بررسی تجربی اثرات زائده‌های طولی بر اثربخشی خنک‌کاری لایه‌ای ناشی از روزنه های نخودی در پره‌های توربین‌های گازی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه علوم و فنون هوایی شهید ستاری*مهندسی هوافضا

2 مرکز تحصیلات تکمیلی، دانشگاه علوم و فنون هوایی شهید ستاری، تهران، ایران

چکیده

در تحقیق حاضر، اثربخشی خنک‌کاری لایه‌ای ناشی از روزنه‌های نخودی شکل با افزودن زائده‌های طولی در ناحیه‌ی پس از خروجی جت‌ها، به صورت تجربی با استفاده از روش دمانگاری مادون قرمز بررسی شده است. اندازه‌گیری‌ها در عدد رینولدز 10000 )بر اساس مشخصات جریان اصلی و قطر معادل روزنه‌ی جت( و زاویه­ی تزریق 30 درجه روی صفحه‌ی آزمون با استفاده از جت‌های دارای روزنه‌ی شکل یافته­ی نخودی انجام شده است. بررسی‌ها برای چند حالت مختلف شامل سه ارتفاع زائده 0/ 345D, 0/ 522D, 0/ 696D) ) ، سه فاصله‌ی بین دو زائده‌ی مجاور ( 0/ 8D, 1D, 1/ 2D ) و سه طول زائده‌ها 8D, 16D, 24D ) ) انجام شده که در آ نها، D قطر روزنه‌ی خنک‌کاری معادل برای روزنه‌ی نخودی می‌باشد. اثرات نسبت دمش در چهار حالت شامل 4/ 0، 5/ 0، 7/ 0 و 8/ 0 بررسی شده است. نتایج به دست آمده نشان می‌دهد که زائده‌های مورد نظر، با مهار کردن جریان جت تزریق شده، می‌توانند تا حد زیادی اثربخشی خنک‌کاری لایه‌ای را افزایش دهند. در بهترین نسبت دمش مربوط به هر هندسه، درصد افزایش اثربخشی متوسط‌‌گیری شده در کل ناحیه‌ی پایین دست جت در حالت دارای زائده‌های طولی، در مقایسه با حالت بدون زائده، 4/ 41 درصد می‌باشد. در حقیقت، این زائده-ها با کنترل گردابه‌های خلاف هم گرد و محدود کردن پخش جت‌های خنک‌کننده، از اختلاط گازهای داغ با جت‌های خنک‌کاری لایه‌ای جلوگیری می‌کنند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Experimental Investigation of Longitudinal Tabs Effects on Film-Cooling Effectiveness of Pea Shaped Holes in Gas Turbine Blades

نویسندگان [English]

  • Mahdi Ramezanizadeh 1
  • Youness Puladrang 2
1 Shahid Sattari Aeronautical University of Science & Technology
2 Graduate Studies Center, Shahid Sattari Aeronautical University of Science and Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this research, the film cooling effectiveness resulting from Pea-shaped holes equipped with the longitudinal tabs at the jet exit region are investigated experimentally applying the infrared thermography method. The measurements are performed at Re = 10000 (based on the free stream characteristics and the jet hole equivalent diameter) and the injection angle of 30˚ over the test plate applying the Pea-shaped jet holes. Several cases are investigated including three different tab heights (0.345D, 0.522D, 0.696D), three different distances between adjacent tabs (0.8D, 1D, 1.2D), and three different tab lengths (8D, 16D, 24D), in which, D is the equivalent diameter of the Pea-shaped hole. Blowing ratio effects are studied in four different cases of 0.4, 0.5, 0.7 and 0.8. The obtained results showed that the applied tabs, by controlling the injected jet flow, highly increase the film cooling effectiveness. At the best blowing ratio of each configuration, the cooling effectiveness averaged over the downstream region of the jet exit increases 44.4 percent for the holes equipped with the tabs, in comparison to the conventional holes. In fact, these tabs prevent the mixing of the hot gases with the cooling jets by controlling the counter-rotating vortices and restricting the cooling jet diffusion.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Film cooling
  • Pea-Shaped Holes
  • Flow Aligned Tabs
  • Infrared Method
  • Wind Tunnel Test
[1]  A. M. M. Abdala and F. N. M. Elwekeel, An influence of Novel Upstream Steps on Film Cooling Performance, Heat Mass Transf, 93(2) (2016) 86–96.
[2]  M. Suo, Turbine Cooling, Aerothermodynamics of Aircraft Engine Components, AIAA, New York, 1985.
[3]  F. Bazdidi-Tehrani and N.Bohlooli and M.Jadidi, Influence of Film Cooling Jet Inlet Boundary Condition on Large Eddy Simulation of Model Turbine Blade Leading Edge, Computational Fluid Dynamics, 15(4) (2015) 214–227.
[4]  T.I.-P. Shih, Na and M. Chyu, Preventing Hot Gas Ingestion by Film-Cooling Jets via Flow-Aligned Blockers, ASME Turbo Expo, 3 (2006) 921–929.
[5]  M. J. F.Bazdidi-Tehrani,S.M.Mousavi and M.Jadidi, Investigation of Film Cooling on Model Turbine Blade Leading Edge using DES and LES Approaches, Modares Mech. Eng., 15(8) (2015) 260–270.
[6]  D. G. Bogard and K. A Thole, Gas Turbine Film Cooling,J. Propulsion and Power, 22(2) (2006) 249–270
[7]  A. M. M. Abdala, N. M. Elwekeel, and D. Huang, Film Cooling Effectiveness and Flow Structures for Novel Upstream Steps, Appl. Therm. Eng, 105(10) (2016) 397- 410.
[8]  Y. Yu, C. Yen, T. I. Shih, and M. K. Chyu, Film Cooling Effectiveness and Heat Transfer Coefficient DistributionsAround Diffusion Shaped Holes, ASME J. Heat Transf., 124(5) (2002) 820–827.
[9]  C. M. Bell, H. Hamakawa, and P. M. Ligrani, Film Cooling From Shaped Holes, ASME J. Heat Transf., 122(2) (2000) 224–232.
[10] S. Gritsch, M., Schulz, A., and Wittig, Adiabatic Wall Effectiveness Measurements of Film-Cooling Holes With  Expanded  Exits,     Journal  of     Turbomachinary, 120(3) (2008) 549–556.
[11]   R. S. Bunker, A Review of Shaped Hole Turbine Film-Cooling Technology, J. Heat Transfer, 127 (2005) 441–453.
[12]  R. B. R.J. Goldstein, E.G. Eckert, Effects of Hole  Geometry and Density on Three-Dimensional Film Cooling, Int. J. Heat Mass Transf., 17(5) (1974) 595–607.
[13]H. Nadali Najafabadi, M. Karlsson, E. Utriainen, M. Kinell, and L. Wang, Film-Cooling Performance of Multiple Arrays of Cylindrical and Fan-Shaped Holes, J. Propuls. Power, 31(6) (2015) 1621–1630.
[14]B. Laveau and R. S. Abhari, Influence of Flow Structure on Shaped Hole Film Cooling Performance, ASME Turbo Expo, 4 (2010) 1677–1689.
[15]M. Ramezanizadeh and Y. Pouladrang, Experimental Investigation of Film  Cooling  Effectiveness Applying a Novel Integrated Compound Jets Design for the Jet Holes, Modares Mech. Eng., 18(3) (2018) 302–310.
[16] J. Kim and K. Kim, Film-Cooling Performance of Converged-inlet Hole Shapes, Int. J. Therm. Sci., 124(8) (2018) 196–211.
[17]L. M. Wright and E. L. Martin, Film Cooling Effectiveness Distributions on a Flat Plate With a Double Hole Geometry Using PSP, in: ASME/JSME 2011 8th Thermal Engineering Joint Conferace , 2011.
[18]B. A. Ely, M. J., and Jubran, A Numerical Evaluation on the Effect of Sister Holes on Film Cooling Effectiveness and the Surrounding Flow Field, Heat Mass Transf., 45(11) (2009) 1435–1446.
[19]J. D. Heidmann and S. Ekkad, A Novel Anti-Vortex Turbine Film Cooling Hole Concept, ASME Journal of Turbomachinary, 130(3) (2008) 487-496.
[20]R. Farhadi-Azar, M. Ramezanizadeh, M. Taeibi-Rahni, and M. Salimi, Compound Triple Jets Film Cooling Improvements via Velocity and Density Ratios: Large Eddy Simulation, J. Fluids Eng., 133(3) (2011) 031202.
[21]M. R. Salimi, M. Ramezanizadeh, and M. Taeibi- Rahni and R. Farhadi-Azar, Film Cooling Effectiveness Enhancement Applying another Jet in the Upstream Neighbor of the Main Jet-Using LES Approach, J. Appl. Fluid Mech., 9(1) (2016) 33–42.
[22]S. Na and T. I.-P. Shih, Increasing Adiabatic Film- Cooling Effectiveness by Using an Upstream Ramp, J. Heat Transfer, 129(4) (2007) 464–471.
[23]  W. Zhou and H. Hu, A Novel Sand-Dune-Inspired Design for Improved Film Cooling Performance, Int. J. Heat Mass Transf., 110(7) (2017) 908–920.
[24]A. P. Rallabandi, J. Grizzle, and J. Han, Effect of Upstream Step on Flat Plate Film-Cooling Effectiveness Using PSP, J. ASME Turbomach., 133 (2011) 1–8.
[25]G. Barigozzi, G. Franchini, A. Perdichizzi, and S. Ravelli, Effects of Trenched Holes on Film Cooling of a Contoured Endwall Nozzle Vane, ASME J. Turbomach., 134(4) (2012) 041009.
[26]Shuping Chen, Film Cooling Enhancement with Surface Restructure, University of Pittsburgh, 2008.
[27]Y. Pouladrang and M. Ramezanizadeh, Experimental Investigation of the Effect of Novel Pea Jet Hole on   the Thermal Behavior of Jets Injected into a Crossflow, J.Mechanics & Aerodynamics, 7(2) (2018) 33-45.
[28]B.-T. An, J.-J. Liu, C. Zhang, and S.-J. Zhou, Film Cooling of Cylindrical Hole With a Downstream Short Crescent-Shaped Block, J. Heat Transfer, 135 (2013) 031702.