가스터빈 엔진의 터빈 입구 온도는 엔진의 성능향상에 따라 꾸준히 상승했으며, 이로 인해 터빈의 구성품을 보호할 냉각기법의 필요성이 대두되었다. 냉각기법은 내부, 외부 냉각이 있으며, 외부 냉각 기법중 가장 대표적으로 사용되는 것이 막냉각 기법이다. 본 연구에서는 막냉각 기법에 사용되는 막냉각 홀 형상 중 팬 형상 막냉각 홀과 팬 형상 막냉각 홀을 기반으로 형상을 변화시킨 홀에 대한 막냉각 효율 측정실험을 수행하였다. 또한, 전산해석을 수행하여 앞서 실험한 결과와 비교 분석을 하였다.
실험의 대상인 팬 형상 막냉각 홀은 대중적으로 사용되는 7-7-7 팬 형상 막냉각 홀을 기본형상으로 홀 출구 부분에 계단형상 단차 구조를 가공한 형상, 그리고 전단부를 확장 가공한 복합확장형 형상에 대해 막냉각 효율 측정실험을 수행했다. 압력감응페인트를 이용한 단열 막냉각 효율 측정을 위해 저속 풍동을 이용하여 실험을 수행했다. 압력감응페인트를 이용한 단열 막냉각 효율 측정을 위해 이종유체는 질소를 사용했으며, 분사비는 0.5에서 2.0의 범위에서 실험을 수행하였다. 단열 막냉각 효율의 측정 결과 단차 구조를 가공한 형상은 홀 출구 부분에서 냉각 유체가 균일하게 분사되어 기본형상보다 더 향상된 냉각성능을 보였다. 복합확장형 형상은 낮은 분사비 조건에서는 다른 형상들과 유사한 값을 보였으나, 높은 분사비 조건에서는 다른 형상들에 비해 더 뛰어난 냉각 성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
각 홀 형상의 2차 유동의 유동 환경에서의 막냉각 특성을 확인하기 위해 터빈 블레이드 엔드월에 해당 막냉각 홀을 적용하여 실험을 수행했다. 터빈 블레이드 엔드월에서의 실험은 기본형상, 단차 구조가 홀 출구에 가공된 형상, 마지막으로 복합확장형 형상에 대해 막냉각 효율 측정실험을 수행하였다. 실험 조건으로는 주유동의 레이놀즈 수가 에서 이며, 냉각 유체의 경우 유로를 따라 흐르는 유량 대비 0.25 ~ 1.25%의 냉각 유체를 공급하여 실험을 수행하였다. 실험결과 개선된 형상의 막냉각 홀은 기본형상에 비해 더 표면에 잘 부착되어 더 높은 냉각 성능을 보여주었다. 복합확장형 형상은 높은 분사비 조건에서 다른 형상들에 비해 뛰어난 냉각 성능을 보여주어 2차 유동의 영향에 대해 강건한 것을 볼 수 있다.
막냉각 홀에 대한 수치해석은 오픈소스 소프트웨어인 오픈폼(OpenFOAM)을 이용하여 해석을 수행하였다. 오픈폼의 압축성 유동 솔버를 검증하기 위해 RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations) 기법을 이용하여 분사비 1.0의 조건에 대해 해석을 수행했고, 이 결과를 Ansys CFX의 해석결과와 비교 분석을 하였다. 비교 결과, 오픈폼의 압축성 유동 솔버는 상용 소프트웨어와 유사한 결과를 보여주었다. 이후 다양한 분사비별 해석을 2차 정확도의 공간차분법과 SST 난류 모델을 사용하여 수행 후 실험결과와 비교 분석하였다. RANS를 이용한 해석은 전체적으로 실험결과에 비해 막냉각 효율값이 높은 겻을 확인할 수 있다. 해석의 정확도를 높이기 위해 와류 구조를 모사하는 LES 를 이용하여 M=1.0 조건에서 오픈폼을 이용하여 해석을 수행하였다. 아격자 모델로는 WALE (Wall-Adapting Local Eddy-viscosity)을 사용하였으며, 공간차분법으로는 2차 정확도를 갖는 LUST를 이용했다. LES 해석결과는 와류를 직접적으로 계산하기 때문에 막냉각 효율의 분포가 RANS의 해석결과에 비해 실험결과와 유사하게 나타났다. 그러나 LES의 해석 결과는 냉각 유체가 횡방향으로 넓게 퍼지게 예측하여 결과적으로 하류에서 더 높은 막냉각 효율이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 막냉각 해석을 위한 수치해석 기법의 최적화와 더불어 실제 실험 리그에서 측정한 속도 분포를 CFD의 경계 조건으로 적용하여 해석을 수행하면 막냉각 유동의 해석에 있어 더 정확한 결과를 얻을 수 있을 것으로 예측된다.