[논문]이중분사 홀의 면적비와 분사각 변화에 따른 가스터빈 막냉각 특성 연구

조문영; 이종철; 김윤제

doi:10.5293/kfma.2014.17.3.059

이중분사 홀의 면적비와 분사각 변화에 따른 가스터빈 막냉각 특성 연구
A Study on the Film-cooling Characteristics of Gas Turbine Blade with Various Area Ratios and Ejection Angles of the Double Jet Holes 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.17 no.3, 2014년, pp.59 - 64

조문영 (성균관대학교 대학원 기계공학과) , 이종철 (강릉원주대학교 기계자동차공학부) , 김윤제 (성균관대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The kidney vortex is the important factor adversely influencing film cooling effectiveness. In general, double jet film-cooling hole is designed to overcome the kidney vortex by generating anti-kidney vortices. In this study, the film cooling characteristics and the effectiveness of the double jet film cooling hole were numerically investigated with various area ratios of the first($A_1$) and second($A_2$) cooling hole($A_1/A_2$=0.8, 1.0, 1.25) and lateral ejection angle(${\alpha}$ = $30^{\circ}$, $45^{\circ}$, $60^{\circ}$) as the design parameters. The effects of lateral distance between the first and second row holes are investigated. Numerical study was performed by using ANSYS CFX with the shear stress transport(SST) turbulence model. The film cooling effectiveness and temperature distribution were graphically depicted with various flow and geometrical conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 가스터빈 블레이드 냉각에 사용되는 이중분사 막냉각 홀 측면 분사각과 냉각홀의 면적 비율에 따른 유동장, 온도분포 및 막냉각 효율에 대한 연구를 수행하였다. 측면 방향 두 분사각이 작을수록 이중분사 막냉각 홀 내부 냉각유체가 Y축에 가까운 방향으로 분사되어 냉각유체의 측면 확산면적이 감소하는 반면, 분사각이 커질수록 측면 확산면적이 넓어짐을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 이중분사 막냉각 홀의 분사각 변화와 상류 홀과 하류 홀 면적비 변화에 따른 이중분사 막냉각 홀 주변 유동특성 및 이에 따른 열전달 특성을 고찰하였다.
본 연구에서는 정상상태 압축성 RANS(Reynolds-Averaged Navier Stokes) 방정식을 사용하여 이중분사 냉각홀의 형상 변수들이 막냉각 특성에 미치는 영향을 수치해석적으로 고찰하였다. 이를 위해 생성된 유동영역은 Fig.

제안 방법

3과 같이 구성하였으며 정확한 경계층 모사를 위하여 inflation 조건을 적용한 10겹의 격자층을 구성하였다. 격자의존도 테스트는 Case 2의 냉각홀 면적비 1.0인 모델에 대하여 수행하였으며, 격자수 67만개에서 398만개 사이 격자수를 시험하여 최적 격자수 140만개 격자수를 갖는 격자계를 각 Case에 적용하였다.
측면 방향 두 분사각이 작을수록 이중분사 막냉각 홀 내부 냉각유체가 Y축에 가까운 방향으로 분사되어 냉각유체의 측면 확산면적이 감소하는 반면, 분사각이 커질수록 측면 확산면적이 넓어짐을 확인할 수 있었다. 이러한 조건 하에서 막냉각 홀 면적비가 0.8, 1.0, 1.25일 때의 열유동장을 수치적으로 해석하였다. 상류 홀 면적을 감소시킨 Case 1과 2에서는 양측 분사구 유량을 조절하는 효과와 함께 하류영역 막냉각 효율이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
이중분사 냉각홀의 형상변수 변화에 따른 냉각특성 및 유동특성을 해석하기 위하여 사면체와 삼각주 형상으로 구성된 비정렬 격자계를 Fig. 3과 같이 구성하였으며 정확한 경계층 모사를 위하여 inflation 조건을 적용한 10겹의 격자층을 구성하였다. 격자의존도 테스트는 Case 2의 냉각홀 면적비 1.
유체영역은 냉각유체 공급유로, 막냉각 홀, 고온가스가 흐르는 주유로로 구성하였으며 작동유체는 공기를 사용하였다. 한쌍의 이중분사 막냉각 홀에 의한 열 유동 패턴을 확인하기 위하여 반복(periodicity) 경계조건은 홀 직경 기준 15d값을 갖는 거리를 두어 설정하였다. 냉각홀 형상 변수에 대한 정의는 Fig.

대상 데이터

1에 도시하였고, 경계조건을 Table 1에 표시하였다. 유체영역은 냉각유체 공급유로, 막냉각 홀, 고온가스가 흐르는 주유로로 구성하였으며 작동유체는 공기를 사용하였다. 한쌍의 이중분사 막냉각 홀에 의한 열 유동 패턴을 확인하기 위하여 반복(periodicity) 경계조건은 홀 직경 기준 15d값을 갖는 거리를 두어 설정하였다.

데이터처리

수치해석 결과의 타당성을 검증하기 위해 동일한 형상조건에 의한 수치해석 결과와 Kusterer등⁽¹¹⁾에 의한 수치해석 결과를 비교하였으며 이를 Fig. 4에 나타내었다. 그림에서 볼 수 있듯, 참고문헌의 분사비 M=1.

이론/모형

난류모델은 열전달 예측에 효과적이며 높은 난류강도를 갖는 경계층 내부 열전달 예측에 효과적인 것으로 알려진 SST(Shear Stress Transport) 모델을 사용하였다⁽¹⁴⁾.
냉각홀의 측면 분사각과 두 냉각홀 직경비 변화에 따른 유동특성 및 냉각특성을 파악하기 위하여 연속방정식과 운동량 방정식, 에너지방정식을 지배방정식으로 사용하였다.

성능/효과

Case 1과 Case 2 에서는 x/D=5인 지점 이후로면적비 변화에 따른 평균 막냉각 효율 차이가 두드러지는 경향을 나타내었다. Case 1에서는 x/D=15인 지점을 기준으로 분사구 면적 변화에 따라 A₁/A₂=1.25인 경우 막냉각 효율의 약 11.8 %가 감소하였고, A₁/A₂=0.8인 경우는 막냉각 효율의 약 3.2 %가 증대되었음을 확인하였다. Case 2에서도 A₁/A₂=1.
이는 같은 분사비 조건하에서 측면 분사각 증가에 따라 냉각홀 하류 냉각유체 유속벡터 크기가 X축 방향보다 Y축 방향으로 유도되는것에 기인한다. 두 번째로, 벡터분포의 경우, 막냉각 홀 하류지점에서 발생하는 반 신장와류의 강도 및 크기가 막냉각 홀 면적 비율증가에 따라서 상류 홀 하류영역으로 편중되는 경향을 나타내었다. 또한, 막냉각 홀 면적비에 따라서 신장와류 쌍의 불균형이 조절되었음을 알 수 있다.
6에 도시하였다. 두 변수조건에 따른 단열벽 온도분포를 통하여 막냉각 홀 면적비 변화가 온도분포에 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있다. 측면 분사각이 30°, 45°인 Case 1과 Case 2의 경우, 상류 홀 하류로 표면냉각이 집중되는 경향을 보였으며, 상류 홀 면적 증가에 따라서 이러한 현상이 더욱 두드러지는 경향을 보였다.
25일 때의 열유동장을 수치적으로 해석하였다. 상류 홀 면적을 감소시킨 Case 1과 2에서는 양측 분사구 유량을 조절하는 효과와 함께 하류영역 막냉각 효율이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 반면에 측면 분사각이 큰 Case 3에서는 이중분사 중심부에 고온가스가 유입되어 막냉각 효율이 감소하였다.
반면에 측면 분사각이 큰 Case 3에서는 이중분사 중심부에 고온가스가 유입되어 막냉각 효율이 감소하였다. 이로써 상류 홀 직경을 축소하여 얻어진 최적 면적비를 통해 낮은 분사각 조건 하에서 막냉각 효율 향상을 기대할 수 있으며, 반면 일정 분사각 이상에서는 그 효과를 잃고 오히려 부정적 요소가 됨을 확인하였다.
두 변수조건에 따른 2차 유동 패턴 및 냉각유체 분포를 통하여 다음 두 가지 사실을 확인할 수 있다. 첫째로 측면 분사각 증가에 따라서 유로 표면에 냉매가 접촉하는 면적이 증가하는 경향이 있음을 확인할 수 있다. 이는 같은 분사비 조건하에서 측면 분사각 증가에 따라 냉각홀 하류 냉각유체 유속벡터 크기가 X축 방향보다 Y축 방향으로 유도되는것에 기인한다.
본 연구에서는 가스터빈 블레이드 냉각에 사용되는 이중분사 막냉각 홀 측면 분사각과 냉각홀의 면적 비율에 따른 유동장, 온도분포 및 막냉각 효율에 대한 연구를 수행하였다. 측면 방향 두 분사각이 작을수록 이중분사 막냉각 홀 내부 냉각유체가 Y축에 가까운 방향으로 분사되어 냉각유체의 측면 확산면적이 감소하는 반면, 분사각이 커질수록 측면 확산면적이 넓어짐을 확인할 수 있었다. 이러한 조건 하에서 막냉각 홀 면적비가 0.
측면 분사각이 30°, 45°인 Case 1과 Case 2의 경우, 상류 홀 하류로 표면냉각이 집중되는 경향을 보였으며, 상류 홀 면적 증가에 따라서 이러한 현상이 더욱 두드러지는 경향을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스터빈의 열효율 및 출력 향상을 위해 꾸준히 터빈 입구온도 상승을 통해 어떤 성과를 얻었는가?	가스터빈의 열효율 및 출력 향상을 위해 꾸준히 터빈 입구온도를 상승시켜온 결과, 최근에는 1500°C 이상 고온의 터빈 입구온도 조건 하 설계가 이루어지게 되었다. 이에 따른 블레이드의 수명 및 성능저하를 막기 위한 다양한 냉각기법들이 연구되어왔으며, 이 가운데 막냉각 기법이 널리 사용되고 있다.
	홴 형상 막냉각 홀의 단점은 무엇인가?	하지만 홴 형상 막냉각 홀은 실제 가스터빈 블레이드 제품에 적용하기에 다소 복잡하고 생산비용이 증가하는 단점을 지니고 있다. 따라서 엇갈린 방향을 지닌 두 냉각 홀이 배치된 형태의 이중분사(double-jet) 막냉각 홀이 제시되었다(8).
	홴 형상 막냉각 홀의 복잡한 구조와 높은 단가를 보완하기 위해 제시된 방법은?	하지만 홴 형상 막냉각 홀은 실제 가스터빈 블레이드 제품에 적용하기에 다소 복잡하고 생산비용이 증가하는 단점을 지니고 있다. 따라서 엇갈린 방향을 지닌 두 냉각 홀이 배치된 형태의 이중분사(double-jet) 막냉각 홀이 제시되었다(8). 이중분사 막냉각 홀이 형성하는 반 신장와류는 냉각유체 유로 하부로의 고온가스 유입을 차단하며 냉각유체 분포가 넓게 형성되도록 유도한다.

참고문헌 (14)

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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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