Effects of combustor-level high free-stream turbulence on the blade-surface heat/mass transfer have been investigated in the three-dimensional flow region near the endwall within a high-turning turbine rotor cascade passage. Free-stream turbulence intensity and integral length scale in the high turbulence case are 14.7 percents and 80 mm, respectively. The result shows that there is no considerable discrepancy in the blade heat/mass transfer near the endwall between the low and high turbulence cases. As departing from the endwall, however, the deviation between the two cases becomes larger, particularly in the region where flow separation and re-attachment occur. Under the high turbulence, flow disturbances such as boundary-layer separation and re-attachment seem to be suppressed, which makes the blade heat/mass transfer more uniform. Moreover, there are some evidences that endwall vortices tend to be weakened under the high turbulence.
"Research and Development of Melt-Growth Composite (MGC) Ultra High Efficiency Gas Turbine System Technology" program has been started in JFY2001. The main objective of the program is to establish basic component technologies to apply MGC material to an efficient gas turbine system successfully. It is known that MGC material maintains its mechanical strength at room temperature up to about 2000 K, which is ideal for the high temperature gas turbine. The purposes of the present study are to develop the cooling structure of the gas turbine combustor liner where MGC material is applied as the heat shield panel, also to develop the low NOx combustion system for a 1970 K (1700 deg.C) class gas turbine combustor. To start with, basic heat transfer characteristics were investigated by one-dimensional calculation and heat transfer experiment for the cooling structure. Axially staged configuration and fuel preparation were investigated by CFD calculation and experiments for the low NOx combustor.
The present study investigated the effect of relative position of the blade on blade surface heat transfer. The experiments were conducted in a low speed wind tunnel with a stationary annular turbine cascade. The test section has a single turbine stage composed of sixteen guide vanes and blades. The chord length of the blade is 150 mm and the mean tip clearance of the blade is $2.5\%$ of the blade chord. The Reynolds number based on blade inlet velocity and chord length is $1.5{\times}105$ and mean turbulence intensity is about $3\%$. To investigate the effect of relative position of blade, the blade at six different positions in a pitch was examined. For the detailed mass transfer measurements, a naphthalene sublimation technique was used. In general, complex heat transfer characteristics are observed on the blade surface due to various flow characteristics, such as a laminar flow separation, relaminarization, flow acceleration, transition to turbulence and tip leakage vortices. The results show that the blade relative position affects those heat transfer characteristics because the distributions of incoming flow velocity and turbulence intensity are changed. Especially, the heat transfer pattern on the near-tip region is significantly affected by the relative position of the blade because the effect of tip leakage vortex is strongly dependent on the blade position. On the pressure side, the effect of blade position is not so significant as on the suction side surface although the position and the size of the separation bubble are changed.
In this paper research result of transient thermal stress analysis of power plant turbine rotors for life prediction under severs operating conditions is presented. Galerkin's recurrence scheme is used for numerical solution of discretized FEM equation of transient heat conduction equation. Boundary conditions for the equation and operating conditions are intensively investigated for accurate life prediction of turbine rotors in operation. A computer program for on-site application is developed and tested. Distribution of thermal stress in turbine rotors during various operating condition is analyzed with the program and it is found that the peak thermal stress appears during cold stage conditions at the first stage of high pressure rotors.
The finite-volume method for radiation in a three-dimensional non-orthogonal gas turbine combustion chamber with absorbing, emitting and anisotropically scattering medium is presented. The governing radiative transfer equation and its discretization equation using the step scheme are examined, while geometric relations which transform the Cartesian coordinate to a general body-fitted coordinate are provided to close the finite-volume formulation. The scattering phase function is modeled by a Legendre polynomial series. After a benchmark solution for three-dimensional rectangular combustor is obtained to validate the present formulation, a problem in three-dimensional non-orthogonal gas turbine combustor is investigated by changing such parameters as scattering albedo, scattering phase function and optical thickness. Heat flux in case of isotropic scattering is the same as that of non-scattering with specified heat generation in the medium. Forward scattering is found to produce higher radiative heat flux at hot and cold wall than backward scattering and optical thickness is also shown to play an important role in the problem. Results show that finite-volume method for radiation works well in orthogonal and non-orthogonal systems.
Conjugate heat analysis on a high pressure turbine stage including secondary flow paths has been carried out. The secondary flow paths were designed to be located in front of the nozzle and between the nozzle and rotor domains. Thermal boundary conditions such as empirical based temperature or heat transfer coefficient were specified at nozzle and rotor solid domains. To create heat transfer interface between the nozzle solid domain and the rotor fluid domain, frozen rotor with automatic pitch control was used assuming that there is little temperature variation along the circumferential direction at the nozzle solid and rotor fluid domain interface. The simulation results showed that secondary flow injected from the secondary flow path not only prevents main flow from penetrating into the secondary flow path, but also effectively cools down the nozzle and rotor surfaces. Also thermal barrier coating with different thickness was numerically implemented on the nozzle surface. The thermal barrier coating further reduces temperature gradient over the entire nozzle surface as well as the overall temperature level.
The present study investigates convective heat/mass transfer and flow characteristics in wavy ducts of primary surface heat exchanger. Experiments using a naphthalene technique are carried out to determine the local transfer characteristics for flow in the corrugated wall duct. The aspect ratios of the rectangular duct cross-section are 7.3, 4.7 and 1.8 with a corrugation angle of $145^{\circ}$. The Reynolds numbers, based on the duct hydraulic diameter, are ranged from 1000 to 5000. The local heat/mass transfer measurement is conducted in the spanwise directions. The results show that Tayler-Gortler vortices exist on the pressure surface. Flow separation on the suction surface appears at a high Reynolds number resulting in a sharp decrease in the local transfer rates, but relatively high transfer rates are obtained in the reattachment region.
The forced cooling system is designed to shorten the overhaul time of steam turbine, which is important in view of economic concern of utility companies, Forced cooling of the hot turbine is achieved by suction of air flow into the turbine after the turbine shuts down. The heat transfer process by suction of air flow can cause thermal stress due to the thermal gradients. In this paper, the analysis of heat transfer is performed to calculate the air flow rate. Based on the prediction of cyclic fatigue damage and the experience, the cooling equipment is designed for shortening the cooling time of steam turbine.
An experimental study has been conducted to investigate the effects of the free stream turbulence intensity and Reynolds number on the heat transfer and flow characteristics In the linear turbine cascade. Profiles of the time-averaged velocity, turbulence intensity, and Reynolds stress were measured in the turbine cascade passage. The static pressure and heat transfer distributions on the blade suction and pressure surfaces were also measured. The experiments were made for the Reynolds number based on the chord length, Rec = $2.2{\times}10^4$ to $1.1{\times}10^5$ and the free stream turbulence intensity, $FSTI_1$ = 0.6% to 9.1 %. The uniform heat flux boundary condition on the blade surface was created using the gold film Intrex and the surface temperature was measured by liquid crystal, while hot wire probes were used for the flow measurements. The results show that the free stream turbulence promotes the boundary layer development and delays the flow separation point on the suction surface. It was found that the boundary layer flows on the suction surface for all Reynolds numbers tested with $FSTI_1$ = 0.6% are laminar. It was also found that the heat transfer coefficient on the blade surface increases as the free stream turbulence intensity increases and the flow separation point moves downstream with an increasing Reynolds number. The results of skin friction coefficients are in good agreement with the heat transfer results in that for $FSTI_1{\geq}2.6%$, the turbulent boundary layer separation occurs.
The present study investigates the effects of various rib arrangements on heat/mass transfer in the cooling passage of gas turbine blades. A complex flow structure occurs in the cooling passage with rib turbulators which promote heat transfer on the wall. It is important to increase not only the heat transfer rates but also the uniformity of heat transfer in the cooling passage. A numerical computation is performed using a commercial code to calculate the flow structures and experiments are conducted to measure heat/mass transfer coefficients using a naphthalene sublimation technique. A square channel (50 mm $\times$ 50 mm) with rectangular ribs (4 mm $\times$ 5 mm) is used fur the stationary duct test. The experiments focus on the effects of rib arrangements and gap positions in the discrete ribs on the heat/mass transfer on the duct wall. The rib angle of attack is 60°and the rib-to-rib pitch is 32 mm, that is 8 times of the rib height. With the inclined rib angle of attack (60°), the parallel rib arrangements make a pair of counter rotating secondary flows in the cross section, but the cross rib arrangements make a single large secondary flow including a small secondary vortex. These secondary flow patterns affect significantly the heat/mass transfer on the ribbed wall. The heat/mass transfer in the parallel arrangements is 1.5 ∼2 times higher than that in the cross arrangements. However, the shifted rib arrangements change little the heat/mass transfer from the inline rib arrangements. The gap position in the discrete rib affects significantly the heat/mass transfer because a strong flow acceleration occurs locally through the gap.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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