가스터빈은 항공용, 발전용 등 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 효율 및 성능 향상을 위해 터빈입구온도는 지속적으로 증가 추세에 있다. 최근 항공용 엔진의 터빈 입구온도는 3000°F까지 올려 작동시키고 있으며 이는 재질의 열한계점을 상회하고 있다. 이에 따라 터빈 벽면온도를 낮추기 위해 다양한 냉각기술이 터빈부품에 연구 개발되어 적용되고 있다. 그중 블레이드 팁은 회전하는 블레이드 팁과 고정된 ...
가스터빈은 항공용, 발전용 등 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 효율 및 성능 향상을 위해 터빈입구온도는 지속적으로 증가 추세에 있다. 최근 항공용 엔진의 터빈 입구온도는 3000°F까지 올려 작동시키고 있으며 이는 재질의 열한계점을 상회하고 있다. 이에 따라 터빈 벽면온도를 낮추기 위해 다양한 냉각기술이 터빈부품에 연구 개발되어 적용되고 있다. 그중 블레이드 팁은 회전하는 블레이드 팁과 고정된 슈라우드 사이에 유한한 간극이 존재하며, 블레이드 압력면과 흡입면의 압력차로 인해 고온의 연소가스가 흐르는 누설유동이 발생한다. 누설유동은 블레이드 팁에서 높은 열전달 계수를 야기하며 블레이드 파손의 주요 원인으로 작용한다. 블레이드 팁에서의 열전달을 감소시키기 위해 홈이나 장애물을 설치한 Squealer Tip을 적용하고 있으며, 이는 유동저항으로 작용하여 누설유동 및 열전달을 감소시킨다. 최근에는 항공용 및 발전용 터빈 1단계 블레이드에 Shelf가 있는 Squealer Tip 형상이 적용되고 있으며, 이에 대한 연구가 진행되고 있다. 하지만 기존 연구는 수치해석을 통한 공력적 특성(Tip Leakage Flow, Efficiency) 위주의 연구가 진행되었으며 블레이드 팁의 열전달 특성에 대한 연구는 부족한 실정이다. 그러므로 본 연구에서는 Transient IR Thermography 방법을 이용하여 Shelf Squealer Tip이 적용된 블레이드 팁에서의 열전달 특성과 막냉각 효율에 대하여 연구를 수행하였다. 실험은 선형 익렬장치에서 진행하였으며, 블레이드는 3D 프린트로 제작되었으며 끝단 형상을 교체가능 하도록 설계하였다. 실험기법은 Transient IR Thermography 방법을 통해 블레이드 팁에서의 열전달을 측정하였다. Shelf Squealer Tip 적용에 따른 열전달 특성 분석을 위해 수치해석을 통한 유동분석을 병행하여 실험결과와 비교하였다. 실험결과 블레이드 Shelf의 형상에 따라 블레이드 팁에서의 유동 재부착(Reattachment), 재순환 유동(Recirculation) 등의 와류가 변화하였으며 이로 인해 다양한 열전달 분포가 나타났다. Shelf Squealer Tip의 경우 기존의 Squealer Tip에 비해 전연면 부근에서 유동 재부착 영역이 감소되었으며, 이에 따라 전반적으로 블레이드 팁에 낮은 열전달 분포를 형성하였다. 본 연구를 통해서 Shelf가 적용된 블레이드 팁에서 자세한 열전달 분포를 제공함으로써 블레이드 끝단주변에서의 열전달 현상을 이해하고 파악할 수 있으며, 추후 열응력이 높은 부분을 식별하여 개선함으로써 향후 가스터빈의 개발의 기초설계 자료로 활용될 수 있다고 생각된다.
가스터빈은 항공용, 발전용 등 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 효율 및 성능 향상을 위해 터빈입구온도는 지속적으로 증가 추세에 있다. 최근 항공용 엔진의 터빈 입구온도는 3000°F까지 올려 작동시키고 있으며 이는 재질의 열한계점을 상회하고 있다. 이에 따라 터빈 벽면온도를 낮추기 위해 다양한 냉각기술이 터빈부품에 연구 개발되어 적용되고 있다. 그중 블레이드 팁은 회전하는 블레이드 팁과 고정된 슈라우드 사이에 유한한 간극이 존재하며, 블레이드 압력면과 흡입면의 압력차로 인해 고온의 연소가스가 흐르는 누설유동이 발생한다. 누설유동은 블레이드 팁에서 높은 열전달 계수를 야기하며 블레이드 파손의 주요 원인으로 작용한다. 블레이드 팁에서의 열전달을 감소시키기 위해 홈이나 장애물을 설치한 Squealer Tip을 적용하고 있으며, 이는 유동저항으로 작용하여 누설유동 및 열전달을 감소시킨다. 최근에는 항공용 및 발전용 터빈 1단계 블레이드에 Shelf가 있는 Squealer Tip 형상이 적용되고 있으며, 이에 대한 연구가 진행되고 있다. 하지만 기존 연구는 수치해석을 통한 공력적 특성(Tip Leakage Flow, Efficiency) 위주의 연구가 진행되었으며 블레이드 팁의 열전달 특성에 대한 연구는 부족한 실정이다. 그러므로 본 연구에서는 Transient IR Thermography 방법을 이용하여 Shelf Squealer Tip이 적용된 블레이드 팁에서의 열전달 특성과 막냉각 효율에 대하여 연구를 수행하였다. 실험은 선형 익렬장치에서 진행하였으며, 블레이드는 3D 프린트로 제작되었으며 끝단 형상을 교체가능 하도록 설계하였다. 실험기법은 Transient IR Thermography 방법을 통해 블레이드 팁에서의 열전달을 측정하였다. Shelf Squealer Tip 적용에 따른 열전달 특성 분석을 위해 수치해석을 통한 유동분석을 병행하여 실험결과와 비교하였다. 실험결과 블레이드 Shelf의 형상에 따라 블레이드 팁에서의 유동 재부착(Reattachment), 재순환 유동(Recirculation) 등의 와류가 변화하였으며 이로 인해 다양한 열전달 분포가 나타났다. Shelf Squealer Tip의 경우 기존의 Squealer Tip에 비해 전연면 부근에서 유동 재부착 영역이 감소되었으며, 이에 따라 전반적으로 블레이드 팁에 낮은 열전달 분포를 형성하였다. 본 연구를 통해서 Shelf가 적용된 블레이드 팁에서 자세한 열전달 분포를 제공함으로써 블레이드 끝단주변에서의 열전달 현상을 이해하고 파악할 수 있으며, 추후 열응력이 높은 부분을 식별하여 개선함으로써 향후 가스터빈의 개발의 기초설계 자료로 활용될 수 있다고 생각된다.
Gas turbine has been used for various purposes including for aircraft and generators. Turbine inlet temperature has been constantly increasing to improve efficiency and performance. Recently, the turbine inlet temperature of aircraft engine has been operated up to 3000"ヒF, which exceeds the m...
Gas turbine has been used for various purposes including for aircraft and generators. Turbine inlet temperature has been constantly increasing to improve efficiency and performance. Recently, the turbine inlet temperature of aircraft engine has been operated up to 3000"ヒF, which exceeds the material`s heat limit. Accordingly, various cooling technologies have been studied, created and applied to the components of turbine to reduce turbine`s local wall temperature. A finite clearance exists in the blade tip between the rotating blade tip and fixed shroud. A leakage flow of burning gas with high temperature occurs from the pressure difference between the pressure side and suction side. Leakage flow leads to high and inhomogeneous heat transfer coefficient in the blade tip and acts as a main cause of blade damage. Squealer tip with groove and rim installed is applied to reduce heat transfer in the blade tip. It acts as a flow resistance, reducing leakage flow and heat transfer. Therefore, various studies on configuration of blade tip based on squealer tip are being conducted. Recently, the squealer tip configuration with a shelf is being applied to the engine blade. The study on its application is being conducted. Prakash [8] conducted study on aerodynamic losses and efficiency at the blade tip with the shelf through numerical analysis. However, there are only few studies on heat transfer characteristics of the blade tip as the conventional study focused on aerodynamic losses through numerical analysis. Therefore, study on the blade tip with the shelf squealer tip applied and heat transfer characteristics in the near area was conducted through the method of transient IR thermography. High heat transfer coefficient was identified near the leading edge due to reattachment of the leakage flow, coming in through the clearance between the shroud and the blade tip. Then, recirculation flow occurs inside the cavity resulting in relatively low heat transfer coefficient. The heat transfer coefficient is low at the trailing edge resulting from the fact that the flow separated from the pressure side as the cavity width narrows is sucked into the suction side without being reattached to the tip of the blade. In the case of the shelf squealer tip, the heat transfer coefficient was low at the leading edge compared to conventional squealer tip, resulting from the reduction of the reattachment areaaround the leading edge. Then, recirculation flow develops as it approaches the trailing edge and the center of the vortex moved to the direction of the suction side. Particularly, in the case of the inclined shelf, the heat transfer coefficient was low as it approached the trailing edge due to leakage flow blocking effect caused by flow separation at the blade tip.
Gas turbine has been used for various purposes including for aircraft and generators. Turbine inlet temperature has been constantly increasing to improve efficiency and performance. Recently, the turbine inlet temperature of aircraft engine has been operated up to 3000"ヒF, which exceeds the material`s heat limit. Accordingly, various cooling technologies have been studied, created and applied to the components of turbine to reduce turbine`s local wall temperature. A finite clearance exists in the blade tip between the rotating blade tip and fixed shroud. A leakage flow of burning gas with high temperature occurs from the pressure difference between the pressure side and suction side. Leakage flow leads to high and inhomogeneous heat transfer coefficient in the blade tip and acts as a main cause of blade damage. Squealer tip with groove and rim installed is applied to reduce heat transfer in the blade tip. It acts as a flow resistance, reducing leakage flow and heat transfer. Therefore, various studies on configuration of blade tip based on squealer tip are being conducted. Recently, the squealer tip configuration with a shelf is being applied to the engine blade. The study on its application is being conducted. Prakash [8] conducted study on aerodynamic losses and efficiency at the blade tip with the shelf through numerical analysis. However, there are only few studies on heat transfer characteristics of the blade tip as the conventional study focused on aerodynamic losses through numerical analysis. Therefore, study on the blade tip with the shelf squealer tip applied and heat transfer characteristics in the near area was conducted through the method of transient IR thermography. High heat transfer coefficient was identified near the leading edge due to reattachment of the leakage flow, coming in through the clearance between the shroud and the blade tip. Then, recirculation flow occurs inside the cavity resulting in relatively low heat transfer coefficient. The heat transfer coefficient is low at the trailing edge resulting from the fact that the flow separated from the pressure side as the cavity width narrows is sucked into the suction side without being reattached to the tip of the blade. In the case of the shelf squealer tip, the heat transfer coefficient was low at the leading edge compared to conventional squealer tip, resulting from the reduction of the reattachment areaaround the leading edge. Then, recirculation flow develops as it approaches the trailing edge and the center of the vortex moved to the direction of the suction side. Particularly, in the case of the inclined shelf, the heat transfer coefficient was low as it approached the trailing edge due to leakage flow blocking effect caused by flow separation at the blade tip.
주제어
#가스터빈 열전달 블레이드 팁 천이열화상측정법 막냉각효율 gas turbine blade tip heat transfer film cooling effectiveness transient infrared thermography
학위논문 정보
저자
서원직
학위수여기관
연세대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
기계공학과
지도교수
조형희
발행연도
2017
총페이지
viii, 82장
키워드
가스터빈 열전달 블레이드 팁 천이열화상측정법 막냉각효율 gas turbine blade tip heat transfer film cooling effectiveness transient infrared thermography
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