요철이 설치된 회전사각유로에서 냉각유체의 유출이 열/물질전달에 미치는 영향 = Effects of bleed flows on heat/mass transfer in a rotating square channel with rib turbulators

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The design of an effective cooling system becomes more crucial in the development of high performance gas turbine engines. The turbine inlet temperature has been steadily increased to improve the thermal efficiency of turbine engines, but it resulted in high heat loads on the turbine blades. To protect the blade materials from exceeding the maximum allowable temperature and being damaged, various cooling techniques are employed. The present study investigates the effects of various rib arrangements, rotation numbers and bleed ratios on the heat/mass transfer in the internal cooling passages of a gas turbine blade. The experiments and numerical calculation are conducted to investigate flow structure and heat transfer characteristics in the channel with bleed holes; the numerical computations are performed using a commercial code, FLUENT, to calculate the flow structures, The experiments are conducted to measure heat/mass transfer coefficients using a naphthalene sublimation technique.The rotating square channel has 40.0 mm hydraulic diameter which has the bleed holes on the leading and trailing surface of the channel and the aspect ratio (W/H) of 1.0. The hole diameter of bleed hole is 4.5 mm and its spacing (P/d=4.9) is about five times of hole diameter. Conditions of mass flow rate through bleed holes are 0%, 20%, and 40% of the main flow rate and rotation number is changed from 0.0 to 0.4.For the stationary case, on the leading surface in the 90° ribbed channel with bleed flow, the heat/mass transfer increased over the 20% because of tripping flow. However that on trailing surface reduced under the 7% due to the diminution of main flow. As the rotation number increased, the heat/mass transfer trend was same to that without bleed flow.For the rotating case, on the trailing surface in 90° ribbed channel with bleed flow, an increment rate of the heat/mass transfer appeared very small because effects of bleed flow were dominant than effects of rotation.As the rotation number increases, with bleed flow on the leading surface in 45° ribbed channel, the heat/mass transfer on the leading and the trailing surfaces was increasingly decreased because the turbulent intensity and the effects of impingement on downward flow region were weaken. With bleed flow on the trailing surface, the heat/mass transfer on the trailing surface is similar to each case by bleed ratio because the dominant factors was bleed flow than the rotation.As the bleed ratio increase at Ro = 0.0, the friction factors in 45° ribbed channel appeared lower about 8% than for 90° ribbed channel due to low blocking effect of main flow. Total averaged heat/mass transfer ratio on leading and trailing surfaces in 45°ribbed channel was similar to bleed ratio of 0.4 like that in 90° ribbed channel due to effects of lower impinging by downward flow although that in 45° ribbed channel at bleed ratio of 0.0 and 0.2 was high about 8% than that in 90° ribbed channel. As a result, the performance was similar at BR 0.4 in 90° and 45° ribbed channels.As rotation number increase, on the leading surface in 90° and 45° ribbed channel with bleed flow , the experimental and numerical results were similar trend.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 가스터빈 블레이드 내부의 1차유로 전/후연면에 설치된 유출홀을 통한 유출유량 및 덕트의 회전수와 요철 각도에 따른 열전달 특성에 관한 연구이다. 가스터빈 엔진의 열효율과 추력의 향상을 위하여 연소가스의 터빈 입구온도는 지속적으로 상승되어 가고 있으며, 이는 터빈 블레이드와 베인의 높은 열부하를 발생시키게 되었다. 이러한 고온의 환경에서 작동되는 블레이드의 표면을 보호하고자 막냉각, 충돌제트 냉각, 내부관 냉각 등이 사용되고 있으며, 본 연구에서는 막냉각을 위한 유출홀이 내부관 냉각에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 특히, 요철의 각도 및 유출홀의 위치(전연면 혹은 후연면에 설치된 경우)에 따른 열/물질전달 분호에 대해 연구하였다. 국소적인 열전달을 측정하고자 나프탈렌 승화법과 FLUENT 6.2를 사용하여 수치해석을 수행하였고, 이로부터 물질전달계수비와 유동구조를 도출하였다. 실험 및 수치해석에 사용된 덕트의 높이(H) 및 너비(W)는 40 mm로 고정되어 있다. 유출홀의 직경(d)는 4.5 mm, 2.2 × 2.2 mm의 90° 와 45°요철, 유출홀간 거리는 22 mm 이다. 측정영역의 상류부분에 유동의 완전발달 영역은 6Dh로 유출홀이 10개가 설치되어 있으며, 측정영역은 5.5Dh로 역시 유출홀은 10개가 설치되어 있다. 본 연구에서는 Re수는 10,000으로 고정하였으며, 회전수 0.0에서 0.4까지 수행하였고, 유출유량은 0%, 20%, 40%로 변화시켜 가면서 유출홀이 전/후연면에 있는 경우에 대해 회전수에 따른 유동구조 및 열/물질전달 특성을 파악하였다.유출홀이 전연면에 설치되어 있고 90° 요철이 설치된 덕트에서 정지한 경우 전연면은 유출유동에 의한 트리핑 유동에 의해 유출이 없는 경우보다 20%이상 물질전달계수비가 높게 나타났지만, 후연면은 주유동의 감소로 인해 7%이상 낮게 나타났다. 회전수가 증가함에 따라서는 유출유동이 없는 경우와 동일하게 전연면은 물질전달계수비가 감소하고 후연면은 높게 나타났다. 하지만 회전수(Ro)가 0.4에서는 유출유동에 의한 영향으로 전연면의 물질전달계수비의 감소율이 작게 나타났다.유출홀이 후연면에 설치되어 있고 90° 요철이 설치된 덕트에서는 전연면은 유출홀이 전연면에 있는 경우와 동일하게 회전수가 증가함에 따라서 물질전달계수비가 낮게 나타났지만, 후연면은 유출유동에 의한 영향이 회전에 의한 영향보다 지배적이기 때문에 물질전달계수비의 증가율이 매우 작게 나타났다.45° 요철이 설치되어 있고 유출유동과 회전수가 증가함에 따라 전/후연면 모두 이차유동의 강도와 하향류 부분의 충돌효과가 약하게 되어 물질전달계수비가 점점 낮게 나타났다. 유출홀이 후연면에 있는 경우는 각각의 유출유량에서 회전수가 증가함에 따라 후연면은 회전에 의한 영향보다는 유출유동에 의한 지배적인 영향으로 인해 물질전달계수비가 거의 비슷하게 나타났다.45° 요철이 설치된 덕트가 90° 요철이 설치된 경우보다 정지 상태에서 유출유량의 변화에 따라 각각의 경우에 낮은 주유동의 브로킹 효과에 의해 마찰계수가 약 8% 낮게 나타났다. 또한 정지한 경우 유출유량에 따라 전/후연면 전체 평균한 물질전달계수비는 유출유량비가 0.0, 0.2 에서는 45° 요철이 설치된 덕트가 8% 정도 더 높게 나타났지만, 유출유량비가 0.4에서는 이차유동에 의한 하향류의 낮은 충돌효과 때문에 거의 비슷하게 나타났으며 그에 따라 성능계수 또한 유출유량비 0.4에서 동일하게 나타났다.전연면에 유출홀이 설치되어져 있고 90° 와 45° 요철이 설치된 덕트에서 유출유량과 회전수의 변화에 따라 실험결과와 수치해석결과가 거의 비슷한 경향이 나타났다.