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문제 정의
- 본 연구에서는 저속 환형 익렬 내에 고정된 터빈 블레이드에 대해서 터빈 블레이드 상대위치변화에 따른 블레이드 끝단면 및 슈라우드에서의 국소 열/물질전달 특성을 고찰하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 또한, 대부분의 기존 연구들은 끝단면, 슈라우드등 각각의 요소에 대해서 독립적인 결과를 제시하였기 때문에 블레이드 및 슈라우드에서의 열전달 특성을 정확하게 해석하는더「한계를 갖는다 본 연구에서는 환형 터빈 익렬을 이용하여, 고정된 블레이드의 끝단면 및 슈라우드 표면에서의 국소열/물질전달계수를 측정하여 국소적인 열전달 특성을 고찰하였다. 이를 통해 보다 정확하게열/물질전달특성을 고찰하고자 하였다.
- 이에 본 연구에서는 Rhee와 Cho°)의 연구 결과를 기초로 하여 상류 베인에 대한 블레이드의 상대위치 변화에 따른 고정된 블레이드 끝단면과 슈라우드에서의 국소 열전달 특성을 고찰하였다. 또한, 대부분의 기존 연구들은 끝단면, 슈라우드등 각각의 요소에 대해서 독립적인 결과를 제시하였기 때문에 블레이드 및 슈라우드에서의 열전달 특성을 정확하게 해석하는더「한계를 갖는다 본 연구에서는 환형 터빈 익렬을 이용하여, 고정된 블레이드의 끝단면 및 슈라우드 표면에서의 국소열/물질전달계수를 측정하여 국소적인 열전달 특성을 고찰하였다.
제안 방법
- 고찰하였다. 또한, 대부분의 기존 연구들은 끝단면, 슈라우드등 각각의 요소에 대해서 독립적인 결과를 제시하였기 때문에 블레이드 및 슈라우드에서의 열전달 특성을 정확하게 해석하는더「한계를 갖는다 본 연구에서는 환형 터빈 익렬을 이용하여, 고정된 블레이드의 끝단면 및 슈라우드 표면에서의 국소열/물질전달계수를 측정하여 국소적인 열전달 특성을 고찰하였다. 이를 통해 보다 정확하게열/물질전달특성을 고찰하고자 하였다.
- 환형 유로 내에서의 유속 측정 및 슈라우드 면에서의 국소 열/물질전달계수 및 정압측정을 용이하게 하기 위하여 환형 유로의 바깥쪽 면에 여러 개의 창을 가공하였다. 또한, 블레이드 표면에서의 온도 및 압력측정 결과를 획득하기 위해 20채널 슬립링(slip ring)을 디스크에 설치하였다.
- 환형 유로는 외경 900mm, 내경 640mni로 유로의 높이는 130mm 이다. 베인과 블레이드는 각각 16개씩 설치되어 있으며, 베인은, 환형 유로 입구로부터 540mtn 떨어진 곳에, 블레이드는 베인 하류 34mm 떨어진 곳에 위치하도록 제작하였다. 블레이드는 회전이 가능한 디스크에 고정되어 있으며, 본 실험에서는 디스크를 고정시킨 후 실험을 수행하였다.
- 1은 본 실험에 사용된 실험장치의 개략도를 나타내는 그림이다. 본 실험에는 환형 터빈익렬이 장착된 저 속 풍동이 사용되 었으며, 크게 상류측 팬(fan), 1단 터빈 시험부, 하류측 흡입팬 등 세 부분으로 나누어진다. 상류 팬을 통해 유입된 유동은 정체실(plenum chamber)을 지나 환형 유로로 유입되고, 이후 시험부, 즉 베인과 블레이드를 지난 후 하류측 팬을 통해 외부로 배출된다.
- 이러한 특성은 열전달 계수 분포를 통해 확인할 수 있다. 본 실험에서는 블레이드 주위 유동의 반복성 및 블레이드 상대위치 변화에 따른 유동특성을 간접적으로 파악하기 위해 x/Cx=0.34에서의 정압계수의 차(AC)를 측정하였다.
- 승화깊이는 실험 전과 후의 나프탈렌표면고도를 측정함으로써 얻을 수 있다. 본 연구에서는 블레이드 표면 등 측정하고자 하는 면이 곡면이기 때문에 3 축의 직선이송장치에 선형가변 차동변환기 (LVDT; linear variable differential transformer)를 연결하고 1 축의 회전장치에 시편을 장착하여 측정하였다. LVDT 및 4 축 측정 장비의 자세한 사양은 Rhee"》에 제시되어 있다.
- 블레이드 상대위치 변화에 따른 유동장 분포를 알기 위해서 블레이드가 Position-0, 2, 3, 5에 설치된 경우 속도분포 및 난류강도 분포를 측정하였다. Fig.
- 베인과 블레이드는 각각 16개씩 설치되어 있으며, 베인은, 환형 유로 입구로부터 540mtn 떨어진 곳에, 블레이드는 베인 하류 34mm 떨어진 곳에 위치하도록 제작하였다. 블레이드는 회전이 가능한 디스크에 고정되어 있으며, 본 실험에서는 디스크를 고정시킨 후 실험을 수행하였다.
- 실험에 사용된 터빈 블레이드는 평면의 끝단 형상(flat tip)을 갖도록 하였으며, 끝단면은 압력 면 측으로 3.8° 경사지도록 설계하였다. 이때 평균 끝단 간극은 3.
- 압력분포 특성을 관찰하기 위하여 나프탈렌코팅된 블레이드 시편 좌우의 블레이드 미드스팬 표면에 정압탭(Static pressure tap)을 설치하여 실험중 미드스팬에서의 정압을 측정하였으며, 슈라우드 표면에 70개의 정압탭을 설치하여 압력분포 특성을 고찰하였다.
- 앞서 언급한 바와 같이, 블레이드의 상대 위치변화에 따른 효과를 고찰하기 위하여, 상류베인에 대한 블레이드의 상대위치를 변화시켜가며 블레이드 끝단면과 슈라우드에서의 열/물질전달계수를 측정하였다. 이를 위해 Fig.
- 측정하였다. 이를 위해 Fig. 4에 제시된 바와 같이, 베인 간격에 대해서 블레이드의 위치를 Position-0부터 Position-5까지 총 6곳으로 나누어지도록 설치하였다.
- 환형 유로 내 베인의 상류에 두 개의 피토관 (pitot tube) 을 설치하여 유로 내 유속을 측정하였으며, 총 6개의 J-type 열전대를 환형 유로에 설치하여 실험 중 유입유동의 온도를 측정하였다. 환형 유로 내에서의 유속 측정 및 슈라우드 면에서의 국소 열/물질전달계수 및 정압측정을 용이하게 하기 위하여 환형 유로의 바깥쪽 면에 여러 개의 창을 가공하였다.
- 환형 유로 내에서의 유속 측정 및 슈라우드 면에서의 국소 열/물질전달계수 및 정압측정을 용이하게 하기 위하여 환형 유로의 바깥쪽 면에 여러 개의 창을 가공하였다. 또한, 블레이드 표면에서의 온도 및 압력측정 결과를 획득하기 위해 20채널 슬립링(slip ring)을 디스크에 설치하였다.
대상 데이터
- 제작하였다. 슈라우드 시편은 나프탈렌 면이 축방향으로 1.14G, 원주방향으로 2피치를 포함하도록 제작하였다.
- 상류 팬을 통해 유입된 유동은 정체실(plenum chamber)을 지나 환형 유로로 유입되고, 이후 시험부, 즉 베인과 블레이드를 지난 후 하류측 팬을 통해 외부로 배출된다. 정체실은 직경 1,000mm의 고무관으로 제작되었으며, 유동의 안정화를 위하여 내부에 허니콤(honeycomb)과 고운 망 (screen)을 설치하였다. 환형 유로는 외경 900mm, 내경 640mni로 유로의 높이는 130mm 이다.
- 4。로 블레이드 입구각도와 같도록 하였다. 터빈 블레이드는 GE 7FA 1단 터빈 블레이드의 미드스팬 형상으로 제작하였으며, 코드길이(chord length)는 150mm, 미드스팬 기준 블레이드 사이 간격은 1.01C 이다. 블레이드 형상에 대한 자세한 정보는 Table 1에 제시되어있다.
- 정체실은 직경 1,000mm의 고무관으로 제작되었으며, 유동의 안정화를 위하여 내부에 허니콤(honeycomb)과 고운 망 (screen)을 설치하였다. 환형 유로는 외경 900mm, 내경 640mni로 유로의 높이는 130mm 이다. 베인과 블레이드는 각각 16개씩 설치되어 있으며, 베인은, 환형 유로 입구로부터 540mtn 떨어진 곳에, 블레이드는 베인 하류 34mm 떨어진 곳에 위치하도록 제작하였다.
이론/모형
- Fig. 5는 상류 베인 입구 및 출구에서의 유입유동의 속도 및 난류강도 분포를 나타내는 그림이다 본 실험에서 유동장은 열선유속계(hot wire anemo-metry, TSIIFA-300)를 이용하여 측정하였다. 유동측정과 관련된 자세한 사항은 Rhee와 Cho<")에 제시되어 있다.
- 본 실험에서는 나프탈렌승화법을 이용하여 블레이드 끝단 및 슈라우드에서의 국소 물질전달계수를 측정하였다. 블레이드와 슈라우드 시편 개 략도는 Fig.
- 본 연구에서는 국소 열/물질전달계수를 측정하기 위해 나프탈렌승화법을 이용하여 실험을 수행하였다. 이 실험방법은 열전달 실험방법에서 발생하는 전도 및 복사오차를 제거할 수 있으며, 벽면 경계조건은 열전달 실험조건에 있어서 등온조건에 해당한다.
- 본 연구에서는 물질전달 실험방법 중 하나인 나프탈렌승화법을 이용하였으며, 그 결과로 물질전달계수의 무차원수인 Sherwood 수를 제시하였다.
성능/효과
- (1)상류 베인과 블레이드의 상대위치 변화에 따라 블레이드로 유입되는 유동의 유속 및 난류강도 분포가 변화하며, 특히, Position-1과 Position-2의 경우, 블레이드 전연부의 유동방해 효과가 극대화되기 때문에 유입유동의 대부분이 블레이드 하류 간극쪽으로 유입되는 형태를 갖는 것으로 나타났다.
- (5) 블레이드 끝단면과 슈라우드에서의 전체평균 열/물질전달계수 분포는 상대위치 변화에 따라 변화하는 분포를 갖지만, 국소값 분포에 비해 그 변화의 폭이 크지 않은 것으로 나타났다. 따라서, 보다 정확한 열/물질전달 해석을 위해서는 국소적인 열/물질전달 특성을 고려하는 것이 필수적이다.
- 압력면 측은 전체적으로 균일한 분포를 보이는 반면, 흡입면 측에서는 상류쪽에서 유동 가속과 함께 정 압이 급격히 감소한 뒤 하류로 '진행하면서 서서히 압력을 회복하는 역압력 구배를 갖는다. 따라서, 이 구간에서 유동의 재층류화 이후 난류로의 천이현상(transition to turbulent flow)이 발생하는 것을 예측할 수 있으며, 이러한 현상은 열전달 특성에서 확인할 수 있다.
- 비해…70% 정도의 평균값을 갖는 것을 알 수 있다. 또한, 블레이드 끝단면의 경우와는 다르게 슈라우드에서는 블레이드 상대위치변화에 따른 평균값이 변화는 크지 않은 것으로 나타났다. 이것은 블레이드 상대 위치변화에 따른 압력면 주위에서의 극대값과 흡입면 외부에서의 극대값의 크기 변화가' ' 반대로 나타나기 때문인 것으로 생각된다.
- 특히, 블레이드의 전연이 위치하는 곳의 상류영역에는 블레이드의 차폐효과 (blockage effect) 로 인해 상대적으로 낮은 유속을 갖는 것으로 나타났다. 또한, 전체적으로 베인 후연 하류에서는 후류의 영향으로 인해 유속은 평균 유속의 50-70% 정도의 크기를 갖고 평균 난류강도인 3.5%에비해 높은 값을 갖는다.
- 그림에서 압력면 부근에 검은 영역은 재순환영역(recirculation), 점선으로 표시된 밝은 부분은 유동의 재부착 지점을 나타낸다. 물질전달 실험결과와 마찬가지로 블레이드의 상대위치 변화에 따라 재순환 영역 및 재부착 영역의 크기가 변화하는 것을 확인할 수 있다. 참고로, 흡입면 부근에서도 정체영역과 유사한 검은 영역이 보이는데 이것은 끝단면의 탄소입자가 흡입면 쪽으로 이동하면서 모이기 때문에 나타나는 현상이다.
- 본 연구에서의 불확실성 해석은 Kline 과 Mc- Clintockm)의 방법을 이용하여 이루어졌으며, 95%의 신뢰도에 대해서 +7.4% 인 것으로 나타났다.
- 블레이드 압력면 모서리를 따라 유동의 가속으로 인해 나타나는 열전달 촉진영역의 경우, Position-1 과 2에서 다른 위치에 비해 상대적으로 높은 열전달 계수를 갖는 것으로 나타났다. 이것은 유동이 하류측으로 쏠리기 때문에 간극 내로 유입되는 유동의 양이 증가하기 때문인 것으로 생각된다: 반면에 흡입면의 외부에서 나타나는 상류측 누설유동에 의해 생성되는 열전달 촉진영역에서의 열/물질전달계수는 다른 위치의 결과에 비해 상대적으로 낮은 것을 알 수 있다.
- 블레이드의 위치변화에 따라 최대 정압계수의 차가 정현파(sine wave)를 그리며 변화하는 것을 알 수 있으며, Position-1과 Position-2의 경우 정압의 변화폭이 매우 큰 것으로 나타났다. 반면에, 유속분포결과에서 언급했듯이, Position-5의 경우 매우 안정된 값을 갖는 것을 알 수 있다.
- 상대위치 변화에 따라 압력면 모서리 인접부 및 흡입면 외부 누설유동에 의한 열/물질전달 촉진영역에서의 열/물질전달계수가 변화하는 것으로 나타났다. 따라서, 끝단면의 경우와 마찬가지로 회전에 따라 주기적인 열부하를 받을 것을 알 수 있다.
- Position-2의 경우, 베인 후연과 블레이드의 전연에 의한 유동방해 효과가 다른 경우들에 비해 매우 크기 때문에 블레이드 전연 상류에서의 유속은 평균유속의 약 50%인 것으로 나타났다. 이에 반해 Fig. 8에서 볼 수 있듯이, 난류강도는 30%까지 증가하여, 다른 영역에서의 값에 비해 최대 10배 정도 높은 것으로 나타났다.
- 이와 같이, 베인과 블레이드의 상대위치 변화에 따라 상류 유동장이 영향을 받게 되어 끝단면에서의 열전달 특성이 크게 변화하는 것을 확인할 수 있다. 특■히, 끝단면에서 전연 인접영역은 최대 , 5。% 가까이 물질전달계수의 크기가 상대위치변화에 따라 주기적으로 변화하는 것으로 나타났으며, 이로부터 실제 블레이드가 회전하는 경우 끝단면이 주기적인 열부하를 받게 되는 것을 예상할 수 있다.
- 이처럼 슈라우드에서도 블레이드의 위치이동에 따라 간극 주위에서 열/물질전달계수가 주기적으로 '변화하는 것을 관찰하였으며, 끝단면의 경우에 비해 그 정도가 크지는 않지만 주기적인 열부하를 받는 것을 확인할 수 있었다.
- 이것은 유동이 하류측으로 쏠리기 때문에 간극 내로 유입되는 유동의 양이 증가하기 때문인 것으로 생각된다: 반면에 흡입면의 외부에서 나타나는 상류측 누설유동에 의해 생성되는 열전달 촉진영역에서의 열/물질전달계수는 다른 위치의 결과에 비해 상대적으로 낮은 것을 알 수 있다. 이후 Position-3, 4, 5로 이동하면서 압력면 모서리를 따라 나타나는 열/물질전달계수 분포는 균일해지는 반면, 흡입면 외부의 열전달촉진영역은 열/물질전달계수가 증가하는 것으로 나타났다.
- 있다. 특히, 블레이드가 베인과 베인 사이 중간영역에 설치된 Position-0가 아닌 Position-5인 경우가 제일 균일한 유입 유동장을 갖는 것으로 나타났다. 이것은 Position-5의 경우 상류 베인과 블레이드 사이의 상호작용에 의한 유동 입사각 변화가 가장 적은 것을 의미한다.
- 블레이드가 설치되는 경우 베인의 출구 면적이 블레이드에 의해 변화하기 때문에 터빈 블레이드의 전연 위치에 따라 유속 및 난류강 도분포가 달라지는 것을 알 수 있다. 특히, 블레이드의 전연이 위치하는 곳의 상류영역에는 블레이드의 차폐효과 (blockage effect) 로 인해 상대적으로 낮은 유속을 갖는 것으로 나타났다. 또한, 전체적으로 베인 후연 하류에서는 후류의 영향으로 인해 유속은 평균 유속의 50-70% 정도의 크기를 갖고 평균 난류강도인 3.
- 11에 제시된 모든 경우 위에서 설명한 것과 같은 열전달 특성을 갖는 것으로 나타났다. 하지만, 블레이드 유입 유동장 분포로부터 예상할 수 있듯이, 베인과 블레이드 사이의 상대위치변화에 따라 높은 물질전달계수를 갖는' 영역이 변화하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 및 슈라우드에 적용되고 있다. 하지만, 보다 효과적인 냉각방법 개발 및 개선을 위해서는 블레이드와 슈라우드에서의 국소적인 열전달 특성을 정확하게 고찰하는 것이 우선되어야 한다.
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