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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 곽재수
- 발행연도
- 2020
- 저작권
- 한국항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수14
이 논문의 연구 히스토리 (7)
2020
2019
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현대의 가스터빈은 터빈입구온도를 지속적으로 증가시켜 효율을 높여왔다. 이러한 온도의 증가로 가스터빈 블레이드에 열부하와 열응력이 증가하게 되었으며, 블레이드의 수명을 단축시켰다. 따라서 블레이드의 요구수명을 만족시키기 위해 다양한 냉각기법을 블레이드에 적용하고 있다.
본 연구에서 다루는 냉각 기법은 블레이드에 적용되는 대표적인 외부 냉각기법인 막냉각 기법이다. 막냉각 기법은 연소기로부터 나오는 고온의 연소가스에 노출된 가스터빈 블레이드 표면에 홀을 설치하여 홀을 통해 냉각유체를 분사함으로써 블레이드 표면을 보호하는 기법이다. 이러한 막냉각 기법은 가스터빈 블레이드 냉각에서 높은 비중을 차지하여 중요한 역할을 한다.
막냉각 기법의 냉각 효율은 주유동의 조건, 냉각유체의 분사비, 밀도비 등 다양한 조건에 따라 큰 영향을 받는다. 또한, 막냉각 효율은 막냉각 홀의 형상에 영향을 받으며, 팬형상 홀, 오리발 모양, 반달모양 등 다양한 홀을 고안하여 막냉각 효율을 개선시키려는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 다양한 연구를 바탕으로 CFD를 이용하여 팬형상 막냉각 홀의 형상 인자를 변화시켜 높은 막냉각 효율을 얻기 위한 최적화 연구도 활발히 진행되었다. 하지만, 이러한 최적화 연구는 대부분 CFD를 이용한 해석적인 연구였으며, 실험적인 연구는 공개된 문헌에서 찾아보기 힘들다. 따라서 본 연구에서는 팬형상 막냉각 홀의 형상을 실험적으로 최적화하는 연구를 진행하였다.
실험 기법으로는 최근 막냉각 효율 측정 연구에 널리 사용되는 압력감응페인트(Pressure Sensitive Paint, PSP)기법을 사용하였다. 본 연구에서는 30°의 분사각도와 홀 직경대비 길이비() 6을 갖는 팬형상 홀에 전방향 확장각, 횡방향 확장각, 홀 직경대비 원형부 길이비()를 변화시켜 각 형상 인자의 영향을 확인하여 높은 막냉각 효율을 갖는 팬형상 홀 최적화 연구를 진행하였다. 반응표면법(Response surface methodology, RSM)을 이용하여 최적형상을 도출하였으며, 도출된 최적화된 팬형상 홀은 reference홀에 비해 약 52.4% 개선된 막냉각 효율 개선을 보였다.
또한, 팬형상 홀 제작과정에서 발생하는 공차는 불가피한 요소이며, 이러한 공차가 막냉각 효율에 미치는 영향을 확인하는 것은 중요하다. 본 연구에서는 제작시 발생하는 공차의 영향을 확인하기 위해 전방향 확장각 공차, 횡방향 확장각 공차, 중심선 공차를 최적화된 막냉각 홀에 적용하여 실험을 진행하였다. 그 결과, 전방향 확장각 공차가 적용된 일부 홀에서는 막냉각 효율이 감소하는 결과도 보이지만, 공차로 인해 오히려 홀 출구 면적이 증가하여 막냉각 효율이 증가하는 결과를 확인할 수 있었다. 횡방향 확장각 공차 그리고 중심선 공차의 경우 공차가 적용된 막냉각 홀에서는 막냉각 효율 감소를 확인할 수 있었으며, 공차가 클수록 막냉각 효율의 감소가 크게 나타났다.
본 연구에서 다루는 냉각 기법은 블레이드에 적용되는 대표적인 외부 냉각기법인 막냉각 기법이다. 막냉각 기법은 연소기로부터 나오는 고온의 연소가스에 노출된 가스터빈 블레이드 표면에 홀을 설치하여 홀을 통해 냉각유체를 분사함으로써 블레이드 표면을 보호하는 기법이다. 이러한 막냉각 기법은 가스터빈 블레이드 냉각에서 높은 비중을 차지하여 중요한 역할을 한다.
막냉각 기법의 냉각 효율은 주유동의 조건, 냉각유체의 분사비, 밀도비 등 다양한 조건에 따라 큰 영향을 받는다. 또한, 막냉각 효율은 막냉각 홀의 형상에 영향을 받으며, 팬형상 홀, 오리발 모양, 반달모양 등 다양한 홀을 고안하여 막냉각 효율을 개선시키려는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이러한 다양한 연구를 바탕으로 CFD를 이용하여 팬형상 막냉각 홀의 형상 인자를 변화시켜 높은 막냉각 효율을 얻기 위한 최적화 연구도 활발히 진행되었다. 하지만, 이러한 최적화 연구는 대부분 CFD를 이용한 해석적인 연구였으며, 실험적인 연구는 공개된 문헌에서 찾아보기 힘들다. 따라서 본 연구에서는 팬형상 막냉각 홀의 형상을 실험적으로 최적화하는 연구를 진행하였다.
실험 기법으로는 최근 막냉각 효율 측정 연구에 널리 사용되는 압력감응페인트(Pressure Sensitive Paint, PSP)기법을 사용하였다. 본 연구에서는 30°의 분사각도와 홀 직경대비 길이비() 6을 갖는 팬형상 홀에 전방향 확장각, 횡방향 확장각, 홀 직경대비 원형부 길이비()를 변화시켜 각 형상 인자의 영향을 확인하여 높은 막냉각 효율을 갖는 팬형상 홀 최적화 연구를 진행하였다. 반응표면법(Response surface methodology, RSM)을 이용하여 최적형상을 도출하였으며, 도출된 최적화된 팬형상 홀은 reference홀에 비해 약 52.4% 개선된 막냉각 효율 개선을 보였다.
또한, 팬형상 홀 제작과정에서 발생하는 공차는 불가피한 요소이며, 이러한 공차가 막냉각 효율에 미치는 영향을 확인하는 것은 중요하다. 본 연구에서는 제작시 발생하는 공차의 영향을 확인하기 위해 전방향 확장각 공차, 횡방향 확장각 공차, 중심선 공차를 최적화된 막냉각 홀에 적용하여 실험을 진행하였다. 그 결과, 전방향 확장각 공차가 적용된 일부 홀에서는 막냉각 효율이 감소하는 결과도 보이지만, 공차로 인해 오히려 홀 출구 면적이 증가하여 막냉각 효율이 증가하는 결과를 확인할 수 있었다. 횡방향 확장각 공차 그리고 중심선 공차의 경우 공차가 적용된 막냉각 홀에서는 막냉각 효율 감소를 확인할 수 있었으며, 공차가 클수록 막냉각 효율의 감소가 크게 나타났다.
목차
제 1 장 서론 11.1 연구 배경 및 목적 11.2 연구동향 및 연구의 필요성 3제 2 장 측정이론 및 실험장치 52.1 압력감응페인트를 이용한 막냉각 효율 측정 이론 52.2 막냉각 실험장치 9제 3 장 최적화 이론 153.1 실험계획법 153.2 반응표면법(Response surface methodology) 17제 4 장 결과 및 분석 184.1 팬형상 막냉각 홀의 형상에 따른 막냉각 효율 변화 결과 184.2 제작공차가 막냉각 효율에 미치는 영향 결과 35제 5 장 결론 445.1 팬형상 막냉각 홀의 형상에 따른 막냉각 효율 변화 445.2 제작공차가 막냉각 효율에 미치는 영향 45참고문헌 46
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