[논문]회전하는 터빈 블레이드 내부 이차냉각유로에서 엇갈린요철과 평행요철이 열/물질전달에 미치는 영향

이세영; 이동호; 조형희

doi:10.3795/ksme-b.2002.26.9.1249

회전하는 터빈 블레이드 내부 이차냉각유로에서 엇갈린요철과 평행요철이 열/물질전달에 미치는 영향
Effect of Cross/Parallel Rib Configurations on Heat/Mass Transfer in Rotating Two-Pass Turbine Blade Internal Passage 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.26 no.9 = no.204, 2002년, pp.1249 - 1259

이세영 (연세대학교 기계공학과) , 이동호 (연세대학교 기계공학과) , 조형희

Abstract ▼ AI-Helper

The present study investigates the convective heat/mass transfer inside a cooling passage of rotating gas-turbine blades. The rotating duct has various configurations made of ribs with 70。 attack angle, which are attached on leading and trailing surfaces. A naphthalene sublimation technique is employed to determine detailed local heat transfer coefficients using the heat and mass transfer analogy. The present experiments employ two-surface heating conditions in the rotating duct because the surfaces, exposed to hot gas stream, are pressure and suction side surfaces in the middle passages of an actual gas-turbine blade. In the stationary conditions, the parallel rib arrangement presents higher heat/mass transfer characteristics in the first pass, however, these characteristics disappear in the second pass due to the turning effects. In the rotating conditions, the cross rib present less heat/mass transfer discrepancy between the leading and the trailing surfaces in the first pass. In the second pass, the heat/mass transfer characteristics are much more complex due to the combined effects of the angled ribs, the sharp fuming and the rotation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 실제 가스터빈 블레이드의 냉각은 요철, 유로 형상, 회전 등의 여러가지 인자들이 복합적으로 작용함으로서 그 예측이 매우 어렵다. 본 연구에서는 이와 같은 여러가지 인자들을 동시에 고려하여 회전하는 이차유로 내부에서의 국소 열전달 특성을 고찰하였다.
본 연구에서는 전연면과 후연면에서 요철의 배열을 변화시켜가면서 실험을 수행하였다. 다양한 요철배열을 간략하게 표기하기 위하여 Fig.

제안 방법

Won 등3) 은 매끈한 2 선회덕트 (two-pass duct) 내부의 회전이 열/물질전달에 미치는 영향에 대해서 고찰하였으며, Prabhu와 Vedula, ">는 2선회덕트 에서의 압력강하 실험을 통해 정지시와 회전시의 압력강하 특성을 고찰하였으며 Jang 등<顷은 회전 덕트 내에서의 유동 및 열전달 특성을 Reynolds stress 난류 모델을 사용하여 수치적으로 예측하였다.Al-Qahtani 등⑭과 Azad 등时은 180 ° 곡관부를갖는 유로에서의 유동 및 열전달 특성을 수치해석과 실험을 통해 고찰함으로서 내부 유동 특성 및 열전달 특성을 체계적으로 고찰하였다. 지금까지의 연구들은 대부분 열전달 특성에 영향을 미치는 인자를 개별적으로 제한하여 냉각 성능을 파악하였다.
Chandra와 Han00와 Lee 등(1)은 나프탈렌 승화법을 이용하여 정지 채널에서의 국소 열/물질전달 계수 값을 얻었다. Ekkad 등佝eTLC (Thermochromaic Liquid Crystal)를 이용하여 요철이 없는 덕트와 요철이 설치된 덕트 내부의 국소 열전달을 측정하였으며 Song과 Amano⑺는 non-linear k-w model을 사용하여 수치적으로 내부유동 장을 예측하였다. Mochizuchi 등低令은 곡관 부를 갖는 정지덕트에서 Cho 등㈣은 곡관 부를 갖는 회전 덕트 내부에서 요철의 배열효과를 고찰하였다.
본 실험에서는 국소 물질전달 계수를 요철이 없는 완전 발달한 원원형관에서의물질전달계수로 나누어 그 비(Sh/Sho)로 나타내었다. 완전 발달한 원형 관의 물질전달계수는 Dittus와 Boelter(顷에 의해서 제시된 식에 열/물질전달의상사 성을을 이용하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.
송풍실험 전후의 시험판의 나프탈렌의 고도차이로부터 국소 나프탈렌 승화량을 구하고 측정 전후의 자연대류에 의한 승화량을 보정하여 이로부터 무차원 물질전달계수인 Sherwood 수를 구한다. 이때 구해지는 물질전달계수 如은 다음과 같이 구한다.

대상 데이터

2% 이내의 정확한 조절이 가능하다. 실험 시 온도 조건을 측정하기 위해서 장치 내에 4개의 J 형 열전대(Iron-Constantan)가 설치되어 있다. 오리피스와 플리넘 직후에 각각 한 개의 열전대를 설치하였으며 나프탈렌 표면의 온도를 측정하기 위한 열전대가 전/후연 나프탈렌 시험 시편 에 각각 한 개씩 설치되어 있다.
따라서, 터빈 블레이드의 회전방향과 연관시키면 전연면은 터빈 블레이드의 흡입면(suction side), 후연면은 압력면 (pressure side)에 해당한다. 실험 채널의 유로는 1:2(20 mmx 40 mm)의 단면 비(Wx H)를 가지며 수력직경㈣)은 26.67 mm이다. 수력직경 대비 가열 면의 최대 회전반경(RE»은 21.

이론/모형

0、少 는 채널을 지나는 유동의 나프탈렌 평균 증기 밀도(bulk density)를 나타내며 나프탈렌 승화량은송풍실험 전후의 고도차이와 실험 시간 그리고 고체 나프탈렌의 밀도(0=1162 kg/n?)로부터 구해진다. 나프탈렌의 증기 밀도(, 。 )는 이상기체 상태 방정식에 의해서 다음과 같이 구할 수 있으며 이때 나프탈렌의 포화 증기압은 Ambrose 등渺) 에의해서 제시된 식을 사용하였다.

성능/효과

(1) 1차 유로에서는 Coriolis 힘의 영향으로 후연의 열/물질전달 계수 값이 전연보다 높게 나타나는 것을 볼 수 있다. 이때 전/후연간의 열/물질전달의 차이는 평행요철배열이 엇갈린요철 배열보다 크게 나타난다.
(1) 1차 유로에서는 평행요철배열이 엇갈린 요철배열보다 높은 열/물질전달 계수를 나타낸다. 이는 요철 배열에 의해서 내부에 생성되는 이차 유동이 엇갈린요철의 경우 단일 셀의 형태이지만 평행요철의 경우 두 개의 셀을 갖는 이차 유동의 형태를 갖기 때문이다.
(2) 2차유로에서는 엇갈린 요철 배열은 전/후 연간의 면적평균 열/물질전달의 차이가 크게 나타나는 반면 평행요철배열은 면적평균 전/후 연의 열/물질전달은 거의 비슷한 값을 나타낸다.
(3) 엇갈린 배열인 nnpp 요철배열의 2차유로 전연의 열/물질전달 계수 값은 후연보다 낮게 나타나며 ppnne 전연이 후연보다 높게 나타난다. 이는 정지 덕트의 경우와 같다.
후연에서는 Dean 와류의 방향과 요철에 의한 이차유동이 일치하여 외벽쪽에 매우 높은 열/물질전달이 일어난다. 이상의 결과로부터 회전익에서는 엇갈린 요철이 설치된 경우 2차 유로의 외벽 근처의 열/물질전달을 향상시키는 이차 유동 구조가 발달할 것으로 예상할 수 있다.

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Cho, H. H., Lee, S. Y. and Wu, S. J, 2001, 'The Combined effects of rib arrangements and discrete ribs on local Heat/Mass transfer in a square duct,' ASME Paper No. 2001-GT-175

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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