Methods of cooling turbine blade in aircraft fourth-generation turbine engines

• Autorzy: Kozakiewicz Adam , Baranowska Izabela Anna , Chalimoniuk Marek

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0055.2824

Warianty tytułu

PL

Metody chłodzenia łopatek wysokiego ciśnienia w lotniczych silnikach turbinowych IV generacji

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of the article is to review and analyze existing methods and design solutions of high-pressure turbine cooling systems used in fourth-generation engines. The need to increase the temperature of the working medium causes the development of cooling systems, which also targets minimizing the negative impact of cooling on turbine efficiency. The paper presents the idea of cooling and the most important heat transfer models connected to turbine blades. Attention was focused on analyzing two types of cooling, i.e., internal and external. In the case of internal cooling, the problem of directing the flow of the cooling stream was outlined. It was pointed out that it plays a major role in the area of heat transfer efficiency, which depends on the shape of the flow channel, as well as the Reynolds number for the cooling air. One of the latest solutions used for cooling high-pressure turbine blades, i.e., a system of Dimple Induced Secondary Flow, was presented. In the case of external cooling, attention was focused on the elements affecting the effectiveness of this solution, i.e. the geometry, arrangement, and also the angle of the cooling holes. Results on the comparative analysis of heat transfer coefficients for different configurations of cooling systems are summarized.

PL

Celem artykułu jest przegląd oraz analiza istniejących metod i rozwiązań konstrukcyjnych systemów chłodzenia turbiny wysokiego ciśnienia wykorzystywanych w silnikach IV generacji. Potrzeba zwiększania temperatury czynnika roboczego powoduje rozwój systemów chłodzenia, którego celem jest również zminimalizowanie negatywnego wpływu chłodzenia na sprawność turbin. W pracy przedstawiono ideę chłodzenia i najważniejsze modele wymiany ciepła związane z łopatkami turbin. Skupiono uwagę na przeanalizowaniu dwóch rodzajów chłodzenia, tzn. wewnętrznego i zewnętrznego. W przypadku chłodzenia wewnętrznego zajęto się problem ukierunkowania przepływu strumienia chłodzącego. Zwrócono uwagę, że odgrywa on duże znaczenie w obszarze wydajności wymiany ciepła, która jest zależna od kształtu kanału przepływowego, a także liczby Reynoldsa dla powietrza chłodzącego. Przybliżono jedno z najnowszych rozwiązań stosowanych do chłodzenia łopatek turbiny wysokiego ciśnienia, tzn. układ z wgłębieniami na powierzchni. W przypadku chłodzenia zewnętrznego zwrócono uwagę na elementy mające wpływ na skuteczność tego rozwiązania, tzn. geometrię, rozmieszczenie, a także kąt ustawienia otworów chłodzących. Zestawiono wyniki analizy porównawczej współczynników wymiany ciepła dla różnych konfiguracji układów chłodzących.

Słowa kluczowe

EN

Turbine engine; turbine; cooling system; turbine efficiency; film cooling

PL

Silnik turbinowy; turbina; układ chłodzenia; sprawność turbiny; film powietrzny

• Wydawca: Wydawnictwo Instytutu Technicznego Wojsk Lotniczych
• Czasopismo: Journal of KONBiN
• Rocznik: 2025
• Tom: Vol. 55, iss.3
• Strony: 179--196
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kozakiewicz Adam

• Military University of Technology (Wojskowa Akademia Techniczna), Poland

• https://orcid.org/0000-0002-1607-5715

autor

Baranowska Izabela Anna

• Łukasiewicz Research Network – Institute of Aviation (Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Lotnictwa), Poland

• https://orcid.org/0009-0002-4830-8998

autor

Chalimoniuk Marek

• Air Force Institute of Technology (Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych), Poland

• https://orcid.org/0000-0002-8950-4437

Bibliografia

• 1. A. Kozakiewicz, Estimating the design point in order to optimize the geometry of compressor’s blade row elements, Poland, Poznań: Publishing House of Poznan University of Technology, 2013.
• 2. A. Szczepankowski and J. Szymczak, „Thermal defects of avionic turbojet engines”, Research Works of Air Force Institute of Technology, Iss. 38, pp. 33÷45, 2016.
• 3. S.V. Ekkad, “Internal Cooling”, in Turbine, Aerdynamics, Heat Transfer, Materials and Mechanics, AIAA, 2014, DOI: 10.2514/5.9781624102660.0189.0222.
• 4. L. Xu, Z. Sun, Q. Ruan, L. Xi, J. Gao, and Y. Li, “Development Trend of Cooling Technology for Turbine Blades at Super-High Temperature of above 2000 K”, Energies, 2023, DOI: 10.3390/en16020668.
• 5. B.L. Koff, “Gas Turbine Technology Evolution: A Designer’s Perspective”, Journal of Propulsion and Power, Vol. 20, No. 4, July–August 2004.
• 6. T. Shih and V. Yang, Turbine Aerodynamics, Heat Transfer, Materials, and Mechanics, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2014, DOI: 10.2514/4.102660.
• 7. B. Lakshminarayana, Fluid Dynamics and Heat Transfer of Turbomachinery, New York: John Wiley & Sons, Inc., 1996.
• 8. S. Wiśniewski, Termodynamika techniczna, Poland, Warszawa: Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, 1980.
• 9. J. Chin-Han and L. Wright, Enhanced Internal Cooling of Turbine Blades and Vanes, https://www.netl.doe.gov/sites/default/files/gas-turbine-handbook/4-2-2-2.pdf.
• 10. J.C. Han and Y.M. Zhang, “High Performance Heat Transfer Ducts with Parallel, Broken, and V-Shaped Broken Ribs,” International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 35, No. 2, 1992, pp. 513–523.
• 11. J.P. Bons, “St and cf Augmentation for Real Turbine Roughness with Elevated Freestream Turbulence”, Journal of Turbomachinery, Vol. 124, Oct. 2002.
• 12. “Turbine Design and application”, NASA-SP-290, pp. 313-314.
• 13. A. Shabbir and M.G. Turner, A Wall Function for Calculating the Skin Friction with Surface Roughness, American Society of Mechanical Engineers, Paper GT2004-53908, 2004.
• 14. Q. Zhang and P.M. Ligrani, “Aerodynamic Losses of a Cambered Turbine Vane: Influences of Surface Roughness and Freestream Turbulence Intensity,” Journal of Turbomachinery, Vol. 128, July 2006.
• 15. M. Stripf, A. Schulz, and S. Wittig, “Surface Roughness Effects on External Heat Transfer of a HP Turbine Vane,” Journal of Turbomachinery, Vol. 127, 2005.
• 16. D.G. Bogard and K.A. Thole, “Gas Turbine Film Cooling”, in Turbine, Aerdynamics, Heat Transfer, Materials and Mechanics, AIAA, 2005, https://bpb-use1.wpmucdn.com/sites.psu.edu/dist/c/92759/files/2018/08/2007-Bogard-TST1 fesdy1.pdf.
• 17. S. Chambers, H. Flitan, P. Cizmas, D. Bachovchin, T. Lippert, and D. Little, “The Influence of in Situ Reheat on Turbine-Combustor Performance,” Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 128, No. 3, 2006.
• 18. W. Balicki, P. Głowacki, S. Szczeciński, Z. Korczewski, A. Kozakiewicz, and J. Szczeciński, “Balancing energy processes in turbine engines”, Polish Maritime Research, No. 4(84) 2014 vol. 21.
• 19. A. Kozakiewicz, S. Kachel, and K. Kozakiewicz, „Budowa modelu łopatki turbiny wysokiego ciśnienia lotniczego silnika turbinowego”, Mechanika w Lotnictwie ML-XIX, 2020, Available: https://www.itwl.pl/media/attachments/2021/02/15/mechanika-w-lotnictwie-2020.pdf.
• 20. P. Li, J.H. Choi, D. Zhang, S. Zhang, and Y. Zhang, “Reinforced Symbolic Learning with Logical Constraints for Predicting Turbine Blade Fatigue Life”, Aerospace Science and Technology, Vol. 158, March 2025, DOI: 10.1016/j.ast.2024.109888.
• 21. S. Zhong, G. Jin, Y. Chen, T. Ye, and T. Zhou, “Review of Vibration Analysis and Structural Optimization Research for Rotating Blades”, J. Marine. Sci. Appl., Vol. 24, 2025, DOI: 10.1007/s11804-024-00405-6.
• 22. A. Kozakiewicz, S. Jóźwiak, P. Jóźwiak, and S. Kachel, „Materiałowe tendencje rozwojowe łopatek turbin silników lotniczych na przykładzie DTSO RD-33”, Mechanika w Lotnictwie ML-XIX, 2020, Available: https://www.itwl.pl/media/attachments/2021/02/15/mechanika-w-lotnictwie-2020.pdf.
• 23. A. Kozakiewicz, S. Jóźwiak, P. Jóźwiak, and S. Kachel, “Material Origins of the Accelerated Operational Wear of RD-33 Engine Blades”, Materials, Vol. 14, Iss. 2, 2021, DOI: 10.3390/ma14020336.
• 24. S. Jóźwiak, A. Kozakiewicz, S. Kachel, and D. Zasada, “Operational and Material Causes of High-Pressure Turbine Disc Damage in the RD-33 Engine”, Materials 2023, 16, DOI: 10.3390/ma16175939.