전방 확장홀을 갖는 막냉각의 큰에디모사
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2021
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Korean
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41-41(1쪽)
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터빈 입구 온도를 높여 가스터빈의 효율을 높이기 위해 고성능 가스터빈의 첫 단 터빈 블레이드에는 표면에 구멍을 뚫어 냉각 유체를 분사하여 단열막을 만드는 막냉각을 적용하고 있다. 막냉각 유체의 공급량이 늘릴 경우 냉각 유체가 벽면에서 뜨면서 표면을 잘 보호하지 못하는 것이 문제인데 이를 해결하기 위해 홀 출구의 면적을 넓히는 확장홀을 최근 많이 도입하고 있다. 확장 홀은 복합각도와 함께 적용하면 폭방향의 균일도를 높여 보다 효과적일 수 있다. 본 연구에서는 전방 확장홀을 갖는 막냉각에 대해 큰에디모사(LES: Large Eddy Simulation)를 수행하였다. 경사각 35 도에 대해 방향각을 단순 각도인 0도와 복합각도인 30도에 대해 시뮬레이션을 하여 비교하였다. 분사비는 0.5,1.0 2가지를 고려하였고 기하형상 및 유동 조건은 Lee 등 <sup>(1)</sup>의 실험 조건을 취하였다. 복합 각도 막냉각 문제에서 LES 및 실험과 비교하여 난류 모형들의 특성을 파악하기 위해 RANS도 수행하였다. LES를 하면 RANS로 과예측 되었던 구멍 근처의 좁은 영역에서 실험과 유사한 막냉각 효율을 예측할 수 있었다 (Figure 1). LES 로는 RANS 로 정확히 예측되지 않았던 난류 강도를 정확히 예측할 수 있었다. 원통형 홀과 비교할 때 확장홀 출구에서의 단면적 증가에 의해 수직 방향의 공급 속도가 감소하기 때문에 확장홀 수직 방향의 속도 변동이 원통형 구멍의 것에 비해 크게 감소한다. 온도 변동은 속도 변동이 큰 영역을 둘러싼 영역으로 나타난다. 또한 단순각도인 전방 확장 구멍의 경우 LES 윤곽선의 최대 온도 변동이 복합각도일 때보다 클 것으로 예측되었다. 이를 통해 단순각도에 대한 혼합 강도는 복합각도일 때보다 클 것으로 예측되었다. 그 결과 복합분사각에서 더 높은 막냉각 효율이 나타났다. 실험에서 얻은 유동 가시화 윤곽선과 LES 결과는 전방확장 구멍의 앞쪽 가장자리 주변의 흐름 반전을 명확하게 보여주지만 RANS 결과는 구멍의 뒤쪽 가장자리 주변의 유입되는 속도가 더 낮기 때문에 이 현상을 예측하지 못했다. 원통형 홀보다 확장홀으로의 주유동의 역류가 구멍의 하류 필름 냉각 성능에 영향을 미칠 수 있다는 점을 고려할 때, 주유동의 역류가 발생하는 역류의 예측이 중요한데 LES의 경우 단순분사각, 복합분사각 모두 적절히 예측을 했으나 RANS의 경우 단순 분사각의 상류 영역에서 제대로 예측하지 못하였다. (그림은 본문 참조)
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