008240612s2023      us  |||||||||||||||c||eng  d
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■020    ▼a9798380731614
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI30720674
■035    ▼a(MiAaPQ)PennState_23197emv53
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a621
■1001  ▼aVeley,  Emma  M.
■24510▼aEvaluation  of  Additively  Manufactured  Internal  Cooling  Channels  and  Film  Cooling  Holes  for  Cooling  Effectiveness▼h[electronic  resource]
■260    ▼a[S.l.]:▼bThe  Pennsylvania  State  University.  ▼c2023
■260  1▼aAnn  Arbor  :▼bProQuest  Dissertations  &  Theses,  ▼c2023
■300    ▼a1  online  resource(159  p.)
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  85-05,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Lynch,  Stephen  P.;Thole,  Karen  A.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--The  Pennsylvania  State  University,  2023.
■506    ▼aThis  item  must  not  be  sold  to  any  third  party  vendors.
■520    ▼aCooling  of  the  high-pressure  turbine  in  a  gas  turbine  engine  is  essential  for  durability  because  the  gas  temperature  entering  the  turbine  exceeds  the  melting  point  of  the  hardware.  Both  internal  and  external  cooling  reduces  the  temperature  of  the  blades  and  vanes.  Using  air  that  bypassed  the  combustor  as  coolant,  the  convective  heat  transfer  from  the  hardware  to  this  internal  coolant  is  often  augmented  by  ribs  or  a  serpentine  path.  To  cool  the  external  surface,  coolant  passes  through  holes  on  the  outer  wall  of  airfoil.  The  coolant  creates  a  protective  film  on  the  surface.  The  shape  of  the  cooling  hole  influences  the  cooling  effectiveness  of  this  film  cooling.Additive  manufacturing  facilitates  rapid  prototyping  compared  to  traditional  manufacturing  methods,  which  can  be  exploited  for  designing  and  evaluating  cooling  schemes  of  gas  turbine  hardware.  The  work  in  this  dissertation  used  additive  manufacturing  to  investigate  the  cooling  performance  of  several  internal  and  external  cooling  schemes  manufactured  in  at  engine  scale  for  the  unique  objective  of  determining  the  impacts  of  the  internal  cooling  scheme  on  the  external  cooling.A  variety  of  cooling  hole  shapes  were  investigated  for  this  work:  cylindrical  hoes,  meter-diffuser  shaped  holes,  and  novel  optimized  holes.  Once  additively  manufactured,  the  as-built  cooling  hole  surfaces  were  analyzed  to  determined  their  roughness  and  minimum  cross-sectional  areas.  The  arithmetic  mean  roughness  of  holes  built  at  the  optimal  build  orientation  (perpendicular  to  the  build  plate)  were  on  the  order  of  10  μm;  whereas  those  investigated  at  other  build  orientations  had  roughness  values  up  to  75  μm.  For  the  holes  built  perpendicular  to  the  substrate  the  minimum  cross-sectional  area  was  usually  greater  than  the  design  intent  but  within  15%.  The  additive  process  also  created  an  overbuilt  lip  on  the  leading  edge  (windward)  side  of  the  hole  exit  for  these  holes  because  of  the  thin  wall  thickness  in  the  design.Using  these  cooling  holes,  the  impact  of  rounding  on  meter-diffuser  shaped  holes  and  optimized  holes  on  overall  effectiveness  was  investigated.  The  rounding,  which  came  in  the  form  of  inlet  fillets  on  the  meter-diffuser  shaped  holes,  was  found  to  decrease  the  required  pressure  ratio  to  obtain  the  same  cooling  effectiveness.  The  deviations  from  the  design  due  to  the  additive  process  caused  the  novel  cooling  hole  shapes  designed  through  adjoint  optimization  to  perform  differently  than  anticipated.  For  example,  the  coolant  jet  from  hole  designed  for  co-flow  did  not  bifurcate  as  the  computational  simulation  showed.  The  cross-flow  optimized  hole  outperformed  the  co-flow  optimized  hole  for  most  of  the  tested  blowing  ratio  when  both  holes  were  tested  in  a  co-flow  configuration.  These  results  from  the  novel  optimized  holes  proved  the  necessity  of  experimentally  verifying  new  designs  prior  to  incorporating  into  final  cooling  schemes.The  effect  of  supply  channel  height,  number  of  channels,  ribs,  and  the  cross-sectional  shape  of  the  supply  channel  was  investigated  to  determine  the  impact  of  each  on  the  overall  effectiveness.  Designs  that  had  high  overall  effectiveness  from  only  internal  cooling  had  less  augmentation  in  effectiveness  from  film  cooling  than  designs  with  less  effective  internal  cooling.  For  example,  a  ribbed  channel  typically  had  a  lower  film-cooling  augmentation  than  the  film-cooling  augmentation  for  same  supply  channel  without  ribs.  However,  a  highly  effective  feed  channel  can  obtain  a  higher  overall  effectiveness  without  any  film  cooling  than  a  poorly  performing  feed  channel  can  obtain  with  film  cooling.  But  the  features  that  create  a  highly  effective  feed  channel  can  also  cause  the  cooling  jet  to  lift-off  the  surface  and  mix  with  the  hot  gas  path,  which  was  seen  with  some  rib  and  hole  combinations  and  with  the  triangle  -  vertex  down  supply  channels.  Therefore,  the  hole  shape,  the  supply  channel  geometry,  and  the  junction  between  the  two  all  significantly  contribute  to  a  cooling  scheme's  performance  and  all  three  must  be  considered  concurrently  to  create  an  optimal  cooling  design.
■590    ▼aSchool  code:  0176.
■650  4▼aHeat  transfer.
■650  4▼aCooling.
■650  4▼aViscosity.
■650  4▼aGases.
■650  4▼aLasers.
■650  4▼aDiscount  coupons.
■650  4▼aDesign.
■650  4▼aGas  turbine  engines.
■650  4▼aReynolds  number.
■650  4▼aGeometry.
■650  4▼aApplied  physics.
■650  4▼aMechanical  engineering.
■653    ▼aInternal  cooling
■653    ▼aFilm  cooling
■653    ▼aGas  turbine  hardware
■653    ▼aGas  temperature
■690    ▼a0389
■690    ▼a0548
■690    ▼a0215
■71020▼aThe  Pennsylvania  State  University.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g85-05B.
■773    ▼tDissertation  Abstract  International
■790    ▼a0176
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2023
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T16935427▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.
■980    ▼a202402▼f2024