تحقيق تجربي و عددي ضريب اثربخشي خنك‌كاري لايه‌اي در نوك پره توربين داراي اسكوئيلر

Experimental and Numerical Investigation of Film Cooling Effectiveness on Squealer Tip of a Turbine Blade

در كار تحقيقاتي حاضر، به بررسي اثر حضور اسكوئيلر در بهبود عملكرد آيروديناميكي و توزيع بار حرارتي در ناحيه نوك پره پرداخته شده است. ابتدا اثر چهار نسبت دمش مختلف بر روي عملكرد خنك‌كاري نوك پره داراي اسكوئيلر به‌صورت تجربي و با استفاده از روش اندازه‌گيري انتقال حرارت در حالت پايا بررسي شده است. سپس با بهره‌گيري از رهيافت معادلات ناوير-استوكس به روش ميانگين‌گيري رينولدز به بررسي عملكرد خنك‌كاري و افت‌هاي آيروديناميكي در نوك پره تخت و داراي اسكوئيلر پرداخته شده است. نتايج حاصل از تحقيقات تجربي نشان مي‌دهد در پره داراي اسكوئيلر، با افزايش نسبت دمش، مناطق وسيع‌تري از نوك پره تحت پوشش سيال خنك‌كننده قرار مي‌گيرند. نتايج شبيه‌سازي عددي نشان مي‌دهد، در تمام نسبت دمش‌ها، متوسط اثربخشي در سطح پروفيل پره با نوك تخت كمتر از پره داراي اسكوئيلر است. در پره داراي اسكوئيلر، با افزايش نسبت دمش، مقدار متوسط ضريب انتقال حرارت در سطح پروفيل پره‌ با نوك تخت و داراي اسكوئيلر به ترتيب به مقدار 43% و44% كاهش پيدا كرده و متوسط ضريب اثربخشي بر روي لبه داخلي اسكوئيلر و سطح بالاي اسكوئيلر به ترتيب 23% و 15% افزايش پيدا مي‌كند. ضمنا با بالا رفتن نسبت دمش، انتقال حرارت در سطوح ذكرشده كاهش پيدا مي‌كند.

In this article, the effects of squealer on aerodynamic performance and thermal load distribution on the blade tip region are investigated. Experimental results are presented at blowing ratios of 0.5, 0.75, 1.0, and 1.5. The film-cooling effectiveness is measured via the steady-state heat transfer measurement technique. A numerical approach has been applied to compare the film cooling performance and aerodynamic losses in the plane and recessed blade tips. The experimental results indicate that, as the blowing ratio increases, the coolant jets provide better cooling coverage on the cavity surface. The numerical results show that the plane tip film-cooling effectiveness is lower than that for the squealer tip. It can be observed that, for the plane and squealer tip configurations, as the blowing ratio increased, the heat transfer coefficient decreased by about 43% and 44%, respectively. Moreover, the film-cooling effectiveness on squealer tip surface and rim walls increased by 15% and 23%, respectively. Furthermore, the lower heat transfer coefficient was observed at a higher blowing ratio on the surfaces mentioned above. The squealer tip geometry showed better aerodynamic performance, which results in weaker tip leakage vortex and lower tip leakage flow rate with respect to the plane tip geometry.