본 연구에서는 발전용 터빈 제 1 단 동익 흡입면에서 발달하는 경계층유동에 대하여 체계적으로 연구하였다. 이를 위해 흡입면에서 열부하가 급격하게 변화하는 대표적인 영역에 대하여, 경계층의 평균 유속, 난류강도, 에너지스펙트럼 등을 측정하였다. 그 결과 흡입면 경계층유동이 층류에서 난류 경계층으로 천이됨을 확인할 수 있었고, 이 천이경로는 박리버블의 전단층에서 주로 발생하는 박리유동 천이로 확인되었다. 흡입면에서 열부하의 최소값이 존재하는 곳은 흡입면 경계층유동의 천이가 시작되는 위치에 해당하며, 열부하가 최대인 곳은 박리유동 천이가 모두 마무리되어 벽근처에 강력한 난류유동이 존재하는 곳과 일치하였다. 에너지스펙트럼의 측정을 통하여, 흡입면 경계층의 박리유동 천이 전후에 나타나는 난류운동에너지의 주파수 특성을 자세히 파악할 수 있었다.
본 연구에서는 발전용 터빈 제 1 단 동익 흡입면에서 발달하는 경계층유동에 대하여 체계적으로 연구하였다. 이를 위해 흡입면에서 열부하가 급격하게 변화하는 대표적인 영역에 대하여, 경계층의 평균 유속, 난류강도, 에너지스펙트럼 등을 측정하였다. 그 결과 흡입면 경계층유동이 층류에서 난류 경계층으로 천이됨을 확인할 수 있었고, 이 천이경로는 박리버블의 전단층에서 주로 발생하는 박리유동 천이로 확인되었다. 흡입면에서 열부하의 최소값이 존재하는 곳은 흡입면 경계층유동의 천이가 시작되는 위치에 해당하며, 열부하가 최대인 곳은 박리유동 천이가 모두 마무리되어 벽근처에 강력한 난류유동이 존재하는 곳과 일치하였다. 에너지스펙트럼의 측정을 통하여, 흡입면 경계층의 박리유동 천이 전후에 나타나는 난류운동에너지의 주파수 특성을 자세히 파악할 수 있었다.
The boundary layer developing over the suction surface of a first-stage turbine blade for power generation has been investigated in this study. For three locations selected in the region where local thermal load changes dramatically, mean velocity, turbulence intensity, and one-dimensional energy sp...
The boundary layer developing over the suction surface of a first-stage turbine blade for power generation has been investigated in this study. For three locations selected in the region where local thermal load changes dramatically, mean velocity, turbulence intensity, and one-dimensional energy spectrum are measured with a hot-wire anemometer. The results show that the suction-surface boundary layer suffers a transition from a laminar flow to a turbulent one. This transition is confirmed to be a "separated-flow transition", which usually occurs in the shear layer over a separation bubble. The local minimum thermal load on the suction surface is found at the initiation point of the transition, whereas the local maximum thermal load is observed at the location of very high near-wall turbulence intensity after the transition process. Frequency characteristics of turbulent kinetic energy before and after the transition are understood clearly from the energy spectrum data.
The boundary layer developing over the suction surface of a first-stage turbine blade for power generation has been investigated in this study. For three locations selected in the region where local thermal load changes dramatically, mean velocity, turbulence intensity, and one-dimensional energy spectrum are measured with a hot-wire anemometer. The results show that the suction-surface boundary layer suffers a transition from a laminar flow to a turbulent one. This transition is confirmed to be a "separated-flow transition", which usually occurs in the shear layer over a separation bubble. The local minimum thermal load on the suction surface is found at the initiation point of the transition, whereas the local maximum thermal load is observed at the location of very high near-wall turbulence intensity after the transition process. Frequency characteristics of turbulent kinetic energy before and after the transition are understood clearly from the energy spectrum data.
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문제 정의
본 연구에서는 발전용 터빈 제 1 단 동익 흡입 면에서 발달하는 경계층유동에 대하여 체계적으로 연구하였다. 흡입면에서 열부하가 급격하게 변화하는 대표적인 영역에 대하여, 경계층의 평균속도, 난류강도, 에너지스펙트럼 등을 측정하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 Fig. 2에서와 같이 제 1 단 터빈동익 흡입면의 열부하가 극단적으로 감소/증가하는 영역에서 경계층 유동의 특성을 연구하고자 한다. 이를 위하여 Lee 등(11) 이 사용한 시험설비에서 Fig.
제안 방법
본 연구에서는 Ligrani와 Bradshaw(16)와 Ong과 Wallace(17)의 연구를 바탕으로 난류강도와 평균유속의 오차해석을 수행하였다. 그 결과 난류강도의 오차는 대략 ±10%이며, 평균 유속의 오차는±5% 정도이었다.
본 연구에서는 경계층 바깥의 직선형 분포를 벽면 쪽으로 연장하는 방법으로 Up/U∞를 구하였다.
본 연구에서는 발전용 터빈 제 1 단 동익 흡입 면에서 발달하는 경계층유동에 대하여 체계적으로 연구하였다. 흡입면에서 열부하가 급격하게 변화하는 대표적인 영역에 대하여, 경계층의 평균속도, 난류강도, 에너지스펙트럼 등을 측정하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
이때 사용된 I형 열선프로우브(Kanomax, Model 0251-T5)의 지름은 5μm이며, 재질은 텅스텐이다.
본 연구에서 사용된 시험설비는 개방형 풍동, 입구덕트, 터빈 익렬(cascade) 등으로 구성된다(Fig. 3(a)).
2m이다. 터빈 익렬은 총 6개의 선형 익형으로 구성되며, 이것은 발전용 가스터빈의 고압터빈 제 1 단 동익의 형상을 근거로 large-scale로 제작되었다. 이 익렬의 중요 제원은 Fig.
본 연구에서는 컴퓨터로 측정시스템 전체를 온라인화하였으며, 이를 위해 다기능입출력보드(NI, AT-MIO-16D-H-9)가 컴퓨터에 내장되어 있다. 익렬 입구 자유유동속도의 측정에는 피토정압관을 사용하였으며, 이 압력신호는 압력변환기(Furness Controls, FC012)에 의해 DC 전압으로 변환된다.
익렬 입구 자유유동속도의 측정에는 피토정압관을 사용하였으며, 이 압력신호는 압력변환기(Furness Controls, FC012)에 의해 DC 전압으로 변환된다. 동익 흡입면의 난류 경계층유동을 측정하기 위하여 정온형 열선유속계(Kanomax, 1010)와 전용 필터(Kanomax, 1015)를 사용하였다. 이때 사용된 I형 열선프로우브(Kanomax, Model 0251-T5)의 지름은 5μm이며, 재질은 텅스텐이다.
0mm 등의 세 곳에서 이루어졌다. 이 실험에서는 각 측정 위치에서 저대역 필터의 차단주파수를 10kHz로 설정하고, 20kHz의 취득속도로 10초 동안 총 200,000개의 데이터를 취득하여 컴퓨터에 저장하였다. 본 연구에서는 q'2 데이터에 대하여 FFT를 수행하여 E1(f)를 구하였고, 이때 주파수는 0kHz 10kHz 대역에 걸쳐 4.
이론/모형
2에서와 같이 제 1 단 터빈동익 흡입면의 열부하가 극단적으로 감소/증가하는 영역에서 경계층 유동의 특성을 연구하고자 한다. 이를 위하여 Lee 등(11) 이 사용한 시험설비에서 Fig. 2와 동일한 유동 조건에서 실험을 수행하였다.
성능/효과
(4) 에너지스펙트럼의 측정을 통하여, 흡입면 경계층의 박리유동 천이 전후에 나타나는 난류운동에너지의 주파수 특성에 대해 자세히 파악할 수 있었다.
Volino와 Hultgren(2)는 저압터빈 동익의 유동 조건 하에서 흡입면(suction surface)의 박리/천이 경계층에 대하여 연구하였다. 그 결과 천이 영역의 위치와 범위는 Reynolds 수와 난류강도에 따라 크게 달라졌다. Bons 등(3)은 맥동와류 발생용 제트를 이용한 저압터빈 동익 흡입면에서의 박리제어 연구를 수행하였다.
Volino(4,5)는 저압터빈 동익의 유동 조건을 모사한 풍동에서 경계층 박리, 천이, 재부착에 대하여 실험적으로 연구하였다. 그 결과 고 Reynolds 수 또는고 난류강도 상태에서는 박리버블 위 전단층에서 천이가 시작되고 바로 경계층 유동의 재부착이 발생하였다.(4) Volino(5)는 유동방향 섭동성분의 1차원 에너지스펙트럼 분포를 제시하였다.
본 연구에서는 자유유동속도(U∞)를 15m/s로 고정하고 실험을 수행하였으며, 이때 입구유동의 Reynolds 수(=U∞c/v)는 2.09 x105이고, 익렬 상류에서 자유유동 난류강도는 0.3%로 측정되었다.
그 결과 난류강도의 오차는 대략 ±10%이며, 평균 유속의 오차는±5% 정도이었다.
전체적으로 볼 때, 흡입면을 따라 하류로 이동하면 경계층의 두께가 급격히 증가하고, 경계층 바깥에서 Q/U∞의 경사는 크게 감소하였다.
7에서는(Fig. 7(b)), 경계층 내부의 유동이 모두 난류유동으로 바뀌어 있으며, 난류강도는 최대 21%에 이를 정도로 크다. x/b = 0.
9에 도달하면(Fig. 7(c)), 난류강도의 최대치는 16% 정도로 감소하지만 난류유동 영역은 벽면으로부터 더 멀리 떨어진 곳까지 크게 확장되었다.
(1) 난류강도 프로파일과 형상계수의 변화로부터 제 1 단 터빈 동익 흡입면 경계층유동이 층류에서 난류 경계층으로 천이됨을 알 수 있었다.
(2) 이 흡입면 경계층 내부에서의 천이경로는 박리버블의 전단층에서 주로 발생하는 박리유동 천이로 확인되었다.
(3) 제 1 단 터빈 동익 흡입면에서 열부하의 최소값이 존재하는 곳은 흡입면 경계층유동의 천이가 시작되는 위치에 해당하며, 열부하가 최대인 곳은 박리유동 천이가 모두 마무리되어 벽 근처에 강력한 난류유동이 존재하는 곳과 일치한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
주기적 비정상 천이는 무엇인가?
자연 천이는 실제 터보기계에서 거의 볼 수 없으며, 우회 천이는 자유유동의 고난류강도에 의해 발생하고, 박리유동 천이는 박리버블(separation bubble) 상부의 전단층에서 주로 이루어진다. 마지막 주기적 비정상 천이는 주기적 후류(wake)에 의해 발생하는 천이이다. Volino와 Hultgren(2)는 저압터빈 동익의 유동 조건 하에서 흡입면(suction surface)의 박리/천이 경계층에 대하여 연구하였다.
발전용 터빈 제 1 단 동익 흡입 면에서 발달하는 경계층유동에서 열부하의 최소, 최대값이 존재하는 곳은?
(3) 제 1 단 터빈 동익 흡입면에서 열부하의 최소값이 존재하는 곳은 흡입면 경계층유동의 천이가 시작되는 위치에 해당하며, 열부하가 최대인 곳은 박리유동 천이가 모두 마무리되어 벽 근처에 강력한 난류유동이 존재하는 곳과 일치한다.
터보기계 내부에서 이루어지는 주요 천이경로는 어떻게 분류할 수 있는가?
터빈 동익에서 발달하는 경계층유동에 관한 연구는 주로 항공기용 엔진의 저압터빈 동익에 대해 진행되었다. Mayle(1)은 터보기계 내부에서 이루어지는 주요 천이경로(transition path)를 (i) 자연(natural) 천이, (ii) 우회(bypass) 천이, (iii) 박리유동(separated flow) 천이, (iv) 주기적 비정상(periodic unstready) 천이 등으로 분류하였다. 자연 천이는 실제 터보기계에서 거의 볼 수 없으며, 우회 천이는 자유유동의 고난류강도에 의해 발생하고, 박리유동 천이는 박리버블(separation bubble) 상부의 전단층에서 주로 이루어진다.
참고문헌 (18)
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