역류형 유로에서의 스월러의 상대적 위치에 따른 베인의 막냉각효율 및 열전달 특성 연구 = Study on Film Cooling Effectiveness and Heat Transfer Characteristics of a Turbine Vane According to the Relative Position of a Swirler in a Reverse-Flow Passage

국문 초록 (Abstract)

터보샤프트엔진에 적용되는 역류형 연소기의 경우, 연소기 출구에서 형성되는 스월 유동과 비균일한 유동 조건이 1단 터빈 베인의 열전달 및 막냉각 성능에 직접적인 영향을 미친다. 이에 따라 연소기–터빈 상 호작용을 고려한 열공력 특성 평가가 요구된다. 본 연구에서는 터보샤프트엔진에 적용되는 역류형 연소기를 모사하여 역류형 유로 및 스월러를 설계하였으며, 이를 기반으로 연소기–터빈 상 호작용을 모사할 수 있는 역류형 선형 캐스케이드를 구축하였다. 해당 시험 장치를 이용하여 실제 엔진 상사 조건을 구현하고, 스월러의 배치 에 따른 가스발생기 터빈 1단 베인의 막냉각 효율 및 열전달계수 분포 변화를 실험적으로 분석하였다. 막냉각 효율은 물질 전달 기법인 압력 감응 페인트(Pressure Sensitive Paint, PSP)를 이용하여 측정하였으며, 열전달계수는 적외 선 열화상 기법을 통한 온도 분포 측정과 천이 열전달 해석 기법을 적용 하여 산출하였다. 스월러의 배치 조건에 따라 베인 전연, 압력면 및 흡 입면에서의 막냉각 효율 분포가 상이하게 나타났다. MFR(Mass Flow Ratio) 및 밀도비 변화에 따라 냉각 유체의 부착, 편향 및 Lift-off 거 동이 변화하였다. 스월 유동이 존재하는 조건에서는 전반적인 난류 강 도 증가로 인해 막냉각 효율이 감소하는 경향이 관찰되었으며, 스월러 가 베인 통로에 위치하는 경우에서는 국부적인 냉각 성능 향상을 확인 하였다. 또한 스월 코어의 유입 위치 변화는 통로 와류 및 말굽 와류의 발달 특성을 변화시켜 국부적인 열전달계수 증감에 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 본 연구 결과는 역류형 연소기가 적용된 터보샤프트엔진에서 연소기 출구 유동과 스월러 배치가 터빈 1단 베인의 열공력 특성에 미치는 영 향을 정량적으로 제시하였으며, 향후 터빈 냉각 설계 및 연소기–터빈 통 합 설계를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 １
• 1.1. 연구배경 １
• 1.2. 선행연구 ４
• 1.2.1. 연소기 및 스월 유동 ４
• 1.2.2. 스월 유동에 따른 베인의 열공력적 특성 ５
• 1.2.3. 스월러에 따른 베인의 열공력적 특성 ９
• 1.2.4. 역류형 연소기. １１
• 1.3. 연구목적 １３
• 제 2 장 시험 장치 및 기법 １４
• 2.1. 시험 설비 및 실험 리그 설계 １４
• 2.1.1. 엔진 상사 고속 시험 설비 １４
• 2.1.2. 역류형 유로를 포함한 캐스케이드 설계 １７
• 2.1.3. 연소기 스월러 설계 ２０
• 2.2. 실험 기법 ２５
• 2.2.1. 압력 감응 페인트 기법 ２５
• 2.2.2. 적외선 열화상 기법 ３０
• 2.2.3. 난류 강도 측정 기법 ３４
• 2.2.4. 이미지 매핑(Image Mapping) ３６
• 제 3 장 실험 결과 및 분석 ３７
• 3.1. 캐스케이드 내의 유동 측정 ３７
• 3.1.1. 시험 리그 주기성 확보 ３７
• 3.1.2. 난류 강도 측정 ４０
• 3.2. 막냉각 효율 측정 ４２
• 3.2.1. 막냉각 효율 측정 실험 캐스케이드 ４２
• 3.2.2. 막냉각 효율 측정 실험 조건 ４５
• 3.2.3. 막냉각 효율 측정 결과 ４７
• 3.3. 열전달계수 측정 ６５
• 3.3.1. 열전달계수 측정 실험 캐스케이드 ６５
• 3.3.2. 열전달계수 분포 ６７
• 제 4 장 결론 ７５
• 4.1. 스월러의 배치에 따른 베인 표면의 막냉각 효율 분포 ７６
• 4.2. 스월러의 배치에 따른 베인 표면의 열전달계수 분포 ７７
• Abstract ８５