In order to protect the turbine blade from working fluid of high temperature, many cooling techniques such as internal convection cooling, film cooling, impinging jet cooling and thermal barrier coating have been developed. With all other things, film-cooling has been widely used as the important alternative. In the present work, numerical analysis has been performed to investigate and to compare the film-cooling performance of various film-cooling hole schemes such as cylindrical, crescent, louver, and dumbbell holes. To analyze the turbulent flow and the film-cooling mechanism, three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes analysis has been performed with shear stress transport turbulence model. The validation of numerical results has been assessed in comparison with experimental data. The characteristics of fluid flow and the film-cooling performance for each shaped hole have been investigated and evaluated in terms of centerline, laterally averaged and spatially averaged film-cooling effectivenesses. Among the film cooling holes, the dumbbell shaped hole shows better film-cooling effectiveness than the other shaped holes. And the louver and cylindrical shaped hole show the worst film cooling performance, and concentrated flows on near the centerline only.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2008.03a
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pp.53-58
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2008
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.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.23
no.5
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pp.577-586
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1999
Two problems with jet injection through the cylindrical film cooling hole are 1) penetration of jet into mainstream rather than covering the surface at high blowing rates and 2) nonuniformity of the film cooling effectiveness in the lateral direction. Compound angle injection is employed to reduce those two problems. Compound angle injection increases the film cooling effectiveness and spreads more widely. However, there is still lift off at high blowing rates. Shaped film cooling hole is a possible means to reduce those two problems. Film cooling with the shaped hole is investigated in this study experimentally. Film cooling hole used in present study is a shaped hole with conically enlarged exit and Inlet-to-exit area ratio is 2.55. Naphthalene sublimation method has been employed to study the local heat/mass transfer coefficient and film cooling effectiveness for compound injection angles and various blowing rates around the shaped film cooling hole. Enlarged hole exit area reduces the momentum of the jet at the hole exit and prevents the penetration of injected jet into the mainstream effectively. Hence, higher and more uniform film cooling effectiveness values are obtained even at relatively high blowing rates and the film cooling jet spreads more widely with the shaped film cooling hole. And the injected jet protects the surface effectively at low blowing rates and spreads more widely with the compound angle injections than the axial injection.
To protect the turbine blade, many cooling techniques has developed. With all other things, film-cooling has been widely used as the important alternative. In the present work, numerical analysis has been performed to investigate and to compare the film-cooling performance of various film-cooling hole schemes such as cylindrical, crescent, louver, and dumbbell holes. To analyze the turbulent flow and the film-cooling mechanism, three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes analysis has been performed with shear stress transport turbulence model. The validation of numerical results has been assessed in comparison with experimental data. The characteristics of fluid flow and the film-cooling performance for each shaped hole have been investigated and evaluated in terms of centerline, laterally averaged and spatially averaged film-cooling effectivenesses. The dumbbell shaped hole shows better film-cooling effectiveness than other shaped holes. And the louver and cylindrical shaped hole shows lower one, and concentrated flow on centerline only.
In the present work, a parametric study on double-jet film-cooling has been carried out to enhance the film-cooling effectiveness using three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes analysis. The shear stress transport turbulence model is used as the turbulence closure. The lateral ejection angles and the lateral and streamwise distance between the centers of the cooling holes are chosen as the geometric parameters. The spatially averaged film-cooling effectiveness averaged over an area of 8 hole diameters in width and 30 hole diameters in streamwise length is used to evaluate the performance of film-cooling. The parameter of the lateral distance has the largest impact on the film cooling effectiveness compared to the others. On the other hand, the parameter of streamwise distance gives the least influence on the film cooling effectiveness.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.24
no.2
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pp.177-187
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2000
Measurements of temperature fields and film-cooling effectiveness have been conducted for a shower-head film cooling on the leading edge of a blunt body, which simulates a first-stage turbine stator. In this study, three injection cases are employed for an average blowing ratio based on freestream velocity, M, of 0.5, 1.0 and 1.5. Two (Case 1), four (Case 2) and six (Case 3) rows of normal holes are symmetrically drilled on the three tested circular-cylinder leading edges. The measurements show that regardless of M, the film-cooling effectiveness increases as the injection row is situated at farther downstream location. In Case 1, the film-cooling effectiveness is highest for M = 0.5 and lowest for M = 1.5. On the contrary, in Case 3, the film-cooling effectiveness is highest for M = 1.0 and lowest for M = 0.5. When M = 0.5, the film coverage by the first row of the injection holes deteriorates as the number of the injection row increases. In particular, the film-cooling effectiveness due to the injection through the first row of the holes in Case 3, has a nearly zero value.
Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology
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v.9
no.1
s.24
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pp.117-124
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2006
Experiments on film cooling were performed with a small scale rocket engine homing liquid oxygen (LOx) and Jet A-1(jet engine fuel). Film coolants(Jet A-1 and water) were injected through the film cooling injector. Film cooled length and the outside wall temperature of the combustor were determined for chamber pressure, and the different geometries(injection angle) with the flow rates of film coolant. The loss of characteristic velocity due to film cooling was determined for the case of film cooling with water and Jet A-1. As the coolant flow increases, the outside wall temperatures decrease but the decrease in the outside wall temperatures reduced over the 8 percent film coolant flow rate. The efficiency of characteristic velocity was decreased with the Increase of the film coolant flow rate.
International Journal of Aerospace System Engineering
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v.1
no.1
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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.
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.
Kim, Ye Jee;Park, Soon Sang;Rhee, Dong Ho;Kwak, Jae Su
The KSFM Journal of Fluid Machinery
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v.19
no.4
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pp.13-18
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2016
The various film cooling hole shapes have been proposed for effective external cooling of gas turbine blade. In this study, the film cooling effectiveness by three different hole shapes (cylindrical hole, $15^{\circ}$ angle anti-vortex hole, 30-7-7 fan-shaped hole) were examined experimentally. Pressure Sensitive Paint (PSP) technique was used to measure the film cooling effectiveness. The coolant to mainstream density ratio was 1.0 and three blowing ratios of 0.5, 1.0, and 2.0 were considered. Results clearly showed that the effect of hole shape on the distribution of film cooling effectiveness. For the cylindrical hole case, the film cooling effectiveness decreased remarkably as the blowing ratio increased due to the jet lift off. Because of large hole exit area and low coolant momentum, the 30-7-7 fan-shaped hole case showed the highest film cooling effectiveness at all blowing ratio, followed by the anti-vortex hole case.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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