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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김윤제
- 발행연도
- 2018
- 저작권
- 성균관대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수1
이 논문의 연구 히스토리 (4)
2017
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가스터빈은 고온 및 고압가스의 팽창으로부터 회전기계를 이용해서 동력을 발생시키는 기관인데, 발전소, 항공기와 해양선박 및 공기부양정의 추진기관, 전차와 차량의 동력기관, 가스 및 유류 수송 동력원 등과 같은 다양한 분야에 사용되고 있다. 이에 따라 가스터빈의 기계적 효율을 향상시키는 방법에 관한 여러 연구가 수행된 바 있다. 가스터빈의 기계적 효율을 향상시킬 수 있는 방법 중 가장 손쉬운 방법은 가스터빈을 지나는 작동유체의 온도를 증가시켜 터빈 입구온도(Turbine Inlet Temperature, TIT)를 향상시키는 방법이며, 이를 위해 가스터빈 블레이드는 높은 온도의 작동유체에 견딜 수 있는 충분한 내열성능을 가져야 한다. 막냉각 방법은 터빈 블레이드 온도를 제어하는 데에 널리 사용되는 대표적인 냉각 방법으로써, 작동유체와 맞닿는 터빈 블레이드에 관하여 일정한 각도 및 형상을 갖는 블레이드 표면 홀을 통해 냉각유체를 분사시켜 터빈 블레이드 표면에 냉각유체 막이 형성되도록 한다. 이에 따라, 터빈 블레이드 표면 홀을 통해 빠져나온 냉각유체는 작동유체와 혼합해 높은 온도를 갖는 작동유체가 터빈 블레이드에 미치는 열전달을 감소시켜 터빈 블레이드의 과열을 효율적으로 억제하는 역할을 한다.
본 연구에서는 막냉각을 위한 냉각 튜브 내벽에 그루브 형상을 적용하여 3-D 모델을 생성하였다. 유체 유동과 열전달을 효과적으로 계산할 수 있는 오일러 기술법 기반의 근사해석 기법인 유한체적법(Finite Volume Method, FVM)을 사용하여 CFD 해석을 수행하였고, 이에 따른 막냉각 유동 특성에 대하여 고찰하였다. 특히, 본 연구에서는 냉각 튜브 내 그루브 패턴 직경, 개수 및 길이에 관한 영향을 분석하였다. 주유동과 냉각유체 유량비를 나타내는 분사비(blowing ratio)는 =0.61.4를 고려하였다. 결과적으로 냉각 튜브 내벽에 그루브 패턴을 적용할 경우 기본형상 대비 약 0.9%의 막냉각 효율이 향상됨을 알 수 있었다. 이는 냉각 튜브 내벽 그루브 형상에 의해 냉각유체가 난류 유동의 형태를 보이게 되어 열 및 에너지 확산 효과를 증가시키고, 냉각 튜브 형상 변화에 의해 냉각유체가 터빈 블레이드 측으로 밀집되는 유동 특성을 보이기 때문이다.
본 연구에서는 막냉각을 위한 냉각 튜브 내벽에 그루브 형상을 적용하여 3-D 모델을 생성하였다. 유체 유동과 열전달을 효과적으로 계산할 수 있는 오일러 기술법 기반의 근사해석 기법인 유한체적법(Finite Volume Method, FVM)을 사용하여 CFD 해석을 수행하였고, 이에 따른 막냉각 유동 특성에 대하여 고찰하였다. 특히, 본 연구에서는 냉각 튜브 내 그루브 패턴 직경, 개수 및 길이에 관한 영향을 분석하였다. 주유동과 냉각유체 유량비를 나타내는 분사비(blowing ratio)는 =0.61.4를 고려하였다. 결과적으로 냉각 튜브 내벽에 그루브 패턴을 적용할 경우 기본형상 대비 약 0.9%의 막냉각 효율이 향상됨을 알 수 있었다. 이는 냉각 튜브 내벽 그루브 형상에 의해 냉각유체가 난류 유동의 형태를 보이게 되어 열 및 에너지 확산 효과를 증가시키고, 냉각 튜브 형상 변화에 의해 냉각유체가 터빈 블레이드 측으로 밀집되는 유동 특성을 보이기 때문이다.
목차
제 1 장 서 론 11.1 연구배경 11.2 관련연구 31.3 연구목적 41.4 연구방법 5제 2 장 이론적 배경 102.1 단열 막냉각 효율 122.2 작동유체 및 냉각유체 분사비 13제 3 장 수치해석 153.1 지배방정식 153.2 해석 모델 163.3 유동해석 173.3.1 격자계 생성 173.3.2 경계조건 193.3.3 난류모델 193.4 수치해석 결과 검증 20제 4 장 결과 및 고찰 304.1 기본모델 해석 결과 304.2 그루브 패턴 적용 모델 314.2.1 그루브 패턴 직경 314.2.2 그루브 패턴 길이 314.2.3 그루브 패턴 개수 324.3 그루브 패턴 및 분사비에 의한 막냉각 성능 334.4 그루브 패턴 형상비 분석 35제 5 장 결 론 53참고문헌 55
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