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문제 정의
- 가스터빈 블레이드 냉각에 관한 기존 연구에서는 립 또는 딤플을 따로 적용하여 열전달을 증진시키고 있으며, 립에 의한 열전달 증진보다 딤플에 의해 전체적인 열성능이 개선되는 결과를 보이고 있다. 이에 본 연구에서는 립과 딤플이 함께 배치된 복합 냉각 기법의 활용 가능성을 살피기 위해 기존의 립 냉각법과 딤플 냉각법, 복합 냉각법의 열전달 계수분포를 측정, 비교하였다.
제안 방법
- 주유동 온도 측정을 위하여 시험부 상판의 상류와 하류에 열전대를 각각 3개씩 설치하였고, 열전달 계수 계산 시 각 위치에서 온도는 상하류 온도를 보간법을 사용하여 계산하였다. 열성능 계수를 계산하기 위한 차압 측정을 위해서 상류와 하류에 각각 3개의 압력탭을 내어 실험 과정에서의 차압을 측정하였다.
- 주 유동 온도 (Tm), 표면의 초기온도 (Ti)를 측정하고, 시험 면에 도포된 액정의 색상 변화를 이용하여 초기 온도에서 표면 온도 (Tw)까지 경과된 시간 (t)을 측정하고 Eq. 6을 이용하여 액정이 도포된 표면의 대류 열전달 계수(h)를 계산할 수 있다.
- 본 연구에서는 립이 설치된 유로와 딤플이 설치된 유로, 그리고 립과 딤플이 복합 적용된 유로에서의 열전달 계수분포를 천이액정법을 사용하여 측정하였다.
- 2에 나타나 있다. 주유동 온도 측정을 위하여 시험부 상판의 상류와 하류에 열전대를 각각 3개씩 설치하였고, 열전달 계수 계산 시 각 위치에서 온도는 상하류 온도를 보간법을 사용하여 계산하였다. 열성능 계수를 계산하기 위한 차압 측정을 위해서 상류와 하류에 각각 3개의 압력탭을 내어 실험 과정에서의 차압을 측정하였다.
대상 데이터
- Figure 1은 실험 장치의 개략도를 나타내었다. 실험 장치는 전기히터 (12kW), 벤츄리 유량계, 블로워(Pmax = 4800mmH2O, Qmax = 9.8m3/min),두 개의 공압 벨브, 시험부로 구성되어 있다. 시험부 유로의 폭은 100 mm, 높이는 25 mm로 종횡비는 4:1이며 수력직경 (Dh)은 0.
- 8m3/min),두 개의 공압 벨브, 시험부로 구성되어 있다. 시험부 유로의 폭은 100 mm, 높이는 25 mm로 종횡비는 4:1이며 수력직경 (Dh)은 0.04 m이다. 시험부의 위, 아래 판은 15 mm, 옆판은 10 mm 두께의 아크릴로 제작하였다.
- 04 m이다. 시험부의 위, 아래 판은 15 mm, 옆판은 10 mm 두께의 아크릴로 제작하였다. 아래 판에 가공된 딤플의 직경 (D)은 6 mm, 립의 두께 (l)와 높이 (e)는 모두 6 mm 이다.
- 립과 딤플이 있는 시험부 역시 같은 립과 딤플의 치수로 설계 되었다. 실험에 사용된 레이놀즈수는 유로 수력 직경에 대해 30000에서 50000까지 범위에서 실험을 수행하였고, 각 경우에 대해 열전달 계수를 측정하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 열전달계수의 측정은 천이액정법(transient liquid crystal technique)을 사용하였다. 천이 액정법은 가열된 공기를 시험부로 순간적으로 유입시켜 시간에 따른 벽면온도의 변화를 이용하여 열전달 계수를 구하는 방법이다.
성능/효과
- Kim 등[3]은 빠른 유속의 유로에 립, 제트 충돌장치, 딤플을 각각 설치하여 열전달 계수를 측정하였다. 비교 결과 제트충돌을 적용한 유로에서 가장 높은 평균 열전달 계수를 보였으며, , 딤플을 가진 유로가 가장 낮은 열전달 계수를 나타냄을 보였다. 또한 열전달계수 증가 대비 압력 손실 증가비인 열성능 측면에서는 딤플을 가진 유로가 가장 효과적인 냉각 기법임을 확인했다.
- 비교 결과 제트충돌을 적용한 유로에서 가장 높은 평균 열전달 계수를 보였으며, , 딤플을 가진 유로가 가장 낮은 열전달 계수를 나타냄을 보였다. 또한 열전달계수 증가 대비 압력 손실 증가비인 열성능 측면에서는 딤플을 가진 유로가 가장 효과적인 냉각 기법임을 확인했다. Ligrani와 Blascovich[4]는 가스터빈 냉각 기법 중 립과 핀, 딤플등의 기법을 연구하였고, 유동에 돌출되어 있지 않은 립이 상대적으로 낮은 마찰계수를 나타냄을 밝혔다.
- 1) 딤플이 있는 유로의 경우 유동 방향을 따라 딤플의 하류쪽의 열전달이 잘 이루어지고, 재부착과 재순환에 의해 열전달이 증가하였다. 압력 손실은 높은 유로 높이의 영향으로 크지 않게 나타났으며 이로 인해 열성능계수 또한 높게 나타나고 있다.
- 2) 립이 있는 유로의 경우 유로에 설치된 경사립에 의해 바닥면을 따라 이차 유동이 발생되었고, 이로 인해 열전달 계수도 비대칭적으로 분포되었다.
- 3) 립 표면의 열전달 계수는 바닥면에서 보다 크게 나타났으며, 유동의 흐름에 따라 열전달 분포가 표면 전체에서 비대칭적으로 나타남을 알 수 있다.
- 4) 립이 있는 유로의 바닥면에 설치된 딤플은 유로 내 열전달 계수를 증가시켰고, 이에 의해 Nusselt수 비가 립만 있는 경우보다 크게 나타났다.
- 5) 립과 딤플이 복합 적용된 경우 유로의 바닥면에 설치된 딤플에 의해 압력손실은 증가하고 있지만, 열전달 또한 증가하게 되고 함께 고려한 열성능계수는 립만 있는 경우보다 증가되는 결과로 나타났다.
- 8에서 볼 수 있듯이 립과 딤플을 동시에 설치한 경우에는 립만 설치한 경우보다 압력손실이 증가하지만 열전달 계수가 증가비가 상대적으로 더 크기 때문이다. 레이놀즈수가 30000일 때는 립과 딤플 모두 있는 경우의 열성능계수가 높게 나타났고, 레이놀즈수가 40000, 50000에서는 딤플만 있는 경우의 열성능계수가 가장 높게 나타났다. 이것은 립과 딤플을 복합 적용했을 때 열전달 계수는 증가하지만 압력손실 증가비가 딤플만 있는 경우보다 더 커지기 때문이다.
후속연구
- 이것은 립과 딤플을 복합 적용했을 때 열전달 계수는 증가하지만 압력손실 증가비가 딤플만 있는 경우보다 더 커지기 때문이다. 높은 레이놀즈수 영역에서의 이러한 경향은 립과 딤플이 최적화 된다면 개선될 수 있을 것으로 보이고, 추후 최적화를 위한 연구 수행 예정이다.
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