가스터빈 블레이드 팁의 형상이 이차유동과 팁 열전달 감소에 미치는 영향 = Effect of Gas Turbine Blade Tip Shape on Secondary Flow and Tip Heat Transfer

국문 초록 (Abstract)

가스터빈의 출력과 효율 향상을 위해 가스터빈 입구온도는 지속적으로 증가되어 왔으며 연소실에서 발생하는 고온, 고압의 연소가스로 인해 터빈 내 각 부품들의 열부하도 급격히 증가되었다. 특히 블레이드 팁은 높은 열부하와 냉각의 어려움 때문에 터빈 내에서도 열전달 문제가 심각한 부분이다. 슈라우드가 없는 터빈(unshrouded turbine)에서는 회전하는 블레이드 팁과 고정된 케이싱 사이에 팁 간극(tip clearance)이 존재하게 이로 인해 팁 누설 와류(tip leakage vortex)가 발생하게 된다.
본 연구에서는 터빈 블레이드의 누설유동을 줄이기 위해 립이 설치된 새로운 형상의 팁을 제안하고 7공 프로브를 이용하여 이차유동과 전압손실계수를 측정하였다. 다양한 립의 개수와 각도를 기존의 스퀼러 팁과 홈이 있는 팁에 적용하였고, 스퀼러, 홈이 있는 팁 모두에서 립이 한 개 설치된 경우에는 간극이 커짐에 따라 높은 전압손실 계수 증가율로 인해 평면 팁에 비하여 높은 전압손실을 보였다. 립이 2, 3개인 경우에는 평면 팁과 비교하여 낮은 전압손실을 나타냈으며 스퀼러 팁과 홈이 있는 팁 모두 립이 2개 설치된 팁 형상에서 가장 낮은 전압손실을 보였다.
유동 측정 연구를 통해 누설 유동에 의해 이차 유동과 전압손실계수 감소 효과를 보인 립이 설치된 가스터빈 블레이드 형상의 열전달 특성을 고찰하기 위해 팁 표면 열전달 계수를 측정하였다. 열전달 계수의 측정에는 천이액정법이 사용되었다. 평면 팁에서는 압력면 부근에서 박리가 일어난 누설유동의 재부착에 의한 높은 열전달 분포를 확인할 수 있었으며 블레이드 코드 중앙 부근에서 높은 열전달률을 보였다. 스퀼러 팁의 경우에는 앞전 스퀼러 림에서 박리된 누설유동의 재부착에 의해 앞전 부근과 압력면 스퀼러 림 부근의 팁 표면에서의 높은 열전달 계수를 관찰하였다.
블레이드 팁 캐비티에 설치된 립에서 박리된 누설유동이 캐비티 표면에 재부착되어 상대적으로 높은 열전달 계수가 야기되는 영역이 관찰되었고, 이러한 원인으로 스퀼러 팁에 비하여 립을 설치한 팁에서 높은 열전달 계수를 보였다. 홈이 있는 팁에 립을 설치한 경우는 앞전과 흡입면 부근에서 열전달 계수 분포를 보였으며 립이 설치된 스퀼러 팁들과 유사하게 립에 의해 박리된 유동의 재부착에 의한 높은 열전달 계수 영역이 관찰되었다.
본 연구를 통해 립의 설치가 유동과 열전달 계수 크기와 분포에 영향을 끼치는 것을 확인하였고, 이를 바탕으로 최적화 된다면 기존의 평면이나 스퀼러 팁보다 우수한 누설유동 및 팁 열전달 계수 감소 효과가 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구동향 및 연구의 필요성 3
• 제 2 장 실험 장치 및 방법 5
• 2.1 터빈 캐스케이드 이차유동 측정 5
• 2.2 블레이드 팁의 열전달 측정 실험 13
• 2.3 블레이드 팁 형상 20
• 제 3 장 결과 및 분석 22
• 3.1 이차유동 측정 실험 결과 22
• 3.2 열전달 계수 측정 실험 결과 36
• 제 4 장 결론 39
• 4.1 터빈 캐스케이드 이차유동 측정 39
• 4.2 블레이드 팁 표면의 열전달 계수 측정 40
• 참고문헌 42