[논문]터빈 동익 컷백스퀼러팁 하류에서의 3차원 유동 및 압력손실

김선웅; 이상우

doi:10.5293/kfma.2011.14.1.048

[국내논문] 터빈 동익 컷백스퀼러팁 하류에서의 3차원 유동 및 압력손실
Three-Dimensional Flow and Aerodynamic Loss Downstream of Turbine Rotor Blade with a Cutback Cavity Squealer Tip 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.14 no.1 = no.64, 2011년, pp.48 - 54

김선웅 (금오공과대학교 기계공학부 대학원) , 이상우 (금오공과대학교 기계공학부)

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The effect of channel cutback on three-dimensional flow fields and aerodynamic losses downstream of a cavity squealer tip has been investigated in a turbine rotor cascade for the squealer rim height-to-chord ratio and tip gap height-to-chord ratio of $h_{st}/c$ = 5.51% and h/c = 2.0% respectively. The cutback length-to-camber ratio is changed to be $CB/c_c$ = 0.0, 0.1, 0.2 and 0.3. The results show that longer cutback delivers not only stronger secondary flow but also higher aerodynamic loss in the tip leakage vortex region, meanwhile it leads to lower aerodynamic loss in the passage vortex region. The discharge of cavity fluid through the cutback opening provides a beneficial effect in the reduction of aerodynamic loss, whereas there also exists a side effect of aerodynamic loss increase due to local wider tip gap near the trailing edge. With increasing $CB/c_c$ from 0.0 to 0.3, the aerodynamic loss coefficient mass-averaged all over the measurement plane tends to increase slightly.

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문제 정의

본 연구에서는 Fig. 2에 제시된 컷백스퀼러팁에서 컷백길이 CB가 스퀼러팁의 공기역학적 성능에 미치는 영향을 연구하고자 한다. 이를 위하여 캠버에 대한 컷백길이의 비 CB/c_c를 0.
본 연구에서는 스퀼러팁의 채널형 컷백이 터빈 동익 익렬하류에서의 2차유동 및 압력손실에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

후)영역IV에서는">영역 IV에서는 강력한 유출 유동이 존재하게 된다. 본 연구에서는 영역 IV를 통하여 흡입면스퀼러를 넘어 유출된 강한 누설유동이 팁누설와류와 함께 큰 압력 손실을 발생시킴에 유의하여, Fig. 2와 같이 뒷전 쪽이 부분 개방된 채널형 컷백(channel cutback) 스퀼러팁을 제안하였다. 이 개방 공간을 통하여 배출된 팁간극 내부의 후)스퀼러 팁의">스퀼러팁의 공기역학적 성능에 미치는 영향을 연구하고자 한다. 이를 위하여 캠버에 대한 컷백길이의 비 CB/c_c를 0.0, 0.1, 0.2, 0.3 등으로 변화시키면서 익렬 하류에서의 3차원 유동 및 압력손실 분포를 측정하였다.
(11) 5공프로우브의 보정에는 각도 분해능이 0.2°인 2축 회전장치를 사용하였고, 피치각과 요각의 보정범위는 각각 -40°에서 40° 사이이며 5° 간격으로 보정실험이 이루어졌다.
본 연구에서는 입구 자유유동속도 U∞를 15m/s로 고정하고 실험을 수행하였고, 이 U∞와 코드길이를 기준으로 한 Reynolds 수는 2.09×105이다.
후)컷백스퀼러 팁은">컷백스퀼러팁은 익형 상단 팁 표면에 설치된다. 본 연구에서는 축 방향을 x-축, 폭(피치) 방향을 y-축, 그리고 높이(스팬) 방향을 z-축으로 설정하였다(Fig. 4).
후)다기능입출력 보드의">다기능입출력보드의 12비트 A-D 변환기를 통해 컴퓨터로 전달된다. 본 연구에서는 프로우브의 정밀한 이송을 위해 3차원 자동이송장치를 사용하였다. 이 장치는 2 mm이다. 본 연구에서는 Fig. 4와 같이 5공프로우브를 익렬의 출구 방향과 평행하게 배치하였다. 본 실험에서는 프로우브 고정법(non-nulling method)을 적용하여 후)5공 프로우브의">5공프로우브의 5개의 압력을 순차적으로 측정하기 위하여 압력스캐너(Furness Controls, FC091-MKII)를 사용 하였고, 이 압력스캐너는 DI/O보드를 이용하여 제어하였다.
0) 사이에서 측정이 이루어졌다. 본 연구에서는 Reynolds 수 효과⁽¹²⁾와 벽면근접 거리의 영향⁽¹³⁾을 최소화하는 방향으로 5공프로우브의 보정및 측정이 이루어졌다.
본 연구에서는 대표적인 팁간극비 h/c = 2.0%와 최적 스퀼러 높이 hst/c = 5.51%⁽⁶⁾에 대하여, 캠버길이에 대한 컷백 길이의 비 CB/cc를 0.0, 0.1, 0.2, 0.3 등으로 변화시키면서 실험을 수행하였다(Fig. 2). 입구 자유유동의 균일성은 컷백에 따른 이차유동의 변화를 정량적으로 파악하기 위해, x-축방향 와도(vorticity) Ωx의 절대값을 측정영역 전체에 걸쳐 평균낸 Ωx를 계산하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 익렬 풍동(cascade wind tunnel)은 개방형 풍동, 입구덕트, 터빈 익렬, 출구덕트 등으로 구성된다(Fig. 3). 개방형 풍동은 0 mm 등이다. 본 연구에서 사용한 익형의 선회각(turning angle)은 119도이다.
후)3차원 유동">3차원유동 및 압력 손실을 측정하기 위해 지지대가 직선 형태인 2단 원추형 5공프로우브를 사용하였다(Fig. 4). 이 5공프로우브는 미국 United Electric Controls 사에서 특별한 사양으로 주문/제작되었고, 4). 이 5공프로우브는 미국 United Electric Controls 사에서 특별한 사양으로 주문/제작되었고, 선단 직경은 3.2 mm이다. 본 연구에서는 Fig.
본 연구에서는 펜티엄-4 PC로 전체 측정시스템을 온라인화 하였으며, 이를 위해 다기능입출력보드 (NI, PCIMIO-16E-4)와 DI/O보드 (NI, PCI-6503)가 컴퓨터에 내장되어 있다.
이론/모형
- 후)5공 프로우브를">5공프로우브를 익렬의 출구 방향과 평행하게 배치하였다. 본 실험에서는 프로우브 고정법(non-nulling method)을 적용하여 5공프로우브를 보정 하였다.⁽¹¹⁾ 5공프로우브의 보정에는
  성능/효과
  
  후)압력 손실을">압력 손실을 측정하였다. 그 결과 스퀼러팁은 익형의 중간부 하류에서의 팁누설 유량을 감소시켜 팁누설와류 영역에서의 압력 손실을 줄일 뿐만 아니라, 익형의 앞전에서 중간부 사이 영역에서의 팁누설 유량도 감소시킴으로써 통로와류(passage vortex) 영역에서의 압력 손실을 크게 감소시킴을 입증하였다. Lee 등⁽⁹⁾은 계단형스퀼러팁(stepped squealer tip) 근처에서의 3차원 (2) 컷백을 통한 팁간극 공기의 코드방향 배출로 인한 압력손실 감소는 비교적 작은 반면, 스퀼러의 부분 제거로 발생하는 이차유동의 증가는 더 큰 부가적인 압력 손실을 초래하였다.
  
  (3) 컷백길이가 증가하면, 팁누설와류 영역에서의 압력손실은 크게 증가하였지만, 통로와류 영역에서의 압력 손실은 넓은 범위에 걸쳐 소폭 감소하였다.
  
  (4) 컷백길이가 증가하면 질량평균 압력손실은 소폭 증가 하는 경향을 보여 주었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스터빈 엔진에서 터빈 동익의 경우 무엇이 존재하는가?	가스터빈 엔진에서 터빈의 효율은 각 터빈 단(stage)에서의 압력손실과 밀접한 관련이 있다. 터빈 동익의 경우, 회전 하는 익형 팁(tip)과 케이싱(casing) 사이에 팁간극(tip gap) 이 존재한다. 이 팁간극을 통하여 익형의 압력면(pressure surface)에서 흡입면(suction surface) 쪽으로 이동하는 유동이 발생하는데, 이 유동을 팁누설유동(tip leakage flow) 라고 한다.
	팁누설유동이란 무엇인가?	가스터빈 엔진에서 터빈의 효율은 각 터빈 단(stage)에서의 압력손실과 밀접한 관련이 있다. 터빈 동익의 경우, 회전 하는 익형 팁(tip)과 케이싱(casing) 사이에 팁간극(tip gap) 이 존재한다. 이 팁간극을 통하여 익형의 압력면(pressure surface)에서 흡입면(suction surface) 쪽으로 이동하는 유동이 발생하는데, 이 유동을 팁누설유동(tip leakage flow) 라고 한다.
	익렬 풍동은 무엇으로 구성되는가?	본 연구에서 사용된 익렬 풍동(cascade wind tunnel)은 개방형 풍동, 입구덕트, 터빈 익렬, 출구덕트 등으로 구성된다(Fig. 3).

참고문헌 (15)

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