가스터빈의 입구 온도가 높을수록 가스터빈의 효율은 증가한다. 현대의 가스터빈은 이미 재료의 한계를 넘어선 온도에서 작동되고 있으며, 이는 가스터빈 수명의 단축으로 이어지고 있다. 그러므로 가스터빈 냉각기법은 가스터빈의 안정적인 운용을 위해서 필수적이다. 현재까지 다양한 냉각기법에 관하여 연구되어 왔으며, 고온의 작동유체와 직접적으로 접하는 터빈 블레이드 외부 냉각기법에 관한 연구가 다양한 방법으로 진행되고 있다. 대표적인 외부 냉각기법인 막냉각 기법은 터빈 블레이드 표면에 냉각유체를 분사하여 냉각유체 막을 통해 고온의 작동유체로부터 터빈 블레이드를 보호하는 기술이다.
본 연구에서는 평판에서 반와류 막냉각 홀의 주막냉각 홀과 보조 막냉각 홀 간의 각도의 변화가 막냉각 효율에 미치는 영향을 연구하였다. 또한 막냉각 효율이 향상된 반와류 홀 형상의 보조 홀의 위치를 상류 또는 하류로 조정한 경우에 대해 막냉각 효율 분포를 비교 분석 하였다. 그리고 주유동과 냉각유체의 밀도비가 막냉각 효율에 미치는 영향에 관해 연구하였다.
본 연구에서 적용된 막냉각 홀형상은 주유동과의 각도는 30°, 주막냉각홀의 직경은 10mm이며 보조 홀의 직경은 5mm로 설정하였다. 주막냉각홀과 보조 홀과의 간격은 10mm 설정하였으며, 각도에 대한 영향을 확인하기 위해서 주막냉각 홀과 보조막냉각 홀의 각도를 0°, 15°, 30°, 45°로 조정하였다. 또한 선행연구와의 비교 및 검증을 위하여 원통형 홀 형상에 대해서도 계산을 수행하였다. 수치해석을 위한 난류모델은 SST(Shear Stress Transport)모델을 적용하였으며, 비정렬 격자를 사용하여 계산을 수행하였다. 입구 경계조건은 선행연구된 실험으로부터 구해진 속도 및 난류 프로파일을 적용하였다. 계산의 정확성을 위해서 격자 의존성 테스트 및 난류모델에 대한 실험값과의 검증을 수행하였다. 계산의 조건으로 사용된 분사비는 0.5, 1.0, 2.0, 총 3가지이며, 밀도비는 1.05, 2.0, 2가지이다. 이에 대한 결과로, 원통형 홀 형상의 경우, 선행연구와 유사하게 분사비가 증가함에 따라 냉각유체가 부유(Lift-off)하는 경향이 분명하게 나타났다. 냉각유체의 부유로 인하여 막냉각 효율이 급격하게 감소하는 것을 확인하였으며, 주유동과 냉각유체의 와류를 분석함으로써 콩팥와류에 대한 영향을 확인하였다. 이에 반해, 0° 반와류 막냉각 홀형상의 경우, 부유에 대한 영향은 나타나지만 분사비 증가에 따라 하류에 이르는 영역까지 향상된 막냉각 효과를 나타냈다. 15° 반와류 막냉각 홀형상의 경우, 앞선 두 경우에서 보다 확장된 영역에서 높은 막냉각 효과를 나타냈으며, 고려된 모든 경우에서 최적 막냉각 효율을 나타냈다. 30°, 45° 반와류 막냉각 홀형상에서는 부유에 대한 영향이 거의 나타나지 않는 것을 확인하였으나, 보조 막냉각 홀의 각도의 증가로 인한 막냉각 효과의 개선은 미미해졌다. 전반적으로 반와류 막냉각 홀형상에서 원통형 홀 형상보다 향상된 막냉각 효율을 확인하였다. 보조 홀의 위치의 영향에 대한 전산유체해석 결과의 경우, 0° 반와류 막냉각 홀 형상의 경우에서는 대체적으로 막냉각 효율의 경향이 동일하게 나타났다. 하지만 높은 분사비의 경우, 보조 홀이 상류에 위치했을 경우가 전 영역에서 상대적으로 고른 막냉각 효율을 보였다. 또한 15° 반와류 막냉각 홀 형상의 경우 분사비가 커질수록 보조 홀이 상류에 위치한 형상이 더 높은 막냉각 효율을 보였다. 하지만 30° 반와류 막냉각 홀 형상의 경우, 하류에 보조 홀이 위치한 경우가 다른 모델에 비해 월등히 향상된 막냉각 효과를 나타냈다. 밀도비에 대한 영향을 확인하기 위한 수치해석 결과에서는 전반적으로 밀도비가 클 경우, 모멘텀비 감소로 인하여 높은 분사비에서도 주유동으로 유출되지 않고 표면에 더 근접하게 도포되는 것을 확인하였다. 또한 높은 밀도비에서는 홀출구영역을 중심으로 확장된 영역에서 막냉각 효과를 나타냈다. 밀도비 비교 실험의 경우에서도 15° 반와류 막냉각 홀형상이 최적 막냉각 효율을 나타냈다.