가스터빈 블레이드 부분 캐비티 팁 막냉각 슬롯의 위치 및 형상 변화가 열유동 특성에 미치는 영향에 관한 수치해석적 연구

국문 초록 (Abstract)

높은 에너지 발전 효율을 갖는 가스터빈은 산업 분야를 다양한 분야에서 그 활용성이 확대되고 있다. 가스터빈의 활용성이 확대됨에 따라 가스터빈의 열효율은 지속적으로 높아졌다. 가스터빈의 열효율을 증가시키기 위한 유일한 방안으로는 작동유체의 입구온도를 높이는 것이 있다.
이 과정에서 블레이드를 높은 온도의 작동 유체로부터 보호하기 위한 방안을 마련하기 위한 다양한 연구가 진행되어왔다. 이러한 연구 중 하나가 이중 스퀼러 팁보다 낮은 평균 열전달 계수를 갖는 부분 캐비티 팁을 활용하는 것이다.
블레이드를 보호하기 위해 더 확장된 연구로는 냉각 홀을 요소의 표면에 만들어 냉각 효과를 통해 블레이드를 보호하는 방법이 진행되어왔다. 기존 블레이드 팁의 막냉각 방식은 냉각이 필요한 요소의 표면에 수직하게 분사되는 냉각방식을 사용해왔다. 하지만 위와 같은 기존의 냉각방식은 일정 분사비 이상에서 분사된 냉각 유체가 누설 유동을 관통하여 쉬라우드로 향하게 되고, 이 과정에서 팁의 표면에서 탈락하여 낮은 냉각성능을 보인다는 한계점을 가지고 있다. 그러므로 본 연구에는 부분 캐비티 팁 설계방식을 활용하여 팁의 표면에 수평하게 분사되는 냉각 방식에 대한 전산해석적 연구를 수행하였다. 냉각 홀의 형상설계변수로는 냉각홀의 위치, 종횡비를 선정하였으며, 분사비를 1.0과 2.0의 조건에서 전산해석 연구를 수행하였다. 전산해석에는 상용프로그램인 ANSYS CFX 2020 R1을 사용하였으며, RANS를 활용하였다.
블레이드 팁과 캐비티 표면에서 막냉각 성능계수를 활용하여 냉각성능을 측정하였다. 본 연구를 통해 분사비 2.0의 조건에서 캠버라인(CC), 종횡비(1:3) 냉각 슬롯이 설치될 때 기존 이중 스퀼러 팁에 적용된 기존 냉각방식보다 냉각성능이 207.54% 향상된 결과를 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Gas turbines are widely used in various industrial applications due to their high energy efficiency. As the application of gas turbines is increased, research to improve the thermal efficiency of gas turbines is continuously increased. One way to improve the efficiency is to enhance the working fluid temperature at the turbine inlet.
To protect the blade surfaces from hot mainstream flow, various methods have been developed. One of these methods is applying partial cavity tips, which showed a lower heat transfer coefficient distribution compared to that of the double squealer tips.
Extensive research has been conducted on applying cooling holes to improve the cooling effectiveness. In the conventional film-cooling approach, the coolant is injected in a perpendicular direction to the blade tip surface. In this cooling method, when the blowing ratio is increased, the coolant is moved to the shroud rather than the surface of the tip, and the cooling performance is reduced. Therefore, in this study, using a partial cavity tip, and a horizontal injecting fluid on the surface of the tip is applied. Location and aspect ratio were selected as the design variables for the cooling slot, and numerical investigation was performed at different blowing ratios of 1.0 and 2.0. The RANS approach was performed using ANSYS CFX 2020 R1 solver.
The film cooling effectiveness was calculated at the blade tip and the cavity. It was shown that the cooling performance was improved by 207.54% compared to that of the double squealer tip at the blowing ratio of 2.0, on the camber line (CC), and aspect ratio of 1:3 (AR3).

목차 (Table of Contents)

• 국문요약 Ⅰ
• Abstract Ⅲ
• Contents Ⅴ
• List of Tables Ⅷ
• List of Figures Ⅸ
• Nomenclature ⅩⅡ
• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 동향 및 필요성 6
• 1.2.1 블레이드 팁 형상에 대한 연구 6
• 1.2.2 블레이드 팁 영역에서의 막냉각에 대한 연구 13
• 1.2.3 냉각 홀 형상에 대한 연구 18
• 1.2.4 연구의 필요성 22
• 1.3 연구 목적 23
• 제 2 장 전산해석방법 25
• 2.1 전산해석 형상 25
• 2.2 전산해석 방법 및 이론 31
• 2.2.1 연속방정식 31
• 2.2.2 운동량 방정식 32
• 2.2.3 에너지 방정식 32
• 2.2.4 이산화 방정식 33
• 2.2.5 난류 모델 33
• 2.3 경계조건 36
• 제 3 장 전산해석검증 38
• 3.1 격자 생성 38
• 3.2 난류 모델 선정 및 검증 42
• 3.3 격자독립성 검토 46
• 3.4 형상선정 47
• 제 4장 연구결과 및 고찰 : 냉각 슬롯 위치 변화 49
• 4.1 유동특성 분석 49
• 4.2 냉각 유동 특성 분석 57
• 4.3 냉각 슬롯 위치 변화에 따른 유동과 냉각 특성 연관성 61
• 제 5장 연구결과 및 고찰 : 냉각 슬롯 종횡비 변화 62
• 5.1 유동특성 분석 62
• 5.2 냉각 유동 특성 분석 67
• 5.3 종횡비 변화에 따른 유동과 냉각 특성 연관성 84
• 제 6 장 결론 및 고찰 88
• 6.1 냉각 슬롯 위치 변화에 따른 결론 88
• 6.2 냉각 슬롯 종횡비 변화에 따른 결론 90
• Reference 92