주유동의 난류 강도가 엇갈린 배열의 사각홀 하류에서의 막냉각 성능에 미치는 영향 = Effect of mainstream turbulence intensity on film cooling performance downstream of staggered rows of rectangular holes

국문 초록 (Abstract)

고온의 연소가스로부터 연소기 및 가스터빈 블레이드를 보호하기 위한 방법의 하나로 막냉각 기법이 사용되고 있다. 기존의 막냉각에서는 일반적으로 원형의 단면형상을 가지는 홀을 사용하는데 최근 들어 냉각성능 향상을 위하여 여러 모양의 변형홀을 사용하고 있으며, 슬롯과 비슷한 사각단면형상도 고려되고 있다.
본 연구에서는 막냉각에 엇갈린 배열의 사각홀을 적용한 경우, 주유동의 난류 강도가 막냉각 성능에 어떠한 영향을 미치는가에 대하여 실험적 방법으로 고찰하였다. 난류강도의 영향을 보기 위하여 격자를 이용하여 난류강도를 조절하였다. 사각홀의 성능 평가를 위하여 단면적이 같은 원형홀과 출구부분이 확장된 형태를 가지는 확장사각홀에 대한 실험도 함께 수행하였다. 3차원 이송장치와 열전대 갈퀴(thermocouple rake)로 온도장을 측정하였으며, 국소적 막냉각 효율의 측정을 위하여 TLC를 이용한 Hue capturing method를 사용하였다. 위의 모든 실험은 정상상태에서 0.5에서 2.0 까지 다양한 분사율에 대하여 막냉각홀 1열부터 3열까지 수행하였다.
난류강도가 높은 경우 전체적으로 막냉각 성능은 감소하는 경향을 나타냈다. 실험 결과 열 수가 증가함에 따라 난류강도에 의한 영향이 감소하며 사각홀이 원형홀에 비하여 난류강도의 영향을 덜 받는 것으로 나타났다. 엇갈린 2열의 홀 배열에서 분사율의 변화는 홀 인접 하류에서의 막냉각 성능에는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The film cooling technique is used to prevent the surface of turbine blades from hot gas. In general, rows of discrete circular film cooling holes are used for the cooling of combustors and turbine blades. To improve film cooling performance, recently, shaped holes are used. There are many different shapes of hole, and rectangular shape similar to a slot is one of them.
In this study, experiments have been conducted to investigate how mainstream turbulence intensity effect on film cooling performance of staggered rows of rectangular holes. 10% turbulence intensity is obtained by installation of two kinds of grids which have different shapes. One grid which is installed at 30d upstream from center of 1st row of holes is composed of vertical cylinders of which diameter is 10 mm and center to center distance is 18 mm. The other installed 15d apart to upstream from center of 1st row of holes which has square pattern is constructed of 3 mm square bars and bar spacing is 25 mm.
To analyze effect of mainstream turbulence intensity, temperature field and film cooling effectiveness are measured for two and three staggered rows of the rectangular shaped-holes. Experimental data obtained using circular hole and rectangular hole with laterally expanded exit are compared with those of rectangular hole.
Temperature fields are measured by using thermocouple rake attached a three-axis traversing system. A thermochromic liquid crystals technique is applied to determine adiabatic film cooling effectiveness values of the test surface. Film cooling effectiveness is measured for various blowing rates and compared with the results of the circular holes.
The results show that effect of high turbulence intensity of mainstream to film cooling performance with staggered rows of rectangular hole is not significant. The overall film cooling performance of circular hole, however, decreased with high turbulence intensity. Blowing ratio is ineffective on film cooling performance near downstream of holes for two staggered rows of rectangular holes. Film cooling performance increased considerably with increasing number of rows from 1 to 2. This is because of 'pushing effect' and 'blocking effect.'

목차 (Table of Contents)

• 차례 = i
• List of figures = iii
• List of tables = ix
• Nomenclature = x
• 국문요약 = xii
• 제1장 서론 = 1
• 1.1 연구배경 = 1
• 1.2 연구의 내용 = 4
• 제2장 본론 = 5
• 2.1 막냉각 실험장치 = 5
• 2.2 난류 발생 장치 = 7
• 2.3. 막냉각홀 시편 = 9
• 2.4 TLC 기법 = 12
• 2.4.1 감온성 액정(Thermochromic Liquid Crystals ; TLCs) = 12
• 2.4.2. Hue capturing method = 14
• 2.4.3. TLC의 교정 = 16
• 2.5. 온도장 측정기법 = 21
• 2.6. 측정영역 및 실험조건 = 22
• 2.7. 결과 및 고찰 = 24
• 2.7.1. 실험조건 = 24
• 2.7.2. 평판에서의 경계층 및 난류강도의 측정 = 25
• 2.7.3. 온도장 = 25
• 2.7.4. 막냉각 효율 = 30
• 제3장 결론 = 33
• Appendix A. 오리피스유량계 형상 및 치수 = 36
• Appendix B. Uncertainty analysis = 37
• 참고문헌 = 41
• ABSTRACT = 46
• Figures - CHAPTER 2.7 - = 48