%, respectively.
The characteristics of unsteady heat transfer and boundary layer flow in the SSME turbine rotor passage are investigated with LRN $k-{\varepsilon}$ turbulence model. The unsteady flow and heat transfer in a rotor blade passage as a result of wake/blade interaction is modeled by the inviscid/boundary-layer flow approach. The relevant governing equations are discretized to a system of finite different equations by means of a BTBCS implicit method. These equations have been solved numerically, for the velocity and temperature fields using TDMA method. Heat flux on the blade surface and flow parameters in the rotor passage are calculated with wake interaction. Numerical results show that velocity, pressure, turbulent kinetic energy and heat flux on the blade surface are varied periodically by wake passing.
본 연구에서는 전산해석을 통해 냉각 터빈 블레이드 팁 간극의 유동 및 열전달 특성을 연구하였다. 1단 고압터빈 노즐 출구에서 획득한 속도, 온도 프로파일을 로터의 입구에 적용하여 로터 도메인을 대상으로 전산해석을 하였다. 스퀼러 팁이 적용된 블레이드의 팁 간극을 스팬의 1%부터 2.5%로 조절하여 팁 간극의 공력 손실, 열전달 계수와 막냉각 효율의 영향을 고찰했다. 팁 간극이 커질수록 출구에서 공력 손실과 블레이드 끝단 표면에서 열전달 계수는 증가하였다. 특히 팁 간극이 스팬의 2%일 때 평균 열전달 계수가 급격히 증가하였다. 팁 영역의 막냉각 효율은 팁 간극이 작을수록 높았고, 캐비티 내부 냉각 홀 근처의 막냉각 효율이 높았다.
The present study investigates convective heat/mass transfer and flow characteristics inside the rib-roughened cooling passage of the gas turbine blades. A square duct with rectangular ribs is used and $\wedge-$ and V-shape ribs with $60^{\circ}$ attack angle are installed on the test plate surfaces. 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 vortices near the side-wall. The local heat transfer and the secondary flow in the duct are changed largely according to the rib orientation. A square duct with $\wedge$ and V-shape ribs has two pairs of secondary flow because of the rib arrangement. So, the duct has complex heat/mass transfer distribution. The average heat/mass transfer coefficient and pressure drop of $\wedge-$ and V-shape ribs are higher than those with $90^{\circ}$ and $60^{\circ}$ attack angles. The average heat/mass transfer coefficient on the $\wedge-shape$ ribs is higher than that on the V-shape ribs. Also, the uniformity of heat/mass transfer coefficient on discrete ribs is higher than that on continuous rib.
In this paper, heat transfer coefficients were measured in a channel with one side dimpled surface. The sphere type dimples were fabricated and the diameter and depth of dimple was 16mm and 4mm, respectively. Two channel heights of about 0.6 and 1.2 time of the dimple diameter, two dimple configuration were tested. The Reynolds numbers based on the channel hydraulic diameter was varied from 30000 to 50000. The improved hue detection based transient liquid crystal technique was used in the heat transfer measurement. Heat transfer measurement results showed that high heat transfer was induced downstream of dimples due to flow reattachment. Due to the flow recirculation on the upstream side in the dimple, the heat transfer coefficient was very low. As the Reynolds increased, the overall heat transfer coefficients also increased. With same dimple arrangement, the heat transfer coefficients and the thermal performance factor were higher for the lower channel height. As the distance between dimples became smaller, the overall heat transfer coefficient and the thermal performance factor were increased.
The heat (mass) transfer characteristics on the endwall surface of a first-stage linear turbine rotor cascade at off-design conditions has been investigated by employing the naphthalene sublimation technique. The experiments are carried out at the Reynolds number of $2.78{\times}10^{5}$ for two incidence angles of -5% and +5%. The positive incidence angle results in intensification of the pressure-side leg of a leading-edge horseshoe vortex, which delivers higher heat transfer along its trace. On the other hand, the negative incidence angle show an opposite tendency.
The present study investigated local heat/mass transfer characteristics on the surface of the rotating turbine blade with various incidence angles. The experiments are conducted in a low speed annular cascade with a single stage turbine. The blade has a flat tip with the mean tip clearance of 2.5% of the blade chord. A naphthalene sublimation method is used to measure detailed mass transfer coefficient on the blade. At design condition, the inlet Reynolds number is $Re_c=1.5{\times}10^5$ which results in the blade rotation speed of 255.8 rpm. Also, the effect of off-design condition is examined with various incidence angles between $-15^{\circ}$ and $+7{\circ}$. The results indicated that the incidence angle has significant effects on the blade surface heat transfer. In mid-span region, the laminar separation region on the pressure side is reduced and the laminar flow region on the suction side shrinks with increasing incidence angle. Near the tip, the effect of tip leakage flow increases in span wise and axial directions as the incidence angle decreases because the tip leakage flow is formed near the suction side surface. However, the effect of tip leakage flow is reduced with positive incidence angle.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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