제 12 권제 5 호 28. 1. 한국추진공학회지 67 압력감응페인트를이용한평판에서의막냉각계수측정 박승덕 * 이기선 * 김학봉 ** 곽재수 *** 김재환 **** Measurement of the Film Cooling Effectiveness on a Flat Plate using Pressure Sensitive Paint Seoung Duck Park* Ki Seon Lee* Hark-Bong Kim** Jae Su Kwak*** Jae Hwan Kim**** ABSTRACT The film cooling effectiveness on a flat plate measured by pressure sensitive paint technique. Six film cooling hole were fabricated on a flat plate with 3 degree angle with respect to the surface and three blowing ratios of.5, 1, and 2 were tested. Results showed that PSP technique successfully evaluated the distribution of film cooling effectiveness and showed similar results with references. The film cooling effectiveness near the film cooling holes was higher for lower blowing ratio case. As the blowing ratio was increased, the film cooling effectiveness near the film cooling hole decreased due to the lift off of the coolant. At far downstream, the film cooling effectiveness for higher blowing ratio was higher due to the coolant reattachment. 초 록 본연구에서는압력감응페인트를이용하여평판에서의막냉각계수를측정하였다. 6개의막냉각홀을평판에대해 3도의각도를갖도록제작하였고, 평균분사비는.5, 1, 2로하였다. 그결과, 압력감응페인트기법으로막냉각계수의분포를성공적으로측정할수있었고, 실험결과는기존의참고문헌의결과와유사한경향을보였다. 막냉각홀근처의막냉각계수는분사비가낮은경우가더높게나타났다. 분사비가증가할수록막냉각홀근처의막냉각계수는낮아졌는데, 이는높은냉각유체의모멘텀에의해막냉각유체가주유동의경계층을뚫고표면에서멀어지기때문이다. 하류에서는높은분사비의경우가높은막냉각계수를보였는데, 이것은막냉각유체가표면에재부착되기때문이다. Key Words: Film cooling( 막냉각 ), Pressure Sensitive Paint( 압력감응페인트 ), Blowing Ratio( 분사비 ) 27 년 11 월 3 일접수 ~ 28 년 8 월 1 일심사완료 * 학생회원, 한국항공대학교항공우주및기계공학부 ** 종신회원, 한국항공대학교항공우주및기계공학부 *** 정회원, 한국항공대학교항공우주및기계공학부 **** 정회원, 한국항공우주연구원엔진개발팀연락저자, E-mail: jskwak@kau.ac.kr 1. 서론고온부품의표면에작은홀을뚫고냉각유체를분사하여뜨거운외부유체로부터표면을보호하는막냉각은여러분야에서응용되고있
68 박승덕 이기선 김학봉 곽재수 김재환한국추진공학회지 다. 특히, 이기술은입구온도를높여출력과효율을증가시키려는가스터빈내고온부품들의파손을방지하고열부하를줄이기위하여많이사용되고있다 [1, 2]. 블레이드표면에서막냉각계수의정확한산출은블레이드열부하와온도분포의예측에필수적이며막냉각계수를실험적으로측정하기위해많은연구자들에의해다양한실험기법이시도되어왔다. 압력감응페인트 (Pressure sensitive paint, PSP) 는압력에따라반사되는빛의강도를달리하는물질로, 산소퀜칭의원리를이용하여표면의압력분포를측정할수있다 [3]. 198년대러시아의모스크바대학에서공기역학실험에적용하면서압력측정에적용되기시작한 PSP는현재저속유동에서의응용에도많은연구가진행되고있다. Morris 등 [4] 과 McLaclan과 Bell[5] 은 PSP 기술을공기역학실험에적용하였고, Zhang과 Fox[6], Zhang 등 [7], Zhang과 Jaiswal[8] 은평판, 노즐, 끝벽에서냉각유체로공기와질소를사용하는기법을이용하여막냉각계수를측정하였다. Ahn 등 [9] 은블레이드팁에서의분사비에따른막냉각효율을측정하였다. 본연구에서는복잡한형상에대한막냉각계수측정에선행하여, 막냉각분사비가평판의막냉각계수분포에미치는영향을분석하기위해 PSP를이용하였다. 이를위해 3가지막냉각분사비를적용하고, 분사비가막냉각계수의분포에미치는영향을실험적으로연구하였다. 2. 실험장치 Figure 1은실험장치의구성을나타낸것으로, 실험장치는막냉각유체의유량측정을위한유랑계, PSP의방사강도측정을위한 CCD 카메라, PSP의발광을위한 LED 조명등으로구성되었다. 열선유속계 (Kanomax) 로측정된주유동의난류강도는.5 % 이고주유동의속도는 2 m/s로고정하였다. 막냉각홀은직경이 5 mm인구멍 6개를수평면에대해 3 각도로설 Fig. 1 Schematic of test section (not to scale) Fig. 2 Schematic of a luminescent PSP 치하였고 Eq. 1로정의되는분사비를.5, 1, 2로변화시키며막냉각계수를측정하였다. (1) 여기서 은분사비, 와 는각각막냉각유체와주유동의밀도, 와 는각각막냉각유체와주유동의속도를나타낸다. 시험부위에는 LED 조명과 14 bit CCD 카메라를설치하여 PSP가방사하는빛을컴퓨터로저장하였으며, 저장된이미지의모든픽셀에대해 5장의이미지를평균한값을사용하여막냉각계수계산에사용하였다. 3. 막냉각계수측정이론 3.1 압력감응페인트 (pressure sensitive paint) PSP는 Fig. 2에서볼수있듯이표면에페인트
제 12 권제 5 호 28. 1. 압력감응페인트를이용한평판에서의막냉각계수측정 69 를고정시켜주는기본코팅막인고착제와발광분자가들어있는층으로구분된다. 산소에민감한발광분자는바인더라는합성고분자내부에고르게분포되어있고, 페인트표면에짧은파장의빛을조사하면산소의양에반비례하는강도로빛을방사한다. 즉, 압력이높아지면표면에서방사되는빛의세기는줄어든다. 압력과방사되는빛의강도의관계식은다음과같이다항식으로표현할수있다. (2) 여기서, 와 는기준압력과기준압력에서의빛의강도를나타내고 와 는주어진압력과그압력에서의빛의강도를나타낸다. 상수 는보정계수로 PSP의종류나조명, 실험조건등에따라달라진다. 3.2 막냉각계수 시험부의코팅된 PSP에서방사하는빛의세기변화를통해시험부의압력을계산하는방법은다음과같은식으로표현할수있다.[9] (3) (4) Table 1. Images required for film cooling measurement by PSP Images Light wind tunnel coolant black image OFF OFF OFF reference image ON OFF OFF air image ON ON air air/nitrogen image ON ON nitrogen 여기서, 는각각기준이미지, black 이미지, 공기이미지, 공기 / 질소이미지를나타내고, 각각의획득조건은 Table 1에나타내었다. 와 는각각공기이미지, 공기 / 질소이미지와 Fig. 3의보정결과를이용해얻은산소의분압 이다. 와 의측정을위해실험을별도로수행 하였으며동일한실험조건의확보를위하여조명과풍동을정지하지않고냉각유체를바꾸어각냉각유체의경우에대한실험을수행하였다. 막냉각유체로질소와공기를각각분사하고각각의경우에대한산소분압을비교하면막냉각계수를측정할수있다. 즉, 질소를막냉각유체로분사하였을경우표면이질소로만덥히게되는영역에서는산소분압이 이되고막냉각계수는 1이된다. 반대의경우, 공기를분사하였을경우와질소를분사하였을경우의산소분압이같게되면막냉각유체의영향을받지않는부분이므로막냉각계수가 이된다. 따라서막냉각유체에따른산소의분압을이용하면막냉각계수를구할수있고, 이를식으로표현하면다음과같다. (5) (7) (6) 여기서, 는막냉각계수이고 와 는막냉각유체가각각공기와질소일때시험부표면에서의산소농도이다. Equation 7을이용하여 PSP로코팅된시험부
7 박승덕 이기선 김학봉 곽재수 김재환한국추진공학회지 1.8 P/P ref.6.4.2.25.5.75 1 I ref /I Fig. 3 Calibration curve for PSP 의막냉각계수의계산을위해서는 Table 1에나타난네가지경우의이미지가필요하다. 여기서 black 이미지는카메라자체의노이즈를고려하기위한것으로, 모든측정된이미지에서 black 이미지의밝기를빼주었다. Fig. 4 Distribution of film cooling effectiveness 3.3 PSP 의보정및측정불확도 Liu와 Sullivan[3], Ahn 등 [9] 으로부터소개된 PSP 보정법으로압력과 PSP에서방사되는빛의세기의보정을위한별도의실험을수행하였다. 온도조절이가능하도록열전소자가부착된알루미늄시편 (3mm 3mm) 에 PSP를코팅하고압력챔버에넣은후진공펌프로 atm에서 1atm 까지압력을조절하면서시험에사용된동일한 CCD 카메라와조명을사용하여압력에따른밝기의변화를측정하였다. 챔버내압력은정확도가 ±.4% 인 Rosemount사의압력계 (Rosemount 351T) 을이용하여측정하였다. PSP 는압력뿐만아니라온도에도반응하므로, 막냉각계수측정실험에서의공기온도와동일한온도에서보정이수행되도록열전소자를이용하여 PSP가코팅된표면의온도를조절하였다. Fig. 3은보정결과로 Eq. 2에서압력비를명도비의 2차항으로나타내었다. Liu와 Sullivan[3] 및 Dunn[1] 에의해소개된방법으로막냉각계수의측정불확도계산을수행하였다. 압력감응페인트의보정과시험부에코팅된압력감응페인트의강도비에의해 Eq. (7) 로계산되는막냉각계수의측정불확도는 ±5.77% 로계산되었다. η η 1.9.8.7.6.5.4.3.2 Mayhew et al [1] TI=.1%, schmidt & bogard [11] TI=.3%, M =.5.1 1 2 3 4 5 6 7 x/d Fig. 5 Film cooling effectiveness along the center of hole.4.35.3.25.2.15.1.5 1 2 3 4 5 6 7 x/d Fig. 6 Film cooling effectiveness along between holes
제 12 권제 5 호 28. 1. 압력감응페인트를이용한평판에서의막냉각계수측정 71 avg η.5.45.4.35.3.25.2.15.1.5 1 2 3 4 5 6 7 x/d Fig. 7 Span averaged film cooling effectiveness 4. 막냉각실험결과 Figure 4는분사비에따른막냉각계수의분포를나타낸것이다. 세경우모두막냉각유체에의한효과를선명히보여주고있다. 분사비가.5 인경우에는막냉각홀에서가까운부분은막냉각계수가크게나타나지만하류로갈수록감소하는것을볼수있다. 이러한경향은낮은분사비로인한낮은냉각유체의모멘텀에의해분사된직후에는주유동의경계층내에막냉각유체가존재하게되어높은막냉각계수가나타나지만하류로갈수록주유동과혼합되면서막냉각계수가급격히낮아지기때문에발생한다. 분사비가증가하면막냉각유체의모멘텀이커지게되어분사된막냉각유체가주유동의경계층을뚫게되고, 이에의해분사된직후의막냉각계수는낮아지게된다. 하지만냉각유체가하류에서표면에재부착됨에따라낮은분사비의경우 (Fig. 4(a)) 에비해높은막냉각계수를나타낸다. Figure 5는막냉각홀중심을따라홀에서의거리에따른막냉각계수를나타낸것으로, 분사비가커질수록분사된직후의막냉각계수는작아지지만하류로갈수록막냉각계수가커지는것을볼수있다. 분사비가 1, 2인경우, 분사직후에냉각유체가표면에서박리되어낮은막냉각계수를나타내지만 x/d = 5 부근에서다시 다소증가하는경향을보이는데, 이는막냉각유체의재부착에의한것으로판단된다. 분사비가.5일경우 Mayhew등 [11] 과 Schmidt와 Bogard 등 [12] 의실험결과와유사한경향의실험결과를보였다. Figure 6은두개의막냉각홀사이의하류에서거리에따른막냉각계수를나타낸것으로, 분사직후에는낮은분사비의경우가좋은막냉각계수를보이지만하류로갈수록높은분사비의경우가높은막냉각계수를나타낸다. Figure 7은거리에따른스팬방향의평균막냉각계수를나타낸것으로, 앞서언급한바와같이분사직후에는낮은분사비의경우가높은막냉각계수를나타내지만하류로갈수록높은분사비의경우가좋은막냉각효율을나타내는것을볼수있다. 이러한경향은분사된막냉각유체의모멘텀크기와밀접한관련이있다. 낮은분사비의경우, 냉각유체의모멘텀이주유동에비해작기때문에분사된냉각유체는주유동의경계층내에머물게되고, 높은막냉각계수를나타낸다. 하지만낮은모멘텀에의해막냉각유체가쉽게흩어지게되므로하류에서는낮은막냉각계수를나타내다. 분사비가높아짐에따라냉각유체의모멘텀이증가하게되고, 분사된냉각유체는주유동의경계층을뚫고나가게되어표면에서분리되고하류에서표면에재부착이된다. 이에의해분사직후에는낮은막냉각계수를갖게되지만하류에서는낮은분사비의경우에비해높은막냉각계수를띄게된다. 이러한경향은주유동의난류강도나표면의형상, 주유동의압력구배, 홀의형상이나배치등에의해달라진다. 따라서다양한유동조건에대한막냉각계수의예측은터빈블레이드의열설계에있어필수적인과정이고추후이러한유동조건에서의막냉각계수측정을수행할예정이다. 5. 결론이논문에서는압력에따라방사하는빛의강
72 박승덕 이기선 김학봉 곽재수 김재환한국추진공학회지 도를달리하는 PSP를이용하여평판에서의막냉각계수를측정하였다. 그결과, PSP가코팅된표면에서공기와질소를막냉각유체로사용하고각각의경우에대한산소분압비를비교하여막냉각계수의분포를산출하였다. 평판에설치된막냉각홀을통해분사비를.5, 1, 2로변화시키며실험을수행하였고, 분사비가낮을수록분사된직후의막냉각계수는높지만하류로갈수록막냉각계수가급격히감소하는것을볼수있었다. 분사비가높은경우에는분사직후의막냉각계수는낮지만하류에서는낮은분사비의경우에비해높은막냉각계수의분포를나타내었다. 본연구에서는 PSP를이용하여평판에서의막냉각계수를측정하였고, 이를바탕으로주유동의난류강도나홀의형상, 배치, 시험부의곡률등이막냉각계수에미치는영향에대한실험적연구를수행할예정이다. 후기이연구는산업자원부한국형헬기민군겸용구성품개발사업 (KARI주관) 위탁연구결과중일부임. 참고문헌 1. Han, J. C., Dutta, S., and Ekkad, S. V., 2, Gas Turbine Heat Transfer and Cooling Technology, Taylor & Francis, New York 2. Rhee, D. H., Kim, B. G., and Cho, H. H., "Effect of Stream Turbulence Intensity on Heat/Mass Transfer Characteristics Around a Film Cooling Hole," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.2 no.2, 1998, pp.56-63 3. Liu, T. and Sullivan, J. P., 25, Pressure and Temperature Sensitive Paint, Springer 4. Morris, M., Donovan, J., Schwab, S., Levy, R., and Crites, R., 1995, "Aerodynamic Applications of Pressure Sensitive Paint," AIAA paper No. 92-264 5. McLachlan, B., and Bell, J., 1995, "Pressure Sensitive Paint in Aerodynamic Testing," EXP. Therm. Fluid Sci., 1, pp.47-485 6. Zhang, L. J., and Fox, M., 1999, "Flat Plate Film cooling Measurement Using PSP and Gas Chromatography Techniques," Proc. Fifth ASME/JSME joint Thermal engineering Conference, Sen Diego, CA 7. Zhang, L. J., Blatz, M., Pudupatty, R., and Fox, M., 1999, "Turbine Nozzle Film Cooling Study Using the Pressure Sensitive Paint(PSP) Technique," ASME Paper No. 99-GT-196 8. Zhang, L. J., Jaiswal, R. S., 21, "Turbine Nozzle Endwall Film Cooling Study Using Pressure Sensitive Paint," ASME J. of Turbomachinery, 123, pp.73-738 9. Ahn, J. Y., S. Mhetras., Han, J. C., 24, "Film-Cooling Effectiveness On a Gas Turbine Blade Tip Using Pressure Sensitive Paint," ASME Paper No. GT24-53249 1. Dunn, P. F., 24, "Measurement and Data Analysis for Engineering and Science," McGraw-Hill 11. Mayhew, J. E., Baughn, J. W., and Byerley, A. R., 23, "The effect of freestream turbulence on film cooling adiabatic effectiveness," International Journal of Heat and Fluid Flow, 24, pp.669-679 12. Schmidt, D. L., Sen, B., Bogard, D. G. 1996, Film cooling with compound angle hole: adiabatic effectiveness, ASME J. of Turbomachinery, 118. pp.87-813