1-1 前言
燃氣渦輪機的應用廣泛，在發電設備、航太工程、軍事科技和交通運 輸等都有其身影。燃氣渦輪機的內部主要由壓縮機(compressor)、燃燒室 (combustion chamber)、渦輪(turbine)所構成，其主要之工作流體為空氣，
當空氣進入燃氣渦輪機時會先由壓縮機加壓形成高壓空氣，此高壓空氣與 噴油嘴所噴出的燃料進行混合後再進入燃燒室進行燃燒變成高溫高壓的氣 體再進入渦輪段，此高溫高壓的氣體藉由定子葉片以最佳的角度衝擊渦輪 段轉子的葉片，藉此驅動轉子和其傳動軸將熱能轉換成機械能輸出，此機 械能可以轉換成動力的來源或是連接發電機轉換成電能等等，最後剩餘的 廢氣會由排氣管排出。在燃氣渦輪機運作的過程中，渦輪葉片(turbine blade)需要長時間處在高壓高溫氣體衝擊的環境下，因此常常造成葉片的 損壞【圖 1-1】，因此如何有效地運用冷卻技術來提升燃氣渦輪的運作效率 以及延長渦輪葉片的使用壽命變成了重要的課題，也是工業界在未來發展 中所必須面對的重要環節。
1-2 研究背景
冷卻空氣來衝擊葉片內部的噴流衝擊式冷卻(jet impingement cooling)，外部冷卻技術則有在葉片上挖通孔並由內部噴出冷卻空氣在葉片表面形成 一層低溫薄膜，隔絕熱空氣的薄膜式冷卻(film cooling)，這些冷卻技術 的應用可以有效降低葉片溫度，使葉片能維持正常的運作。但轉子葉片設 計的冷卻通道常常是曲折不平的立體空間，其中常見的冷卻通道入口會是 有轉折或突縮的情況並不會是一個等截面積的通道【圖1-3】，不同的入口 條件影響冷卻的效果也是本實驗的重點。
1-3 液晶感溫技術
的發現可追溯回 1888 年，奧地利植物學家萊尼澤(F.Reinitzer) 觀察到膽 固醇的苯甲酸酯化物竟有兩個熔點，在 145.5℃~179℃間會呈現白濁狀的液軸方向會有些微的偏向，每一層的分子軸逐漸繞著垂直於層面的方向旋轉，
形成一種螺旋性結構，由於這種特殊的排列方式，使其具有特殊的光學性 質，如旋光性、選擇性散射(selective reflection)等性質。
膽固醇液晶亦稱為 Chiral Nematic Liquid Crystal，其材料組成來源 Temperature)的數據，本實驗主要是將 RGB 色彩空間的數值轉換成 HSV 色 彩空間數值，RGB 色彩空間【圖 1-7】是以可見光的三原色紅(Red)、綠(Green)、
藍(Blue)做為基礎的直角座標系統，依不同的比例可以混合出不同的顏色，
而 HSV 色彩空間【圖 1-8】則為一圓柱座標系統，由色調(Hue)、飽和度
Baughn(1995)【1】說明了液晶的歷史並且回顧了 50 篇自 1973 年以來 在加州大學戴維斯分校(University of California, Davis)發表的期刊論 文，內容囊括了兩種穩態的感溫液晶的量測方法和三種暫態的感溫液晶量 測方式搭配多種研究內容，再依照發表年代依序說明其實驗內容。
Ekkad and Han(2000)【2】詳細說明了暫態液晶熱傳量測技術(Transient liquid crystal thermography technique)的發展歷史和原理，並且回顧
30 篇利用暫態液晶量測技術研究肋條內冷卻通道的期刊論文。其中包含許 多衝擊冷卻區域和薄膜冷卻區域的熱傳分布研究結果，文中也藉此說明此 種量測技術可以在複雜的幾何條件下提供詳細而且可靠的熱傳資訊。
Camci and Kim(1992) 【3】將一平方公尺的透明塑膠玻璃(plexiglass) 塗上一層 R35C1W 感溫液晶後再塗上一層黑漆當實驗背景，並用熱空氣加熱
Cavallero and Tanda(2002) 【5】利用感熱液晶顯像技術研究寬高比 (AR)為 5 的長方形測試冷卻通道中熱傳分布，通道的水力直徑為 3.333cm，
觀測窗為透明樹脂玻璃(Plexiglas)，實驗中測試的四種冷卻通道其肋條攻 階段(first stage)定子(stator)的內部冷卻通道熱傳情況，並且量測各種 情況的壓力降表現，實驗的測試通道使用透明有機玻璃(transparent Perspex)其水力直徑為 91mm 厚度為 20mm，通道中使用五種不同的立體肋條 搭配 45°和 60°的肋條攻角(angle of attack)和兩種肋條間距，而實驗的
雷諾數為50000 到 200000之間，實驗結果發現使用 60°肋條的的情況下有最
好的熱傳表現但也伴隨著非常大的壓力降，整體來說最理想的情況為 45°
的雙向正交弧形肋條(double-sided orthogonal arc ribs)因為它不但有 理想的熱傳表現也不至於有過大的壓力降，在弧形區域(arc region)的熱 傳表現也比其他種類肋條表現來的平均。
Ekkad et al. (1997) 【7】利用暫態液晶顯像技術研究具有單邊肋條 的雙向正方形冷卻通道中的熱傳分布，空氣先進入第一個通道後在轉折處 旋轉 180°後進入第二個通道後才排出，而冷卻通道由透明塑膠玻璃
(plexiglass)製作而成其邊長為 5.08cm 厚度為 1.27cm，通道中肋條間距和
【7】相同，模擬薄膜冷卻(film cooling)的排出孔洞(bleed hole)直徑為 0.63cm，實驗中測試了包括平滑通道、90°肋條、60°肋條、60°V 型肋條和
Han et al.(1985) 【9】利用密集的熱電偶線分別研究各種肋條攻角(90
°、60°、45°、30°)的靜止正方形冷卻通道在雷諾數為 7000 到 90000 的情 況下的熱傳分布情形，肋條間距和高度比(P/e)有 10 和 20 兩種情形，其結 果顯示在肋條間距和高度比為 10 的情況下 90°肋條的整體平均紐賽數約為 平滑測試通道的兩倍，而在肋條間距和高度比為 10 和 20 的情況下 45°和 30°肋條皆有最佳的熱傳效率，其中 45°肋條的平均紐賽數約比 90°肋條高 出 25%。
Han et al.(1988) 【10】研究了四種寬高比(AR=0.25、0.5、1、2、4) 的冷卻測試通道配合 90°連續型肋條在雷諾數為 10000、30000 和 60000 的
Park et al. (1992) 【11】研究了五種寬高比(AR=0.25、0.5、1、2、
4)的冷卻測試通道配合四種肋條攻角(90°、60°、45°、30°)的連續型肋條 在雷諾數為10000、30000和60000的情況下的熱傳分布情形，各種通道的水 力直徑為4.08~6.8cm之間，肋條間距和高度比(P/e)皆為10，而肋條的高度
(e)在正方形通道(AR=1)時為0.24cm其餘皆為0.32cm高，測試通道使用了非 分布，Wagner al et. (1991) 【12】研究旋轉的平滑冷卻通道在徑向流出 方向的熱傳分布情形，其正方形冷卻通道之邊長為 12.7mm，實驗參數如下：
雷諾數為 12500、25000 和 50000，旋轉數(Ro)為 0 到 0.48 之間，壁面與冷 卻空氣密度比值(wall to coolant density ratio)為 0.07 至 0.22。其結 果顯示隨著旋轉數的上升其翼後緣面(trailing surface)的熱傳效果也隨
的渦輪機葉片狀態，故 Liuo et al. (2007) 【13】利用熱電偶線研究了高
Syson et al.(1996) 【16】利用紅外線熱像儀研究高速旋轉對於感溫 液晶(R48C10W)造成的誤差影響，圓盤的向心加速度最高至 16000g，其結果 顯示在圓盤轉數為 1000 到 7000RPM 之間紅外線熱像儀和感溫液晶的溫度誤 差為±0.3℃，也就是說高的向心加速度(16000g)對於感溫液晶 R48C10W 所 造成的誤差影響不大。
Lock et al.(2005) 【17】利用閃頻儀所造成的視覺暫留和液晶感溫技 術研究高速旋轉圓盤上的熱傳分布情形，用以模擬實際渦輪發電機中的定 子輸出冷卻空氣至轉子的突縮通道中的情況，並且分析三種感溫液晶分別 在 3000、4000 和 5000RPM 時校正曲線的誤差值，其結果顯示其中 R40C1W 和 R30C1W 感溫液晶的誤差值為±0.1℃而 R13C20W 為±1℃。
Zhang et al.(1993) 【18】研究 90°肋條的旋轉三向冷卻通道，各通 道之間為一個 180°的 U 型轉折，實驗中肋條間距和高度比(P/e)為 11，雷
諾數為 23000、47000 和 70000，旋轉數(Ro)為 0.023 到 0.0594 之間。其結 果顯示 90°肋條的熱傳效果與平滑通道比較無論在靜止或旋轉的情況中都 有顯著的增加，但其肋條的效應會抑制高旋轉數所造成的科氏力影響。
Fu et al. (2004)【19】研究低寬高比(AR=0.5、AR=0.25)配合 45°肋 條的旋轉雙向冷卻通道，第一個通道和第二個通道之間為一個 180°的轉折，
實驗中肋條間距和高度比(P/e)皆為 10，雷諾數為 5000、10000、25000 和 40000，旋轉數(Ro)為 0 到 0.3 之間，壁面與冷卻空氣密度比值為 0.115，
並且搭配 90°和 45°通道相對於旋轉平面方位角(orientation)。其結果顯 示旋轉的效應造成第一個冷卻通道翼後緣面的熱傳效果上升、翼前緣面熱 傳效果下降，但同樣是在旋轉的情況下第二個冷卻通道翼前緣面和翼後緣 面的熱傳效果卻較相近，也由於寬高比=0.25 的通道中肋條相對狹小，最低 的區域熱傳效果也出現在此實例中。
Wright et al.(2005)【20】研究三種不同的入口幾何形狀對於寬高比 為 4 的寬型冷卻通道在旋轉的情況下之熱傳效果影響，其入口幾何形狀有
非常顯著，而平滑通道搭配突縮型或平行突縮型的熱傳效果幾乎都比完全 發展型佳無論是靜止或是旋轉的情況下，而在有 45°肋條的通道中也是突縮 型或平行突縮型熱傳效果較佳且其熱傳效果沿著無因次化距離比(X/ )衰 退的比平滑通道還要慢。
Liu et al.(2008)【21】研究高旋轉數下寬高比為 0.25 的雙向通道之 熱傳分布情形，實驗的冷卻空氣由直徑為 9.525mm 的圓管進入入口區域並 直接衝擊至壁面後再轉折 90°通過水力直徑為 20.32mm 的第一個冷卻通道測 試區後轉折 180°進入第二個冷卻通道測試區，實驗中的雷諾數為 10000、
15000、20000、30000 和 40000，旋轉數為 0 到 0.67 之間，壁面與冷卻空 氣密度比值為 0.1 和 0.16，文中也將其他實驗【20】、【22】、【23】中同樣 擬或是以質傳的方法來實驗，Su et al.(2004)【24】用電腦模擬的方式研
究了三種寬高比(AR=1、2、4)的旋轉雙向冷卻通道配合 45°連續型肋條在雷 諾數為 10000 和 100000 的情況下的熱傳分布情形和三維內部流場分析，其 肋條間距和高度比(P/e)為 10，旋轉數的範圍為 0 至 0.28 之間。Kim et al.(2007) 【25】利用質傳的方法研究平滑雙向冷卻通道和 90°肋條雙向冷 卻通道在旋轉情況下的壓力降和熱傳表現，其旋轉數為 0 至 0.2。
應用在實際的情況中，對於渦輪葉片及其他工業技術的設計改良能有所貢 獻。
本實驗主要的參數如下：
1. 雷諾數設定為 15000、20000、25000 和 30000 2. 旋轉數(Ro)為 0 至 0.023 之間
3. 冷卻通道的水力直徑( ) 為 12mm 4. 寬高比(AR)為 1:1.5
5. 冷卻通道中的肋條和主流方向的攻角為 90 度 6. 肋條高度與水力直徑比值(e/ )為 0.125 7. 肋條間距與高度比值(P/e)為 10
8. 測試通道長度與水力直徑比值(L/ )為 10.833 9. 入口高溫流體之參考溫度(Tm)為 50℃
10. 入口幾何形狀有完全發展型、3 比 2 突縮型和 3 比 1 突縮型 11. 突縮通道使用的導角為：無導角、圓型導角