To find the effective combinations of blowing ratio and injection angle for a straight slot film cooling, film cooling characteristics was investigated using both flow visualization experiment and numerical simulation. Injection angles from $15^{\circ}\;to\;50^{\circ}$ and blowing ratios from 0.2 to 3.0 were selected for the simulation. Comparison between experimental and numerical results shows a good agreement, for the case of the injection angle of $30^{\circ}$ and blowing ratio ranging from 0.55 to 2.0. Film cooling effectiveness was found to be an increasing function of blowing ratio. The effects of injection angle became prominent as the blowing ratio increases. An interesting phenomenon was found for the injection angle of $15^{\circ}$ : the lowest film cooling effectiveness for the blowing ratio smaller than 1.0, but the highest film cooling effectiveness for the blowing ratio greater than 2.0 within wide range of downstream region. There exist optimum injection angles corresponding to maximum film cooling effectiveness : injection angle of $25^{\circ}$ for the blowing ratio from 0.2 to 2.0, and injection angle of $15^{\circ}$ for the blowing ratio of 3.0. Present study provides a design combination among film cooling effectiveness, blowing ratio, and injection angle.
International Journal of Aerospace System Engineering
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제1권1호
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pp.1-9
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2014
In this paper, the effects of the anti-vortex hole angle and blowing ratio on the flat plate film cooling effectiveness were experimentally investigated. For the film cooling effectiveness measurement, pressure sensitive paint technique was applied. The experiments were conducted for cylindrical and anti-vortex film cooling holes, and three blowing ratios of 0.25, 0.5, and 1.0 were tested. Two anti-vortex hole angles of 0 and 15 degree with respect to the flow direction were considered. For the cylindrical hole case, the film cooling effectiveness decreased as the blowing ratio increased because of the coolant lift-off. For the angle anti-vortex hole cases, however, higher blowing ratio resulted in higher film cooling effectiveness due to the reduced actual blowing ratio and diminished kidney vortex. For all blowing ratio, the angled anti-vortex hole case showed the highest film cooling effectiveness.
We used a cylindrical model which simulates turbine blade leading edge to investigate the effects of free-stream turbulence intensity and blowing ratio on film cooling of turbine blade leading edge. Tests are carried out in a low-speed wind tunnel on a cylindrical model with three rows of injection holes. Mainstream Reynolds number based on the cylinder diameter was $7.1\times10^4$. Two types of turbulence grid are used to increase a free-stream turbulence intensity. The effect of coolant blowing ratio was studied for various blowing ratios. For each blowing ratios, wall temperatures around the surface of the test model are measured by thermocouples installed inside the model. Results show that blowing ratios have small effect on spanwise-averaged film effectiveness at high free-stream turbulence intensity. However, an increase in free-stream turbulence intensity enhances significantly spanwise-averaged film effectiveness at low blowing ratio.
Dispersion of coolant jets in a film cooling flow field is the result of a highly complex interaction between the film cooling jets and the mainstream. In order to investigate the effect of blowing ratios on the film cooling of turbine blade, cylindrical body model was used. Mainstream Reynolds number based on the cylinder diameter was $7.1\;\times\;10^4$. The free-stream turbulence intensity kept at $5.0\%$ by using turbulence grid. The effect of coolant flow rates was studied for blowing ratios of 0.9, 1.3 and 1.6, respectively. The temperature distribution of the cylindrical model surface is visualized by infrared thermography (IRT). Results show that the film-cooling performance may be significantly improved by controlling the blowing ratio. As blowing ratio increases, the adiabatic film cooling effectiveness is more broadly distributed and the area protected by coolant increases. The mass flow rate of the coolant through the first-row holes is less than that through the second-row holes due to the pressure variation around the cylinder surface.
Film cooling effectiveness on a flat plate was measured with pressure sensitive paint. The pressure sensitive paint(PSP) changes the intensity of its emissive light with pressure and the characteristic was used in film cooling effectiveness measurement. The film coolants were air and nitrogen, and by comparing the intensity of PSP coated surface with each coolant, the film cooling effectiveness was calculated. Three blowing ratio of 0.5, 1, and 2 were tested with two mainstream turbulence intensities. Results clearly showed the effect of blowing ratio and mainstream turbulence intensity. As the blowing ratio increases, the film cooling effectiveness was decreased near the film cooling holes. However, the film cooling effectiveness far downstream from the injection hole was higher for higher blowing ratio. As the mainstream turbulence intensity increased, the film cooling effectiveness was decreased at far downstream from the injection hole.
Measurements of local blowing ratio and ammonia-diazo flow visualizations have been conducted for a shower-head film cooling on a first-stage turbine stator. In this study, six rows of normal holes are drilled symmetrically on the semicircular leading edge of a simulated blunt body. The measurements show that for an average blowing ratio based on freestream velocity, M, of 0.5, local average mass flow rate through the first two rows of the holes is less than those through the second and third two rows of the holes, and the fraction of mass flow rate through the first two rows to total mass flow rate has a tendency to increase with the increment of M. The flow visualizations reveal that the injection through the first two row results in inferior film coverage even In the case of M = 0.5, meanwhile the row of holes situated at farther downstream location provides higher film-cooling performances for all tested M. This is because film-cooling effectiveness depends on local mainflow velocity at the hole location as well as the mass flow rate through each row.
Experimental results are presented, which describe the effect of blowing ratio on film cooling from two rows of holes with opposite orientation angles. The inclination angle is fixed at 35°, and the orientation angles are set to be 45°for the downstream row, and -45°for the upstream row. The studied blowing ratios are 0.5, 1.0 and 2.0. The boundary layer temperature distributions are measured using thermocouple at two downstream locations. Detailed adiabatic film cooling effectiveness and heat transfer coefficient distributions are measured with TLC(Thermochromic Liquid Crystal). The adiabatic film cooling effectiveness and heat transfer coefficient distributions are discussed in connection with the injectant behaviors inferred from the boundary layer temperature distributions. Film cooling performance, represented by heat flux is evaluated from the adiabatic film cooling effectiveness and heat transfer coefficient data. The results show that the investigated geometry provides improved film cooling performance at the high blowing ratios of 1.0 and 2.0.
Dispersion of coolant jets in a film cooling flow field is the result of a highly complex interaction between the film cooling jets and the mainstream. In order to investigate the effect of blowing ratios on the film cooling of turbine blade, cylindrical body model was used. Mainstream Reynolds number based on the cylinder diameter was $7.1{\times}10^4$. The effect of coolant flow rates was studied for blowing ratios of 0.7, 0.9, 1.2 and 1.5, respectively. The temperature distribution of the cylindrical model surface is visualized by infrared thermography (IRT). Results show that the film-cooling performance could be significantly improved by the shaped injection holes. For higher blowing ratio, the spanwise-diffused injection holes are better due to the lower momentum flux away from the wall plane at the hole exit.
An experimental investigation was conducted to investigate the heat/mass transfer for impingement/effusion cooling system with inclined jet. Jets with inclined angle of 60 are applied to impingement/effusion cooling. At the jet Reynolds number of 10,000, the experiments were carried out for blowing ratios ranging from 0.0 to 1.5. The local heat/mass transfer coefficients on the effusion plate are measured using a naphthalene sublimation method. The result indicates that the inclined jet causes the non-uniform and low heat/mass transfer compared to the vertical jet. At stagnation region, the peak position is shifted from the geometrical center of injection hole due to Coanda effect and its level is higher than that of vertical jet due to increase in turbulence intensity by steep velocity gradient near the stagnation region. Further, the secondary peak region disappears because the interaction between adjacent wall jets weakens. When the initial crossflow occurs, the distorted heat/mass transfer pattern appears. As the blowing ratio (crossflow rate) increases, the heat/mass transfer distributions become similar to those of the vertical jet. This is because the effect of crossflow is dominant compared to that of inclined jet under high blowing ratio $(M{\geq}1.0)$. At low blowing ratio $(M{\leq}0.5)$, averaged Sh value is 10% lower than that of vertical jet, whereas its value at high blowing ratio $(M{\geq}1.0)$ is similar to that of vertical jet.
본 연구에서는 압력감응페인트를 이용하여 평판에서의 막냉각 계수를 측정하였다. 6개의 막냉각 홀을 평판에 대해 30도의 각도를 갖도록 제작하였고, 평균 분사비는 0.5, 1, 2로 하였다. 그 결과, 압력감응페인트 기법으로 막냉각 계수의 분포를 성공적으로 측정할 수 있었고, 실험 결과는 기존의 참고 문헌의 결과와 유사한 경향을 보였다. 막냉각 홀 근처의 막냉각 계수는 분사비가 낮은 경우가 더 높게 나타났다. 분사비가 증가할수록 막냉각 홀 근처의 막냉각 계수는 낮아졌는데, 이는 높은 냉각 유체의 모멘텀에 의해 막냉각 유체가 주유동의 경계층을 뚫고 표면에서 멀어지기 때문이다. 하류에서는 높은 분사비의 경우가 높은 막냉각 계수를 보였는데, 이것은 막냉각 유체가 표면에 재부착되기 때문이다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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