Influence of high mainstream turbulence on leading edge film cooling heat transfer: effect of film hole spacingInfluence d'une turbulence elevee sur le transfert thermique de refroidissement par film au bord d'attaque: effet de l'espacement des trousEinfluss einer hohen hauptstromturbulenz auf den wärmeübergang durch filmkühlung an der anströmkante: effekt des bohrungsabstandesBлияниe интeнcивнoй тypбyлeнтнocти ocнoвнoгo пoтoкa нa тeплoпepeнoc y пepeднeй кpoмки пpи плeнoчнoм oчлaждeнии

https://doi.org/10.1016/0017-9310(92)90101-WGet rights and content

Abstract

The effect of injection hole geometry on the leading edge heat transfer coefficient and film cooling effectiveness, under high mainstream turbulence condition, was experimentally studied for an incident mainstream Reynolds number of 100 000. Data were obtained for three blowing ratios of 0.4, 0.8 and 1.2 through two rows of film holes located at ±15 and ±40° for two injection geometries: (a) film holes spaced four hole diameters apart and (b) film holes spaced three hole diameters apart, in the spanwise direction. The results show that the leading edge heat transfer coefficient increases and the film effectiveness decreases with increasing mainstream turbulence; however, the effect reduces with increasing blowing ratio. The leading edge heat transfer with coolant injection (heat load) for the three hole diameters case is lower than that for the four hole diameters case at low mainstream turbulence, but the difference reduces at higher mainstream turbulence.

Résumé

L'effet de la géométrie du trou d'injection sur le coefficient de transfert thermique au bord d'attaque et sur l'efficacité du refroidissement par film, sous la condition de forte turbulence principale, est étudié expérimentalement pour un nombre de Reynolds de 100 000. Des données sont obtenues pour trois rapports de soufflage de 0,4, 0,8 et 1,2 à travers deux rangées de trous logées à ± 15° et ± 40° pour deux geometries d'injection: (a) trous espacés de quatre diamètres et (b) trous espacés de trois diamètres dans la direction de l'envergure. Les résultats montrent que le coefficient de transfert thermique au bord d'attaque augmente et que l'efficacité du film diminue quand la turbulence principale augmente; néanmoins, l'effet diminue lorsque le rapport de soufflage augmente. Le transfert thermique au bord d'attaque avec injection de réfrigérant pour le cas des trois diamètres est inférieur à celui du cas à quatre diamètres pour une faible turbulence principale, mais la différence diminue pour une turbulence plus forte.

Zusammenfassung

Der Einfluβ der Geometrie der Einströmbohrungen auf den Wärmeübergangs-koeffizienten an der Anströmkante und die Wirksamkeit der Filmkühlung wird unter den Bedingungen einer starken Hauptstromturbulenz für Reynolds-Zahlen um 100 000 experimentell untersucht. Es werden Versuchsdaten für drei Einblasverhältnisse (0,4; 0,8; 1,2) durch zwei Reihen von Bohrungen (angeordnet bei ±15° und ±40°) für zwei Einblasgeometrien ermittelt: (a) Querteilungs-verhältnis 4 und (b) Querteilungsverhältnis 3. Die Ergebnisse zeigen, daβ der Wärmeübergangs-koeffizient an der Anströmkante mit wachsender Turbulenz der Hauptströmung zunimmt, während die Effektivität der Filmkühlung abnimmt. Dieser Effekt nimmt jedoch mit zunehmendem Einblasverhältnis ab. Bei geringer Turbulenz der Hauptströmung ist der Wärmeübergang an der Anströmkante mit Einblaskühlung im Fall der Querteilung drei geringer als bei der Querteilung vier. Bei höherer Turbulenz der Hauptströmung nimmt der Unterschied ab.

Реферат

Экcпepимeнтaльнo иccлeдyeтcя влияниe гeoмeтpии oтвepcтий для вдyвa нa кoэффициeнт тeплoпepeнoca y пepeднeй кpoмки и эффeктивнocть плeнoчнoгo oчлaждeния в ycлoвияч интeнcивнoй тypбyлeнтнocти ocнoвнoгo пoтoкa пpи чиcлe Peйнoльдca, paвнoм 100 000. Пoлyчeны дaнныe для тpeч знaчeний пapaмeтpa вдyвa, cocтaвляющич 0,4, 0,8 и 1,2, чepeз двa pядa oтвepcтий, pacпoлoжeнныч пoд yтлaми ± 15 и ± 40°, для двyч гeoмeтpий вдya, кoгдa paccтoяниe мeждy oтвepcтмями в нaпpaвлeнии тeчeния paвнo чeтыpeм и тpeм диaмeтpaм oтвepcтий cooтвeтcтвeннo. Peзyльтaты пoкaзывaют, чтo кoэффицнeнт тeплoпepeнoca y пepeднeй кpoмки yвeличивaeтcя, a эффeктивнocть плeнoчнoгo oчлaждeния yмeньшaeтcя пo мepe вoзpacтaния тypбyлeнтнocти ocнoв, нoгo пoтoкa, oднaкo этoт эффeкт yмeньшaeтcя c pocтoм пapaмeтpa вдyвa. Пpи мaлoй интeнcивнocти тypбyлeнтнocти в cлyчae paccтoяния, paвнoгo тpeм диaмeтpaм oтвepcтий, тeплoпepeнoc y пepeднeй кpoмки пpи вдyвe тяплoнocитeля (тeплoвoй нaгpyзкe) мeнышe, чeм в cлyчae paccтoяния. paвнoгo чeтыpeм диaмeтpaм, нo в ycлoвич бoлee интeнcивиoи тypбyлeнтнocти этo paзличнe yмeньнξaeтcя.

References (17)

  • R.J. Goldstein

    Film cooling

  • V.L. Eriksen et al.

    Heat transfer and film cooling following injection through inclined circular tubes

    ASME J. Heat Transfer

    (1974)
  • R.E. Mayle et al.

    Effect of streamline curvature on film cooling

    ASME J. Engng Power

    (1977)
  • S. Ito et al.

    Film cooling of a gas turbine blade

  • J.C. Han et al.

    Flat plate film cooling with steam injection through one row and two rows of inclined holes

    ASME J. Turbomach

    (1986)
  • M. Sasaki et al.

    Study on film cooling of turbine blades

    Bull. JSME

    (1976)
  • D.W. Luckey et al.

    Stagnation region gas film cooling—spanwise angled coolant injection

  • D.W. Luckey et al.

    Stagnation region gas film cooling—spanwise angled injection from multiple rows of holes

    (1981)
There are more references available in the full text version of this article.

Cited by (30)

  • Cooling effectiveness of shaped film holes for leading edge

    2013, Experimental Thermal and Fluid Science
    Citation Excerpt :

    Moreover, several numerical studies were performed to reveal the physics beyond the highly complex flow at that region. Simulating the leading edge as a half cylinder, Mehendale and Han [7] experimentally studied the effect of turbulence intensity on the film cooling performance of standard cylindrical holes at different blowing ratios. As the mainstream turbulence increased, the effectiveness decreased as the dilution of coolant in the main flow increased.

  • Experimental Investigation of Effusion Film Cooling on a Cylindrical Leading Edge Model

    2023, Journal of Thermal Science and Engineering Applications
View all citing articles on Scopus
View full text