고효율 가스터빈의 설계를 위해 터빈 입구 온도(Turbine inlet temperature)는 지속적으로 상승해왔다. 그에 따라 현대의 고효율 가스터빈의 경우 이미 블레이드 및 부품의 허용 사용온도를 초과하여 운용되고 있다. 따라서 터빈 구성품의 요구수명을 충족시키기 위해 적절한 냉각법이 필요하고 대표적인 외부 냉각법으로 막냉각 기법이 사용되고 있다. 막냉각이란 터빈 블레이드 및 엔드월 등에 냉각 유체를 분사하여 막을 형성하고 고온의 작동유체로부터 표면을 보호하는 기술이다. 가스터빈에서 냉각 유체로 사용가능한 유량은 한정적이기 때문에 막냉각 효율을 높여 효과적인 냉각을 해야 할 필요가 있다. 막냉각 효율에 영향을 미치는 인자는 분사비, 밀도비 등 분사유체의 특성과 막냉각 홀의 기하학적 요소가 있으며, 능동적 유동 제어를 통한 막냉각 효율의 증진도 최근에 이루어지고 있다.
본 연구에서는 가스터빈 막냉각 효율의 개선을 위하여 다양한 형상을 갖는 홀의 막냉각 효율을 비교하고, DBD 플라즈마의 유도 유동을 적용하였다. 또한 본 연구는 PSP 기법이 상온, 상압에서 실험이 가능하고 막냉각 효율 결과의 질이 우수하며 저온 플라즈마인 DBD 플라즈마가 생성하는 작은 온도 변화에 영향을 받지 않는다는 장점을 갖기 때문에 막냉각 효율 측정에 물질 전달적 방법인 압력감응페인트(Pressure sensitive paint, PSP)기법을 이용하였다. PSP 기법은 표면의 산소분압에 따라 빛의 발광강도를 달리하는 페인트인 PSP를 이용하여 질소, 이산화탄소 등 막냉각 유체를 분사하고 표면의 산소 분압으로 막냉각 효율을 계산하는 실험기법이다.
다양한 홀 형상을 이용한 막냉각 효율 비교에 사용된 막냉각 홀은 원통형 홀과 반와류 홀, 그리고 세 가지의 laidback 팬 형상 홀이다. Laidback 팬 형상 홀의 경우 높은 막냉각 효율을 도출하기 위하여 유동방향 및 횡방향 분사각도를 달리하여 홀을 설계하였다. 실험에 사용된 밀도비는 1.0과 1.5이며 각각 사용된 분사 유체는 질소와 이산화탄소이다. 분사비는 0.5, 1.0, 2.0 세 가지에 대하여 실험을 수행하였다. 실험이 수행된 경우에 대하여 전반적으로 홀 출구 면적을 증가시킨 laidback 팬 형상 홀이 높은 막냉각 효율을 보였다. 원통형 홀과 반와류 홀은 밀도비가 증가할수록 높은 막냉각 효율을 보였으나, laidback 팬 형상 홀은 높아진 밀도비가 분사유체의 모멘텀을 과도하게 낮추어 반대의 경향이 관찰되었다. Laidback 팬 형상 홀 중 가장 넓은 확장각을 갖는 36-10-10 홀이 높은 분사비에서 우수한 막냉각 효율을 나타냈다. Laidback 팬 형상 홀은 막냉각 효율이 전 범위에 걸쳐 가장 우수하나 가공이 어렵다는 단점이 있다. 따라서 상대적으로 제작이 용이한 반와류 홀의 형상과 배치가 최적화된다면 더욱 개선된 막냉각 효율을 보일 수 있을 것으로 기대된다.
분사 유체의 모멘텀에 의해 유체를 능동적으로 제어하여 막냉각 효율을 개선하기 위해 DBD 플라즈마를 적용한 연구는 두 가지의 노출전극 위치()에 대하여 분사비 0.5, 1.0의 경우에 대해 실험이 수행되었다. 실험 결과, 모든 경우에 대하여 DBD 플라즈마의 적용으로 인한 막냉각 효율의 개선 효과를 확인할 수 있었다. 또한 막냉각 효율의 변화는 냉각 유체가 낮은 모멘텀을 가질 때 더 높게 관찰되었다. 따라서 낮은 분사
비 또는 막냉각 유체가 부유되는 지점에 노출전극을 설치한 경우, DBD플라즈마가 막냉각 효율에 미치는 영향이 더 크게 나타난다. DBD 플라즈마를 적용하였을 때 가장 큰 막냉각 효율 상승폭을 나타낸 경우는 노출 전극을 슬롯 출구())에 부착하고 낮은 분사비()로 막냉각 유체를 분사하며 큰 전압(7kV)를 인가해준 것으로, 2.3%의 막냉각 효율 향상을 확인하였다.