Experimental film cooling effectiveness of multi-row patterns on flat and stepped-down surface (SDS)

Cooling systems in Gas turbine technology play a crucial role in the overall cycle efficiency and the extracted mechanical work. Their optimization is therefore of prime importance and an essential concern of many researches. One of the most popular techniques to make the film cooling more efficient, is to introduce multiple rows of holes on a flat surface. However, there are two big liabilities coming with this pattern: jets interference and lack of protection between ejection points. The objective of this work is to overcome the last two issues introducing a new layout of film cooling: the “stepped-down surface”. A simple row of circular holes is followed by a down-step at whose corner the second queue of holes is drilled. To represent the complex interaction between working fluid and coolant, the plenum-model is proposed. The Pressure Sensitive Paint technique appeared to be an excellent method for determination of film cooling effectiveness. four blowing ratios are tested, 0.25, 0.5, 0.75 and 1 at the constant density ratio of 1. The proposed method proved to significantly increase the cooling film efficiency by adding a down-step surface which provides three major improvements compared to the flat one: (1) wider stream-wise film cooling effectiveness (2) more uniform distribution of coolant span-wise and most importantly (3) a substantial reduction of lift-off tendency.

I sistemi di raffreddamento nella tecnologia delle turbine a gas svolgono un ruolo cruciale nell'efficienza complessiva del ciclo e nel lavoro meccanico estratto. La loro ottimizzazione è quindi di primaria importanza e una preoccupazione essenziale di molte ricerche. Una delle tecniche più popolari per rendere più efficiente il raffreddamento del film consiste nell'introdurre più file di fori su una superficie piana. Tuttavia, ci sono due grandi responsabilità che si presentano con questo schema: interferenze con i jet e mancanza di protezione tra i punti di eiezione. L'obiettivo di questo lavoro è superare gli ultimi due problemi introducendo un nuovo layout di raffreddamento del film: la "superficie a gradini". Una semplice fila di fori circolari è seguita da un passo verso il basso al cui angolo viene eseguita la seconda fila di fori. Per rappresentare la complessa interazione tra fluido di lavoro e refrigerante, viene proposto il plenum. La tecnica Pressure Sensitive Paint sembrava essere un metodo eccellente per la determinazione dell'efficacia del raffreddamento del film. Tre rapporti di soffiaggio sono testati, 0,5, 0,75 e 1 al rapporto di densità costante di 1. Il metodo proposto ha dimostrato di aumentare significativamente l'efficienza della pellicola di raffreddamento aggiungendo una superficie in discesa che fornisce tre miglioramenti principali rispetto a quella piatta: (1 ) maggiore efficienza di raffreddamento del film stream-wise (2) distribuzione più uniforme del refrigerante in senso longitudinale e soprattutto (3) una sostanziale riduzione della tendenza al decollo