[논문]가스터빈 블레이드 팁의 열전달과 유동 특성에 대한 수치적 해석

쟈오리우; 강영석; 김동화; 조진수

doi:10.5139/jksas.2016.44.12.1062

[국내논문] 가스터빈 블레이드 팁의 열전달과 유동 특성에 대한 수치적 해석
Numerical Analysis of Heat Transfer and Flow Characteristics on Squealer Tip of Gas Turbine Blade 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.44 no.12, 2016년, pp.1062 - 1070

쟈오리우 (Department of Mechanical Engineering, Hanyang University) , 강영석 (Korea Aerospace Research Institute) , 김동화 (Department of Mechanical Engineering, Hanyang University) , 조진수 (Department of Mechanical Engineering, Hanyang University)

초록
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본 연구에서는 전산해석을 통해 냉각 터빈 블레이드 팁 간극의 유동 및 열전달 특성을 연구하였다. 1단 고압터빈 노즐 출구에서 획득한 속도, 온도 프로파일을 로터의 입구에 적용하여 로터 도메인을 대상으로 전산해석을 하였다. 스퀼러 팁이 적용된 블레이드의 팁 간극을 스팬의 1%부터 2.5%로 조절하여 팁 간극의 공력 손실, 열전달 계수와 막냉각 효율의 영향을 고찰했다. 팁 간극이 커질수록 출구에서 공력 손실과 블레이드 끝단 표면에서 열전달 계수는 증가하였다. 특히 팁 간극이 스팬의 2%일 때 평균 열전달 계수가 급격히 증가하였다. 팁 영역의 막냉각 효율은 팁 간극이 작을수록 높았고, 캐비티 내부 냉각 홀 근처의 막냉각 효율이 높았다.

Abstract ▼ AI-Helper

The heat transfer and flow characteristics of gas turbine blade tip were investigated in this paper by using the conjugate heat transfer analysis. The rotor inlet boundary condition profile which was taken from the first stage nozzle outlet was used to analyse. The profile contained the velocity and temperature information. This study presents the influence of tip clearance about aerodynamic loss, heat transfer coefficient and film cooling effectiveness with the squealer tip designed blade model which tip clearance variation range from 1% to 2.5% of span. Results showed that the aerodynamic loss and the heat transfer coefficient were increased when the tip clearance was increased. Especially when the tip clearance was 2% of the span, the average heat transfer coefficient on the tip region was increased obviously. The film cooling effectiveness of tip region was increasing with decreasing of the tip clearance. There was high film cooling effectiveness at cavity and near tip hole region.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 3차원 고압 냉각 터빈 블레이드의 끝단 주변의 공력, 열전달을 동시에 연구한 경우는 거의 없다. 본 연구에서는 냉각 블레이드의 설계를 위해 3차원 냉각 터빈 블레이드를 대상으로 팁 간극을 변경하면서 블레이드 끝단 주변의 공력 손실과 열전달 특성을 고찰하였다.
Figure 9는 블레이드 뒷전으로부터 코드 길이의 10% 뒷면에서 압력 손실 계수를 나타낸다. 팁 누설 유동이 냉각 블레이드의 팁 간극에 따라 손실에 미치는 영향을 살펴보였다. 압력 손실 계수는 식(5)과 같다.
복합열전달 해석 방법으로 중소형 항공기용 엔진 고압 터빈 로터 블레이드의 팁 간극 영향성에 대해 연구하였다. 공력 손실 및 열전달 특성 등을 팁 간극을 변경하며 비교하였다.

가설 설정

2) 끝단 표면에서 압력이 낮은 곳은 흡입면에서 x/Cx가 0.5 이후의 림과 후연 근처이다. 팁 누설 유동이 압력 큰 부분에서 낮은 부분으로 흘러가고 압력의 변화는 팁 누설 유동의 방향과 팁 열전달 계수 분포에도 영향을 미친다.

제안 방법

복합 열전달 해석에서는 유동 영역 격자와 고체 영역 격자를 각각 생성하여야 한다. 유동 영역에서는 사면체 격자와 프리즘을 활용하여 격자를 생성하였고, 고체 영역에서는 사면체 격자를 활용하여 격자를 생성하였다. 특히 유동 영역 중 벽면 근처에서 경계층을 모사하기 위해서 무차원 벽면 거리인 y+를 1이하로 설정하여 프리즘 격자를 구성하였다.
유동 영역에서는 사면체 격자와 프리즘을 활용하여 격자를 생성하였고, 고체 영역에서는 사면체 격자를 활용하여 격자를 생성하였다. 특히 유동 영역 중 벽면 근처에서 경계층을 모사하기 위해서 무차원 벽면 거리인 y+를 1이하로 설정하여 프리즘 격자를 구성하였다. Fig.
Arisi 등¹¹⁾과 Tong 등¹²⁾ 은 팁 영역 평균 열전달 계수를 이용하여 격자 의존성 테스트 수행하였다. 열전달 계수는 온도의 함수이기 때문에 본 연구에서는 블레이드 팁 표면의 평균 온도를 비교하면서 격자 의존성 테스트를 수행하였다. 격자수에 따른 끝단 영역의 평균 온도 변화를 Fig.
전산 해석 영역에서는 총 3개의 입구와 하나의 출구가 있다. 주 유동의 입구 조건은 노즐과 로터를 함께 해석했던 결과로부터 획득한 로터 입구 속도장과 전온도장을 설정하였다. 2개의 냉각 유로 입구에는 전압력과 전온도를 부여하였고, 주유로 출구에는 정압조건을 설정하였다.
가스터빈 블레이드에 대한 복합열전달 해석을 수행하기 전에 1단 고압 터빈 중 블레이드의 상류에 설치된 노즐 베인을 대상으로 실험을 수행하여 복합열전달 해석 기법을 비교 및 검증하였다. Fig.
팁 간극의 변화에 따른 블레이드의 냉각 성능에 대한 영향성을 막냉각 효율로 확인하였다. 이때, 막냉각 효율은 식 (7)와 같이 나타난다.
복합열전달 해석 방법으로 중소형 항공기용 엔진 고압 터빈 로터 블레이드의 팁 간극 영향성에 대해 연구하였다. 공력 손실 및 열전달 특성 등을 팁 간극을 변경하며 비교하였다.

대상 데이터

한국항공우주연구원에서 설계한 중소형 항공기용 터보팬 엔진의 고압터빈 로터 블레이드를 사용하였다. 자세한 형상과 세부 사양을 Fig.
총 로터 블레이드 개수는 104개이고 17,000rpm으로 회전한다. 블레이드 소재는 CMSX4를 사용하였고, CMSX4의 물성치는 Zhu 등¹⁰⁾과 같이 Table 2에 나타내었다.
격자 의존성 테스트 결과, 격자 수가 1,400만 개부터 증가하면 할수록 팁 평균 온도가 약 1,122K 정도에서 거의 변화하지 않았다. 그래서 총 1,400만 개의 격자를 선택했으며 고체영역과 유동영역에서 270만 개와 1,130만 개의 격자를 구성하였다.
고온 고압 조건에서 작동되는 터빈의 정확한 열 유동 연구를 위해 보정된 이상기체를 작동유체로 사용하였다. 이상 기체의 비열은 식 (1)와 같이 온도에 대한 다항식으로 보정하였다.
5%이다¹⁶⁾. 그래서 본 연구에서는 블레이드의 팁 간극 변화에 따른 열유동 특성 연구하기 위해 팁 간극의 변화를 스팬 길이의 1%(0.204mm), 1.5% (0.251mm), 2% (0.352mm), 2.5%(0.422mm)와 같이 총 4개 경우를 설정하였다. 본연구에서는 상용 CFD 코드 ANSYS CFX 15.
격자 생성기법은 본 연구의 로터 격자 생성 기법과 같다. 총 노드 수가 548만개이고 엘리멘트 수는 1563만개이다. 김진욱 등¹⁷⁾의 연구를 참고하여 주유로와 내부 유로 입구 조건으로 전압을 부여하였고, 각각 30.

이론/모형

격자수에 따른 전산해석 결과 차이를 줄이기 위해 격자 의존성 테스트(grid independence test)를수행했다. Arisi 등¹¹⁾과 Tong 등¹²⁾ 은 팁 영역 평균 열전달 계수를 이용하여 격자 의존성 테스트 수행하였다.
Krishnababu 등15)의 연구에서 막냉각이 적용된 블레이드의 유동을 k-ω SST 난류 모델을 사용한 결과, 열전달과 압력분포가 실험 결과와 가장 일치하는 것을 확인하였고 본 연구에서도 k-ω SST 모델을 사용하였다.
422mm)와 같이 총 4개 경우를 설정하였다. 본연구에서는 상용 CFD 코드 ANSYS CFX 15.0버전을 사용하였다.
유동 영역과 고체 영역 사이의 정보를 교환하기 위해 General grid interface(GGI) 기법을 사용하여 인터페이스를 설정하였다.

성능/효과

Chyu 등¹⁾은 전산해석을 통해 쉬라우드의 상대 이동 속도의 변화가 터빈 동익 끝단의 열전달에 미치는 영향을 연구하였다. 또한 실험을 통해 홀이 있는 팁 간극의 변화에 대해 연구하여 팁 간극이 작고 캐비티(cavity)의 깊이가 증가하면 블레이드 팁의 열부하가 감소함을 보여주었다.
은 Transient Liquid Crystal 기법을 이용하여 2-D 터빈 블레이드의 끝단에서 열전달 계수를 측정하였다. 팁 간극이 크면 전체 블레이드의 열전달 계수 증가를 유발하고, 입구 난류강도의 증가에 따라 팁 열전달 계수도 상승하였음을 밝혔다. 그리고 스퀼러팁(squealer tip)과 평면팁(flat tip)를 비교하여 스퀼러팁이 끝단 쪽의 열전달 계수가 평면팁보다 낮음을 보여주었다.
Kwak 등⁶⁾은 블레이드 스퀼러팁에 대해 열전달 계수와 막냉각효율을 연구했다. 블레이드 전체의 열전달 계수가 팁 간극의 커질수록 증가했지만 분사비의 증가에 따라 감소한다는 결과를 제시했다. Zhou등⁷⁾은 스퀼러팁 블레이드에 대한 유동의 영향성을 연구했다.
Zhou등⁷⁾은 스퀼러팁 블레이드에 대한 유동의 영향성을 연구했다. 블레이드 끝단의 캐비티 깊이가 감소하면 팁 누설 유동도 감소하고, 캐비티의 깊이가 증가하면 팁의 열전달 계수가 감소하는 결과를 얻었다. Yang 등⁸⁾은 다양한 팁 간극에서 4가지 캐비티 깊이에 대해 전산해석을 수행하였고,평균 열전달 계수는 캐비티 깊이가 증가함에 따라 감소했고, 팁 간극이 증가하면 팁 누설 유동도 증가하는 것을 확인하였다.
Park 등⁹⁾은 막냉각이 있는 블레이드의 유동 특성과 열전달을 실험을 통해 연구하였다. 팁 간극이 클수록 누설되는 유량도 커서 팁 영역의 열전달이 증가했고 열이 높은 영역도 확장됨을 확인하였다.
4에 나타내었다. 격자 의존성 테스트 결과, 격자 수가 1,400만 개부터 증가하면 할수록 팁 평균 온도가 약 1,122K 정도에서 거의 변화하지 않았다. 그래서 총 1,400만 개의 격자를 선택했으며 고체영역과 유동영역에서 270만 개와 1,130만 개의 격자를 구성하였다.
전산 결과와 실험 결과 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었지만, 흡입면 뒤쪽에서 최대 9% 오차를 확인하였다. 오차가 발견된 흡입면 뒤쪽은 노즐 목(throat)이 위치한 곳으로 유동이 가속되어 천음속 되기 때문에 상사 실험과 오차가 발생하였다.
전체적으로 끝단의 열전달 계수는 팁 간극이 증가함에 따라 증가하였다. Fig.
1) 팁 간극이 증가할수록 팁 누설 유동도 증가하고 냉각 유체의 유량도 증가한다. 또한 캐비티 내부의 유동이 복잡해지고 와류도 발생하기 때문에 유동 손실이 커진다.
3) 팁 간극이 커질수록 끝단 표면의 열전달 계수는 증가하며, 특히 팁 간극이 스팬의 1.5%보다 커지면 끝단의 평균 열전달 계수가 급격히 증가한다.
4) 끝단 근처의 블레이드 표면 막냉각 효율도 팁 간극이 작을수록 크고, 압력면에서 x/Cx가 0.5 이전에서 팁 간극이 감소하면 막냉각효율이 증가한다. 팁 간극이 스팬의 2%와 2.

후속연구

12에 표시된 A부분을 보면 팁 간극이 증가함에 따라 이 부분으로 냉각 유체가 지나가지 않아 표면냉각이 잘 되지 않았으며, 압력면 림에 국부적으로 높은 열전달 계수 영역이 발생되었다. 이 현상은 압력면 팁 근처에 설치된 냉각 홀들의 재배치를 통하여 극복될 수 있고, 향후 블레이드 냉각 설계에 반영할 예정이다. 그리고 팁 간극이 커지면서 끝단에서의 유속이 빨라지고 캐비티 냉각 홀에서 나오는 냉각유체도 증가하며 유동이 B부분을 지나갈 때 유동 박리가 발생한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스터빈 블레이드 냉각기술 발달로 터빈 입구온도는 어느수준까지 증가했는가	최근에 가스터빈 블레이드 냉각기술이 발전하면서 터빈 입구온도 1,700 K 까지 높아지면서 터빈 효율도 높아졌다. 하지만 높아진 터빈 입구온도는 고압 터빈 블레이드의 냉각 필요성을 증대시켰다.
	고압 터빈 동익 끝단의 특징은?	하지만 높아진 터빈 입구온도는 고압 터빈 블레이드의 냉각 필요성을 증대시켰다. 특히 고압 터빈 동익 끝단에서 열부하가 높은데, 이 영역은 냉각이 어렵고, 구조적인 한계로 인해 내구성이 낮아 변형이 발생하기 쉽다. 또한 동익 끝단에서는 압력면과 흡입면의 압력차 때문에 누설 유동이 발생한다.
	동익 끝단의 누설 유동은 어떤 문제를 초래하는가	또한 동익 끝단에서는 압력면과 흡입면의 압력차 때문에 누설 유동이 발생한다. 끝단 누설 유동은 공력 손실을 증가시키고 가스터빈의 효율도 떨어뜨린다.

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표제어: PCR

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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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