Influence of Ribs on Internal Heat Transfer and Pressure Drop in a Turbine Blade Trailing Edge Channel

Abstract

Convective cooling inside the internal passage of a turbine blade trailing edge is often insufficient at the sharp corner, when cutback slot cooling is not present. This study investigates the convective heat transfer and pressure drop in a simplified trailing edge internal channel. The internal passage has been modeled as a right triangular channel with a 9˚ angle sharp corner. Heated baseline (with no internal features) and ribbed copper plates have been examined via infrared thermography. A uniform heat flux heater is installed beneath the plates, and non-uniformities in the heat flux due to conduction is corrected by a RANS conjugate heat transfer calculation. The numerical simulations were validated beforehand by experimental results of mean velocity, friction factor, and temperature fields. Nusselt number distributions show that convective heat transfer is significantly enhanced with ribs, and closely coupled with the vortical flow structure. Heat transfer at the corner is increased with ribs, due to a combination of flow blockage effect from the ribs, and secondary flow towards the corner. Although the pressure loss and friction increase slightly, the overall thermal performance, represented by the average Nusselt number with respect to the friction factor, increases by a factor of two with the ribs.

가스터빈 블레이드 형상으로 인해, 블레이드 후연의 내부냉각 유로는 매우 좁다. 이로 인해 컷 아웃 슬록 냉각기법이 적용되지 않으면 샤프 엣지 형상이 생기게 되며, 이 부분에서는 내부냉각이 원할하게 일어나지 않는 경우가 많다. 따라서 샤프 엣지 형상을 포함한 블레이드 후연의 냉각성능을 관측하는 연구가 필요하다. 본 연구는 블레이드 후연을 형상화한 삼각채널에서의 열전달 및 압력강하를 실험적으로 측정하였다. 삼각채널의 꼭지각은 9˚이며, 45˚ 립의 유무에 따른 두가지 채널에서 실험을 진행하였다. 적외선 카메라를 이용한 실험적인 방법으로 열전달을 측정하였으며, 열전도 현상으로 생기는 오차는 RANS를 통한 수치해석을 통해 보정하였다. 수치해석은 선행연구의 속도장, 마찰 계수 및 온도장을 이용하여 검증하였다. 열전달 현상은 너셀 수 분포를 통해 관측되었다. 본 연구 결과에서는 립을 설치함으로서 채널 내의 평균 너셀 수가 2배로 증가했음을 보였다. 특히, 향상된 열전달 성능은 채널 내의 유동 구조 및 와류 구조와 상관관계를 보였다. 립으로 인해 생기는 2차 유동이 샤프 엣지 구간으로의 유량을 증가시키면서, 샤프 엣지 구간에서의 열전달 현상을 대폭 증가시킴을 확인하였다. 마찰 계수 역시 립을 설치함으로서 조금 증가했지만, 열 성능을 계산했을 때 립을 설치하는 것이 약 2배정도 높은 성능 결과를 보여줬다.