가스터빈의 높은 효율을 얻기 위하여 터빈 입구 온도(turbine inlet temperature)가 재료의 허용 온도를 초과하는 수준으로 상승되어, 블레이드와 같은 터빈 부품들은 과도한 열응력과 열부하에 노출되고 있다. 따라서 블레이드의 요구수명을 보장하기 위해, 블레이드 내부와 외부에 다양한 냉각 기법들이 적용되고 있다. 본 연구에서는 대표적인 블레이드 외부 냉각 기법인 막냉각 기법을 다루었다. 막냉각 기법은 연소 가스에 비해 상대적으로 낮은 온도의 냉각 유체를 터빈 블레이드 표면에 설치된 홀이나 슬롯을 통해 분사해 고온의 연소 가스로부터 블레이드 표면을 보호하는 기법이다. 막냉각 기법 적용 시 냉각 유체로는 압축기를 통해 압축된 공기를 연소실을 통하지 않고 우회시켜 사용한다. 이때 과도한 냉각 유체의 사용은 가스터빈의 공력 손실 및 열 손실을 유발하기 때문에 정교한 냉각 설계가 요구된다. 막냉각 기법의 성능은 주로 막냉각 효율을 통해 평가되며, 이는 냉각 유체의 분사를 통해 얼마나 낮은 온도의 막이 형성되는지 나타난다. 하지만 냉각 유체 분사 시 주 유동과의 상호작용에 의한 국소적인 난류로 열전달계수 증진이 발생하기 때문에 정확한 냉각 성능 평가를 위해서는 막냉각 효율뿐 아니라 열전달계수 증진에 관한 연구 또한 수행되어야 한다.
초기 단순한 형태의 원형 홀을 사용한 막냉각 기법으로 시작하여 현재 다양한 형상의 홀들을 이용한 연구들이 수행되고 있다. 그 중 전방향 확장각과 횡방향 확장각을 갖는 팬형상 홀의 경우, 넓은 출구 면적으로 인해 분사되는 냉각 유체의 모멘텀이 낮아 냉각 유체가 블레이드 표면에 잘 부착되며 냉각 영역 또한 원형 홀에 비하여 넓어 높은 막냉각 효율을 갖는다. 이러한 팬형상 홀의 막냉각 효율은 형상 인자에 큰 영향을 받는 것으로 알려져 형상 인자의 영향에 관한 연구들이 이루어졌고, 연구 결과를 바탕으로 팬형상 홀의 최적화를 위한 실험적?해석적 연구들 또한 활발히 수행되고 있다. 팬형상 홀의 형상 인자 중 전방향 확장각과 횡방향 확장각이 막냉각 효율에 미치는 영향에 관한 많은 연구가 수행되었으나, 원형부 길이와 확산부 길이가 막냉각 효율에 미치는 영향에 관한 연구는 부족하다. 따라서 첫 번째 연구에서는 팬형상 막냉각 홀의 원형부 길이와 확산부 길이에 따른 막냉각 효율을 측정하였다.
첫 번째 연구에서는 사전 연구를 통해 최적화된 팬형상 홀을 사용하여 분사 각도 , 전방향 확장각 그리고 횡방향 확장각 를 갖는 팬형상 홀이 사용되었으며, 최근 많은 연구에서 사용되고 있는 압력 감응 페인트 기법을 적용하여 막냉각 효율을 측정하였다. 그 결과, 원형부 길이가 특성 수준 이상으로 길어질 때, 냉각 유체의 확산이 충분히 이루어지지 않아 냉각 영역이 작아짐에 따라 막냉각 효율이 감소했다. 또한 확산부 길이가 길어짐에 따라 홀 출구의 면적이 넓어져 막냉각 효율이 증가하는 것을 확인하였다.
이때 분사된 냉각 유체와 주유동의 상호작용으로 인해 발생한 난류에 의해 열전달계수의 증진이 발생하므로 정확한 냉각 설계에 있어 이에 관한 연구 또한 필수적이다. 원형 홀의 분사 각도와 분사비 등에 따른 열전달계수 증진 현상에 관한 많은 연구가 수행되었지만, 원형 막냉각 홀에 비해 높은 막냉각 효율을 갖는 것으로 알려져 널리 사용되고 있는 팬형상 막냉각 홀에 관한 연구는 부족하다. 따라서 두 번째 연구에서는 팬형상 막냉각 홀의 배치와 밀도비에 따른 열전달계수 증진 특성에 관하여 연구를 진행하였다.
적외선 카메라(IR thermography)를 이용한 1차원 천이 열전달 기법을 적용하여 실험을 진행하였고 선형회귀분석(Linear regression method)을 통해 열전달계수를 측정하였다.
두 번째 연구에서는 35°의 분사 각도, 각각 15°의 전방향 확장각과 횡방향 확장각 그리고 홀 직경 대비 길이비() 9를 갖는 팬형상 홀의 홀 사이의 간격, 행 사이의 거리와 홀 배열 방식을 변화시켜 막냉각 홀 배치의 영향을 확인하였다. 그 결과, 행 사이의 거리와 홀 배열 방식에 따른 영향은 크게 나타나지 않았지만 홀 사이의 간격이 좁을 때, 높은 분사비 조건에서 인접한 홀에서 분사된 냉각 유체와의 상호작용으로 인해 홀 주위에서의 난류가 증가하게 되어 열전달계수 증진 현상이 크게 나타났다.
또한, 실제 가스터빈에서 고온의 연소 가스와 냉각 유체의 온도 차이에 따라 밀도 차이가 발생하게 된다. 이때, 막냉각 기법에 사용되는 냉각 유체의 밀도비에 따라 홀 하류에서의 유동 특성과 열전달 특성이 변화하기 때문에 밀도비에 따른 영향을 확인하는 것은 중요하다. 따라서 밀도비의 영향을 확인하기 위해 실제 가스터빈에서 나타나는 범위의 4가지 밀도비를 갖는 냉각 유체를 사용하여 밀도비의 영향을 확인하였다. 그 결과, 동일한 분사비에서 밀도비에 따라 주유동과 냉각 유체 사이의 속도 차이가 커졌을 때, 열전달계수 증진 현상이 크게 나타났다.

The turbine inlet temperature has been continuously increased to a level exceeding the allowable temperature of the turbine components such as blade for the improvement of the efficiency of the gas turbine. As the results, the turbine blades are exposed to excessive thermal stresses and thermal loads. Thus, various cooling techniques are applied to the inside and outside of the blade in order to guarantee the required lifespan of the blade. In this study, the film cooling technique, which is a representative blade external cooling technique, was dealt with. The film cooling technique protects the blade surface from the high temperature combustion gas by injecting coolant with a relatively low temperature compared to the combustion gas through holes or slots installed on the turbine blade surface. When the film cooling technique is applied, the air compressed through the compressor is used as the coolant by bypassing it without passing through the combustion chamber. Since the excessive use of coolant causes aerodynamic loss and heat loss of the gas turbine, a sophisticated cooling design is required. The performance of the film cooling technique is mainly evaluated through the film cooling effectiveness which indicates the non-dimensional film temperature.
Starting with the film cooling technique using a simple cylindrical hole in early days, studies using holes of various shapes are currently being conducted. Among them, the fan-shaped hole which has lateral and forward expansion angle shows higher film cooling effectiveness. Since the film cooling effectiveness is affected by the hole geometries such as injection angle and expansion angle, studies on the effect of the hole geometries have actively been conducted. However, studies on the effect of the hole length are insufficient. Therefore, in the first study, the film cooling effectiveness with various cylindrical length and expansion length was measrued.
In the first study, the experimentally optimized fan-shaped hole with injection angle of 30˚, forward expansion angle of 3.54˚ and lateral expansion angle of 12.64˚ was used and the film cooling effectiveness was measured using PSP technique. When the cylindrical length increased to a certain level, the film cooling effectivenes decreased as the coolant did not expand sufficiently. And holes with longer expansion length showed higher film cooling effectiveness as the exit area increased.
When the coolant is injected, the interaction between the coolant and mainstream increases the local turbulence and the increased turbulence induces heat transfer coefficient augmentation. Therefore, for accurate evaluation of the cooling performance, studies on the heat transfer coefficient augmentation as well as the film cooling effectiveness should be conducted. Although many studies on the heat transfer coefficient augmentation of cylindrical holes were conducted, studies on the heat transfer coefficient augmentation of fan-shaped holes are insufficient. Thus, in the second study, the effect of hole arrangement and density ratios on the heat transfer coefficient augmentation of fan-shaped hole was measured.
In the second study, using a fan-shaped hole with injection angle of 35˚, forward expansion angle of 15˚ and lateral expansion angle of 15˚, heat transfer coefficient with various hole pitches, row-to-row distances,hole arrangement methods and density ratios was measured. For the cases with a smaller hole pitch, an increased heat transfer coefficient augmentation was observed. For given experiment conditions, the heat transfer coefficient ratio did not changed significantly with row-to-row distances and hole arrangement methods. Additionally, an increased heat transfer coefficient was observed with the increased velocity difference between the mainstream and coolant.