[학위논문]Numerical Study of Vane/Blade Relative Position Effect on Gas Turbine Blade Endwall using Detached Eddy Simulation : DES를 이용한 가스터빈 블레이드 엔드월에서의 베인/블레이드 상대 위치에 효과에 대한 수치해석 연구원문보기
가스터빈은 발전, 항공, 선박 등 다양한 분야에서 널리 사용되는 기계 장치이다. 가스터빈의 효율과 출력 증가를 위해서는 높은 터빈 입구 온도가 요구되나, 재질의 한계로 인해 터빈 입구 온도는 한계를 갖는다. 따라서, 고온의 연소가스에 노출되는 연소기, 베인, 블레이드와 같은 고온 부품에 대한 냉각 기술이 다양한 측면에서 개발되어 왔으며, 이를 위해서는 고온 부품에 대한 열유동 특성에 대한 면밀한 이해가 필요하다. 환경오염을 유발하는 질산화물의 배출 저감을 위해 근래의 가스터빈은 기존의 확산 연소 방식이 아닌 희박 예혼합 연소 방식을 택하고 있으며, 이에 따라 엔드월 부근의 연소가스 온도가 증가하여 엔드월에서의 유동 및 ...
가스터빈은 발전, 항공, 선박 등 다양한 분야에서 널리 사용되는 기계 장치이다. 가스터빈의 효율과 출력 증가를 위해서는 높은 터빈 입구 온도가 요구되나, 재질의 한계로 인해 터빈 입구 온도는 한계를 갖는다. 따라서, 고온의 연소가스에 노출되는 연소기, 베인, 블레이드와 같은 고온 부품에 대한 냉각 기술이 다양한 측면에서 개발되어 왔으며, 이를 위해서는 고온 부품에 대한 열유동 특성에 대한 면밀한 이해가 필요하다. 환경오염을 유발하는 질산화물의 배출 저감을 위해 근래의 가스터빈은 기존의 확산 연소 방식이 아닌 희박 예혼합 연소 방식을 택하고 있으며, 이에 따라 엔드월 부근의 연소가스 온도가 증가하여 엔드월에서의 유동 및 열전달 특성을 이해하는 것이 더욱 중요해졌다. 또한 베인과 회전하는 블레이드의 상호작용으로 인해, 엔드월 부근의 열유동 특성은 주기적으로 변화하게 된다. 본 연구는 베인/블레이드의 상대 위치에 따른 가스터빈 블레이드 엔드월 부근의 유동 특성과 엔드월 면의 열전달 특성이 어떻게 변화하는지 이해하기 위해 분리와동모사를 통해 수치해석적으로 진행되었다. 베인은 실린더를 통하여 모사되었으며, 블레이드는 선형 캐스케이드로 모사하였다. 수치해석은 베인을 고려하지 않은 기본 케이스와, 베인의 위치를 네 가지로 나눈 상대 위치 케이스를 포함하여 총 다섯 케이스로 나누어 진행하였으며, SST k-ω IDDES난류 모델을 사용하였고, 격자는 육면체 격자로 약 800만 개를 사용하였다. 유동 특성은 압력계수와 입구속도, 난류 운동에너지, 3차원와동 구조 등을 통해 확인하였다. 베인과 블레이드의 상대 위치는 엔드월 부근의 유동 특성에 상당한 영향을 미치며, 특히 상대 위치에 따라 말발굽 와류와 통로 와류를 비롯한 2차 유동에 많은 변화를 가져온다. 엔드월에서의 열전달 특성에 대한 상대 위치 효과를 확인하기 전에, 기본 케이스에 대해 실험결과와 RANS 결과, DES 결과를 비교하였다. RANS 결과는 열전달 결과의 편차가 크고, DES 결과에 비해 통로 와류의 위치를 부정확하게 예측하였다. DES 결과는 실험결과와 통로 와류의 위치를 거의 일치하게 예측하였으며, 국소 열전달 분포 또한 유사한 경향을 보였다. 각 상대 위치에 대한 효과로는 position-0의 경우 말발굽 와류의 발생이 실린더 후류로 인해 방해되어, 통로 와류 또한 발생하지 않았으며 엔드월의 열전달 분포가 고르게 나타났다. Position-1, position-2, position-3의 경우 말발굽 와류는 발생하였으나, 실린더 후류가 통로 와류와 만나는 지점에 따라 엔드월의 열전달 분포가 다르게 나타났다.
가스터빈은 발전, 항공, 선박 등 다양한 분야에서 널리 사용되는 기계 장치이다. 가스터빈의 효율과 출력 증가를 위해서는 높은 터빈 입구 온도가 요구되나, 재질의 한계로 인해 터빈 입구 온도는 한계를 갖는다. 따라서, 고온의 연소가스에 노출되는 연소기, 베인, 블레이드와 같은 고온 부품에 대한 냉각 기술이 다양한 측면에서 개발되어 왔으며, 이를 위해서는 고온 부품에 대한 열유동 특성에 대한 면밀한 이해가 필요하다. 환경오염을 유발하는 질산화물의 배출 저감을 위해 근래의 가스터빈은 기존의 확산 연소 방식이 아닌 희박 예혼합 연소 방식을 택하고 있으며, 이에 따라 엔드월 부근의 연소가스 온도가 증가하여 엔드월에서의 유동 및 열전달 특성을 이해하는 것이 더욱 중요해졌다. 또한 베인과 회전하는 블레이드의 상호작용으로 인해, 엔드월 부근의 열유동 특성은 주기적으로 변화하게 된다. 본 연구는 베인/블레이드의 상대 위치에 따른 가스터빈 블레이드 엔드월 부근의 유동 특성과 엔드월 면의 열전달 특성이 어떻게 변화하는지 이해하기 위해 분리와동모사를 통해 수치해석적으로 진행되었다. 베인은 실린더를 통하여 모사되었으며, 블레이드는 선형 캐스케이드로 모사하였다. 수치해석은 베인을 고려하지 않은 기본 케이스와, 베인의 위치를 네 가지로 나눈 상대 위치 케이스를 포함하여 총 다섯 케이스로 나누어 진행하였으며, SST k-ω IDDES 난류 모델을 사용하였고, 격자는 육면체 격자로 약 800만 개를 사용하였다. 유동 특성은 압력계수와 입구속도, 난류 운동에너지, 3차원 와동 구조 등을 통해 확인하였다. 베인과 블레이드의 상대 위치는 엔드월 부근의 유동 특성에 상당한 영향을 미치며, 특히 상대 위치에 따라 말발굽 와류와 통로 와류를 비롯한 2차 유동에 많은 변화를 가져온다. 엔드월에서의 열전달 특성에 대한 상대 위치 효과를 확인하기 전에, 기본 케이스에 대해 실험결과와 RANS 결과, DES 결과를 비교하였다. RANS 결과는 열전달 결과의 편차가 크고, DES 결과에 비해 통로 와류의 위치를 부정확하게 예측하였다. DES 결과는 실험결과와 통로 와류의 위치를 거의 일치하게 예측하였으며, 국소 열전달 분포 또한 유사한 경향을 보였다. 각 상대 위치에 대한 효과로는 position-0의 경우 말발굽 와류의 발생이 실린더 후류로 인해 방해되어, 통로 와류 또한 발생하지 않았으며 엔드월의 열전달 분포가 고르게 나타났다. Position-1, position-2, position-3의 경우 말발굽 와류는 발생하였으나, 실린더 후류가 통로 와류와 만나는 지점에 따라 엔드월의 열전달 분포가 다르게 나타났다.
Gas turbines are widely used machine in various industries such as power generation, aviation and ship. For high efficiency and power output of gas turbine, higher turbine inlet temperature(TIT) is required. However, TIT is limited due to the limitation of materials. Therefore, cooling techniques fo...
Gas turbines are widely used machine in various industries such as power generation, aviation and ship. For high efficiency and power output of gas turbine, higher turbine inlet temperature(TIT) is required. However, TIT is limited due to the limitation of materials. Therefore, cooling techniques for high temperature components such as combustors, vanes, and blades exposed to high thermal loads have been developed in decades and thorough understanding of the flow field and heat transfer characteristics for high temperature components are required. Recently, in order to reduce the emission of nitrogen oxide causing pollution of the environment, gas turbine adopts the lean premixed combustion method instead of the conventional diffusive combustion method. Accordingly, the temperature of the combustion gas near the endwall increases and understanding the flow field and heat transfer characteristics near endwall becomes more important. The flow field and heat transfer characteristics of endwall change periodically due to the interaction between the vane and the rotating blades. This study was carried out numerically using detached eddy simulation(DES) to understand how the flow field and heat transfer characteristics near the endwall of the gas turbine blade change with the vane/blade relative position. To simulate the vane, cylinder was used and the blades were simulated with a linear cascade. Numerical analysis was carried out by dividing into five cases including the base case which does not consider the vane and four relative position cases. SST k-w IDDES turbulence model was used and 8 million hexahedral grids were used.
The flow field characteristics were analyzed by pressure coefficient, incoming velocity distributions, turbulence kinetic energy, and three-dimensional vortex structures. The vane/blade relative position has a considerable influence on the flow field characteristics near the endwall. In particular, the secondary flow including the horseshoe vortex and the passage vortex change depending on the relative position. Before analyzing the relative position effects on the heat transfer characteristics of the endwall, DES results were compared with RANS and experimental results for the base case. RANS results showed a large variation of the heat transfer results and incorrectly predicted the position of the passage vortex compared to experimental results. DES results predicted the passage vortex location to be in good agreement with the experimental results and the local heat transfer distribution showed similar results. As a result of analyzing the effect on each relative position by DES, in position-0 case, the occurrence of the horseshoe vortex was disturbed by the wake of the cylinder and no passage vortex occurred. The heat transfer distribution of the endwall was uniform. In the case of position-1, position-2, and position-3, the horseshoe vortex occurred; however, the heat transfer distribution of the endwall was different according to the point where the wake and the passage vortex meet.
Gas turbines are widely used machine in various industries such as power generation, aviation and ship. For high efficiency and power output of gas turbine, higher turbine inlet temperature(TIT) is required. However, TIT is limited due to the limitation of materials. Therefore, cooling techniques for high temperature components such as combustors, vanes, and blades exposed to high thermal loads have been developed in decades and thorough understanding of the flow field and heat transfer characteristics for high temperature components are required. Recently, in order to reduce the emission of nitrogen oxide causing pollution of the environment, gas turbine adopts the lean premixed combustion method instead of the conventional diffusive combustion method. Accordingly, the temperature of the combustion gas near the endwall increases and understanding the flow field and heat transfer characteristics near endwall becomes more important. The flow field and heat transfer characteristics of endwall change periodically due to the interaction between the vane and the rotating blades. This study was carried out numerically using detached eddy simulation(DES) to understand how the flow field and heat transfer characteristics near the endwall of the gas turbine blade change with the vane/blade relative position. To simulate the vane, cylinder was used and the blades were simulated with a linear cascade. Numerical analysis was carried out by dividing into five cases including the base case which does not consider the vane and four relative position cases. SST k-w IDDES turbulence model was used and 8 million hexahedral grids were used.
The flow field characteristics were analyzed by pressure coefficient, incoming velocity distributions, turbulence kinetic energy, and three-dimensional vortex structures. The vane/blade relative position has a considerable influence on the flow field characteristics near the endwall. In particular, the secondary flow including the horseshoe vortex and the passage vortex change depending on the relative position. Before analyzing the relative position effects on the heat transfer characteristics of the endwall, DES results were compared with RANS and experimental results for the base case. RANS results showed a large variation of the heat transfer results and incorrectly predicted the position of the passage vortex compared to experimental results. DES results predicted the passage vortex location to be in good agreement with the experimental results and the local heat transfer distribution showed similar results. As a result of analyzing the effect on each relative position by DES, in position-0 case, the occurrence of the horseshoe vortex was disturbed by the wake of the cylinder and no passage vortex occurred. The heat transfer distribution of the endwall was uniform. In the case of position-1, position-2, and position-3, the horseshoe vortex occurred; however, the heat transfer distribution of the endwall was different according to the point where the wake and the passage vortex meet.
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