[국내논문]필름 냉각을 위한 리브드 채널의 홀 위치에 따른 열전달 특성 수치 해석 Numerical Analysis of Heat Transfer Characteristics of Ribbed Channels with Different Film Cooling Hole Position원문보기
본 연구에서는 가스터빈 블레이드의 필름 냉각에서 45도 리브가 있는 냉각채널의 필름 홀 위치가 블레이드의 표면냉각 성능에 미치는 영향을 전산유체해석 기법을 통하여 분석하였다. 또한 냉각채널의 리브 유무의 영향을 동일 분사율에 대해서 고찰하였다. 수치해석 도메인은 3차원으로 구성하였고 상용코드(Fluent ver. 17.0)를 사용하여 정상상태 조건 하에서 수치해석을 진행하였다. 그 결과를 바탕으로 블레이드 표면에서의 냉각효율, 유속, 유선, 압력 계수를 비교 분석하였고 홀 위치의 변화가 리브 구조에 의해 유발되는 이차 유동의 토출에 미치는 영향을 고찰하였다. 수치해석 결과로부터 리브가 설치되어 있는 경우 냉각채널의 내부유동은 상부에서 반시계 방향 및 하부에서 시계 방향의 와류쌍을 형성하는 것을 확인할 수 있었다. 리브가 있는 채널의 경우 리브에 의하여 발생한 와류유동이 홀 출구 부근에서 더 높은 압력 차이를 유발하여 리브가 없는 경우보다 최소 12% 이상의 높은 냉각 효율을 나타냈다. 또한 리브가 있는 채널 중에서 홀이 좌측에 위치한 경우(Rib-Left) 리브에 의하여 발생한 이차 유동이 홀 부근의 벽면에 부딪혀 홀 경사각 방향으로의 유동이 형성되는 것을 확인하였다. 블레이드 표면으로 토출된 냉각기체가 주 유동 경계층 내부에서 머무는 영역이 다른 케이스에 비하여 넓기 때문인 것으로 사료된다. 또한 이 경우 홀 출구 부근에서 가장 큰 압력 계수 차이를 나타내었고 이로 인하여 냉각기체의 토출이 촉진되어 냉각효율이 다소 증가하였다.
본 연구에서는 가스터빈 블레이드의 필름 냉각에서 45도 리브가 있는 냉각채널의 필름 홀 위치가 블레이드의 표면냉각 성능에 미치는 영향을 전산유체해석 기법을 통하여 분석하였다. 또한 냉각채널의 리브 유무의 영향을 동일 분사율에 대해서 고찰하였다. 수치해석 도메인은 3차원으로 구성하였고 상용코드(Fluent ver. 17.0)를 사용하여 정상상태 조건 하에서 수치해석을 진행하였다. 그 결과를 바탕으로 블레이드 표면에서의 냉각효율, 유속, 유선, 압력 계수를 비교 분석하였고 홀 위치의 변화가 리브 구조에 의해 유발되는 이차 유동의 토출에 미치는 영향을 고찰하였다. 수치해석 결과로부터 리브가 설치되어 있는 경우 냉각채널의 내부유동은 상부에서 반시계 방향 및 하부에서 시계 방향의 와류쌍을 형성하는 것을 확인할 수 있었다. 리브가 있는 채널의 경우 리브에 의하여 발생한 와류유동이 홀 출구 부근에서 더 높은 압력 차이를 유발하여 리브가 없는 경우보다 최소 12% 이상의 높은 냉각 효율을 나타냈다. 또한 리브가 있는 채널 중에서 홀이 좌측에 위치한 경우(Rib-Left) 리브에 의하여 발생한 이차 유동이 홀 부근의 벽면에 부딪혀 홀 경사각 방향으로의 유동이 형성되는 것을 확인하였다. 블레이드 표면으로 토출된 냉각기체가 주 유동 경계층 내부에서 머무는 영역이 다른 케이스에 비하여 넓기 때문인 것으로 사료된다. 또한 이 경우 홀 출구 부근에서 가장 큰 압력 계수 차이를 나타내었고 이로 인하여 냉각기체의 토출이 촉진되어 냉각효율이 다소 증가하였다.
The present study analyzed the effect of film hole position of 45 degree ribbed cooling channel on film cooling performance of gas turbine blades. We also investigated the influence of the ribs under the fixed blowing ratio. Three-dimensional numerical model was constructed and extensive simulation ...
The present study analyzed the effect of film hole position of 45 degree ribbed cooling channel on film cooling performance of gas turbine blades. We also investigated the influence of the ribs under the fixed blowing ratio. Three-dimensional numerical model was constructed and extensive simulation was conducted using the commercial code (Fluent ver. 17.0) under steady-state condition. Base on the simulation results, We investigated the cooling effectiveness, flow velocity, streamline, and pressure coefficient. Moreover, We analyzed the effect of cooling hole position on ejection of the secondary flow caused by the rib structure. From the results, It was found that internal flow of the cooling channel forms a vortex pair in the counterclockwise from the top side, and clockwise from the bottom side. For the channels with ribs, the vortex flow generated by the ribs caused a higher pressure difference near the hole outlet, resulting in at least 12% higher cooling effectiveness than the channel without ribs. Additionally, when the hole is located on the left side of the ribbed channel (Rib-Left), it can be found that the secondary flow generated by the ribs hits against wall surface near the hole to form a flow in the direction of the hole inclination angle. Therefore, It is considered that the region where the cooling gas discharged to the blade surface stays in the main flow boundary layer is wider than the other cases. In this case, The largest pressure coefficient difference was observed near the outlet of the hole, and as a result, the discharge of the cooling gas was accelerated and the cooling efficiency was slightly increased.
The present study analyzed the effect of film hole position of 45 degree ribbed cooling channel on film cooling performance of gas turbine blades. We also investigated the influence of the ribs under the fixed blowing ratio. Three-dimensional numerical model was constructed and extensive simulation was conducted using the commercial code (Fluent ver. 17.0) under steady-state condition. Base on the simulation results, We investigated the cooling effectiveness, flow velocity, streamline, and pressure coefficient. Moreover, We analyzed the effect of cooling hole position on ejection of the secondary flow caused by the rib structure. From the results, It was found that internal flow of the cooling channel forms a vortex pair in the counterclockwise from the top side, and clockwise from the bottom side. For the channels with ribs, the vortex flow generated by the ribs caused a higher pressure difference near the hole outlet, resulting in at least 12% higher cooling effectiveness than the channel without ribs. Additionally, when the hole is located on the left side of the ribbed channel (Rib-Left), it can be found that the secondary flow generated by the ribs hits against wall surface near the hole to form a flow in the direction of the hole inclination angle. Therefore, It is considered that the region where the cooling gas discharged to the blade surface stays in the main flow boundary layer is wider than the other cases. In this case, The largest pressure coefficient difference was observed near the outlet of the hole, and as a result, the discharge of the cooling gas was accelerated and the cooling efficiency was slightly increased.
본 연구에서는 냉각 홀의 위치 변화가 가스터빈의 블레이드 표면의 냉각 효과에 미치는 영향에 대한 수치해석을 진행하였으며 결론은 다음과 같다.
가설 설정
냉각기체 유동 및 주 유동은 비압축성으로 가정하였고 정상상태(steady-state) 조건에서 수치해석을 수행하였다. 해석프로그램은 상용코드 Fluent (ver.
제안 방법
리브가 없는 채널 형상을 기준으로 하여 문헌[11]의 실험데이터와 수치해석 모델을 검증하였으며 리브 유무와 홀 위치가 채널 내부의 와류쌍형성 및 홀 출구 부근에서의 압력계수 분포에 미치는 영향을 파악하여 필름 쿨링 성능에 변화를 일으키는 요인을 분석하였다. 또한 홀을 통과하는 냉각기체의 유선 및 속도 분포를 파악하여 블레이드 외부 표면에서의 냉각기체의 거동을 확인하였다.
따라서 본 연구에서는 리브의 유무와 필름 홀의 위치변화가 블레이드의 외부 표면의 냉각 성능에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 리브가 없는 채널 형상을 기준으로 하여 문헌[11]의 실험데이터와 수치해석 모델을 검증하였으며 리브 유무와 홀 위치가 채널 내부의 와류쌍형성 및 홀 출구 부근에서의 압력계수 분포에 미치는 영향을 파악하여 필름 쿨링 성능에 변화를 일으키는 요인을 분석하였다. 또한 홀을 통과하는 냉각기체의 유선 및 속도 분포를 파악하여 블레이드 외부 표면에서의 냉각기체의 거동을 확인하였다.
대상 데이터
격자는 ICEM CFD (ver. 17.0)로 제작하였으며 격자의 개수는 640만개로 설정하였다. 블레이드 외부 표면 근처에서의 유동 및 열전달 특성을 효과적으로 분석하기 위하여 그림 2와 같이 프리즘 격자를 생성하여 주 유동경계층 내부에서 발생하는 필름 냉각을 정밀하게 묘사하였다.
도메인의 총 크기는 10 mm의 필름 홀 직경 D를 기반으로 설정하였으며 냉각채널의 크기는 70 mm×70 mm×350 mm이고 주 유동이 지나가는 채널은 직사각형으로서 40 mm×80 mm×440 mm 크기로 구성되어 있다.
이론/모형
리브는 냉각채널의 윗면 및 아랫면에 설치하였다. 속도와 압력의 연결 조건은 SIMPLEC 알고리즘을 사용하였고 QUICK 알고리즘을 이용하여 대류항을 이산화하였다.
성능/효과
1. 리브가 없는 경우보다 리브가 있는 경우 최소 12%에서 최대 38%의 평균 냉각효율이 향상하였다. 또한, 리브가 있는 경우에 홀이 좌측에 배치된 Case C가 다소 좋은 효율을 보이는 것으로 나타났다.
2. 리브가 있는 채널의 경우 냉각기체의 유동은 시계방향 및 반시계방향으로 와류 쌍을 형성하면서 전반적인 유동 속도가 감소한다. 냉각효율이 가장 좋은 Case C의 경우 와류 쌍이 홀 입구 부근에서 벽면을 만나 재순환 영역을 생성하며 홀 경사각 방향과 유사한 방향의 유동이 홀로 진입한다.
3. 리브가 있는 경우에 리브가 없는 경우보다 홀 출구 부근에서 낮은 압력 계수가 나타났으며 주 유동 진행 방향으로의 압력 계수 차이가 다소 크다. 특히 Case C의 경우 홀 부근에서 가장 낮은 압력 계수를 가지며 냉각기체의 홀을 통한 유동이 촉진되어 냉각효율이 다소 증가한 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
가스터빈의 효율 및 출력을 증대시키기 위해 쓰는 방법은?
가스터빈은 타 내연기관에 비해 대기오염이 적고 효율이 높기 때문에 차세대 엔진으로 각광받고 있다. 최근 국내외적으로 가스터빈의 효율 및 출력을 증대시키기 위하여 터빈의 입구온도를 높이는 추세이다. 고성능 가스터빈에 사용되는 가스의 온도는 금속의 한계치를 상회한다[1].
가스터빈이 차세대 엔진으로 각광받는 이유는?
가스터빈은 타 내연기관에 비해 대기오염이 적고 효율이 높기 때문에 차세대 엔진으로 각광받고 있다. 최근 국내외적으로 가스터빈의 효율 및 출력을 증대시키기 위하여 터빈의 입구온도를 높이는 추세이다.
냉각채널의 종횡비(aspect ratio) 및 리브의 각도의 변경으로 가져올 수 있는 긍정적인 효과는?
특히 표면 냉각효율의 극대화를 위하여 냉각채널의 종횡비(aspect ratio) 및 리브의 각도를 변경하여 필름 냉각을 제어하는 연구와 홀의 형태 변화가 블레이드 표면 냉각 성능에 미치는 영향을 연구하고 있다. 적절한 방향의 리브를 갖는 냉각채널의 경우 리브에 의해 형성된 이차 유동은 홀 경사각 방향으로의 와류를 형성하며 냉각기체가 주 유동 경계층 및 열경계층 내부에서 이탈하는 현상을 방지한다. 고온의 가스와 블레이드의 직접적인 접촉을 차단하여 과도한 온도 상승을 막는 역할을 한다. 따라서 이와 연관된 많은 실험 및 수치해석 연구가 활발하게 이루어지고 있다[1-4].
참고문헌 (12)
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J. S. Park, J. C. Han, Y. Huang, S. Ou, R. J. Boyle, "Heat Transfer Performance Comparisons of Five Different Rectangular Channels with Parallel Angled Ribs", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.35, No.11, pp.2891-2903, November, 1992. DOI: https://dx.doi.org/10.1016/0017-9310(92)90309-G
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B. T. An, J. J. Liu, X. D. Zhang, S. J. Zhou, C. Zhang, "Film cooling effectiveness measurements of a near surface streamwise diffusion hole", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.103, No.12, pp.1-13, 2016. DOI: https://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.07.028
W. Yang, X. Shi, J. Zhang, "Experimental investigation on film cooling characteristics of ellipse-shaped tab", Experimental Thermal and Fluid Science, Vol.81, No.2, pp.277-290, February, 2017. DOI: https://dx.doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2016.10.018
C. Liu, L. Ye, H. Zhu, J. Luo, "Investigation on the effects of rib orientation angle on the film cooling with ribbed cross-flow coolant channel", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.115, No.12, pp.379-394, December, 2017. DOI: https://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.08.063
G. Xie, X. Liu, H. Yan, "Film cooling performance and flow characteristics of internal cooling channels with continuous/truncated ribs", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.105, No.2, pp.67-75, February, 2017. DOI: https://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.09.065
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