Numerical design optimization of a fan-shaped hole for film-cooling has been carried out to improve film-cooling effectiveness by combining a three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes analysis with the radial basis neural network method, a well known surrogate modeling technique for optimization. The injection angle of hole, lateral expansion angle of hole and ratio of length-to-diameter of the hole are chosen as design variables and spatially averaged film-cooling effectiveness is considered as an objective function which is to be maximized. Twenty training points are obtained by Latin Hypercube sampling for three design variables. Sequential quadratic programming is used to search for the optimal point from the constructed surrogate. The film-cooling effectiveness has been successfully improved by the optimization with increased value of all design variables as compared to the reference geometry.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.32
no.12
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pp.954-962
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2008
This study presents a numerical procedure to optimize the shape of cylindrical cooling hole to enhance film-cooling effectiveness. The RBNN method is used as an optimization technique with Reynolds-averaged Navier-Stokes analysis of fluid flow and heat transfer with shear stress transport turbulent model. The hole length-to-diameter ratio and injection angle are chosen as design variables and film-cooling effectiveness is considered as objective function which is to be maximized. Twelve training points are obtained by Latin Hypercube Sampling for two design variables. In the sensitivity analysis, it is found that the objective function is more sensitive to the injection angle of hole than the hole length-to diameter ratio. Optimum shape gives considerable increase in film-cooling effectiveness.
Gas turbines are extensively used in flight propulsion, electrical power generation, and other industrial applications. During its life span, a turbine blade is taken out periodically for repair and maintenance. This includes re-coating the blade surface and re-drilling the cooling holes/channels. A successful laser re-drilling requires the measurement of a hole within the accuracy of ${\pm}0.15mm$ in position and ${\pm}3^{\circ}$ in orientation. Detection of gas turbine blade/vane cooling hole position and orientation thus becomes a very important step for the vane/blade repair process. The industry is in urgent need of an automated system to fulfill the above task. This paper proposes approaches and algorithms to detect the cooling hole position and orientation by using a vision system mounted on a robot arm. The channel orientation is determined based on the alignment of the vision system with the channel axis. The opening position of the channel is the intersection between the channel axis and the surface around the channel opening. Experimental results have indicated that the concept of cooling hole identification is feasible. It has been shown that the reproducible detection of cooling channel position is with +/- 0.15mm accuracy and cooling channel orientation is with +/$-\;3^{\circ}$ with the current test conditions. Average processing time to search and identify channel position and orientation is less than 1 minute.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.14
no.5
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pp.365-376
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2002
An experimental study has been conducted to measure the local film-cooling effectiveness and the heat transfer coefficient for a single row of rectangular-shaped holes. four different cooling hole shapes such ai a straight rectangular hole, a rectangular hole with laterally expanded exit, a circular hole and a two-dimensional slot are tested. A technique using thermochromic liquid crystals determine adiabatic film cooling effectiveness values and heat transfer coefficients on the test surface. Both film cooling effectiveness and heat transfer coefficient are measured for various blowing rates and compared with the results of the cylindrical ho1es and the two-dimensional slot. The flow patterns downstream of holes are calculated numerically using a cummercial package. The results show that the rectangular hopes provide better peformance than the cylindrical holes. For the rectangular holes with expanded exit, the penetration is reduced significantly, and the higher and more uniform cooling Peformance is obtained even at relatively high blowing rates.
An experimental study has been conducted to investigate the heat/mass transfer characteristics within a square film cooling hole with asymmetric inlet flow conditions. The asymmetric inlet flow condition is achieved by making distances between side walls of secondary flow duct and film cooling hole different; one side wall is $2D_h$ apart from the center of film cooling hole, while the other side wall is $1.5D_h$ apart from the center of film cooling hole. The heat/mass transfer experiments for this study have been performed using a naphthalene sublimation method and the flow field has been analyzed by numerical calculation using a commercial code. Swirl flow is generated at the inlet region and the heat/mass transfer pattern with the asymmetric inlet flow condition is changed significantly from that with the symmetric condition. At the exit region, the effect of mainstream on the inside hole flow is reduced with asymmetric condition. The average heat/mass transfer coefficient is higher than that with the symmetric condition due to the swirl flow generated by the asymmetric inlet condition.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.26
no.7
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pp.937-944
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2002
An experimental study has been conducted to investigate the heat/mass transfer characteristics within a square film cooling hole with asymmetric inlet now condition. The asymmetric inlet now condition is achieved by making distances between side walls of the secondary now duct and the film cooling hole different; one side wall is $2D_h$ apart from the center of the film cooling hole, while the other side wall is $1.5D_h$ apart from the center of the film cooling hole. The heat/mass transfer experiments for this study have been performed using a naphthalene sublimation method and the now field has been analyzed by numerical calculation using a commercial code. Swirl now is generated at the inlet region and the heat/mass transfer pattem with the asymmetric inlet now condition is changed significantly from that with the symmetric condition. In the exit region, the effect of mainstream on the inside hole now is reduced with the asymmetric condition. The average heat/mass transfer coefficient is higher than that with the symmetric condition due to the swirl now generated by the asymmetric inlet condition.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.10
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pp.2590-2600
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1993
The present paper describes numerical predictions for the film cooling effectiveness from a row of hole at various injection ratios and injection alngles.Numerical calculations were performed to investigate film cooling effectiveness and the characteristics of flow and temperature distributions in the region near the downstream of injection hole including the region of adverse pressure gradient. The elliptic 3-dimensional governing equations with variable thermal properties were solved by SIMPLE algorithm. The results showed that the presence of adverse pressure gradient in the region near the downstream of injection hole induces large temperature gradient. At injection angle of $35^{\circ}$ the average film cooling effectiveness was increased as increased of injection ratio up to 1.0. At injection angle of $90^{\circ}$ however, the average film cooling effectiveness was decreased from injection ratio larger than 0.4.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.21
no.9
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pp.1185-1197
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1997
Three-dimensional flow within a film-cooling hole, which is normally oriented to the main flow, has been measured by using a straight five-hole probe for the blowing ratios of 1.0 and 2.0. The length-to-diameter ratio of the injection hole is fixed to be 1.0 throughout the whole experiments. The result shows that the secondary flow within the hole is strongly affected by the main flow and flow separation at the hole inlet. The higher blowing ratio provides less influence of the main flow on the injectant flow. The three-dimensional flow at the hole exit is considerably altered due to the strong interaction between the injectant and main flow. The aerodynamic loss produced inside the injection hole is mainly attributed to the inlet flow separation.
A parametric study on anti-vortex holes for turbine blade cooling was investigated numerically. Three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations and shear stress transport turbulence model were used for analysis of anti-vortex film cooling. Validation of numerical results was carried out comparing with experimental data. The cooling performance of anti-vortex holes was assessed by two geometric variables, the ratio of diameters of holes and the lateral distances between the primary hole and anti-vortex hole at blowing ratios of 0.5 and 1.0. The results showed that the spatially-averaged film-cooling effectiveness increases as the ratio of the diameters increases and the distance between the primary hole and anti-vortex hole decreases.
Park, Jee Min;Moon, Joo Hyun;Lee, Hyung Ju;Lee, Seong Hyuk
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.19
no.9
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pp.69-76
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2018
The present study analyzed the effect of film hole position of 45 degree ribbed cooling channel on film cooling performance of gas turbine blades. We also investigated the influence of the ribs under the fixed blowing ratio. Three-dimensional numerical model was constructed and extensive simulation was conducted using the commercial code (Fluent ver. 17.0) under steady-state condition. Base on the simulation results, We investigated the cooling effectiveness, flow velocity, streamline, and pressure coefficient. Moreover, We analyzed the effect of cooling hole position on ejection of the secondary flow caused by the rib structure. From the results, It was found that internal flow of the cooling channel forms a vortex pair in the counterclockwise from the top side, and clockwise from the bottom side. For the channels with ribs, the vortex flow generated by the ribs caused a higher pressure difference near the hole outlet, resulting in at least 12% higher cooling effectiveness than the channel without ribs. Additionally, when the hole is located on the left side of the ribbed channel (Rib-Left), it can be found that the secondary flow generated by the ribs hits against wall surface near the hole to form a flow in the direction of the hole inclination angle. Therefore, It is considered that the region where the cooling gas discharged to the blade surface stays in the main flow boundary layer is wider than the other cases. In this case, The largest pressure coefficient difference was observed near the outlet of the hole, and as a result, the discharge of the cooling gas was accelerated and the cooling efficiency was slightly increased.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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