JP2008519197A - Non-spherical dimples and methods for heat transfer surfaces - Google Patents
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Abstract
例えば、ガスタービンエンジン(10)に使用される作動ガスにさらされる伝熱面(20)上に用いられるディンプル(30)であって、該ディンプル(30)は非球形の形状を有する。ディンプル(30)はまた、トーラスの切片として、2つのくさびの切片として形成され、平坦な底面を有する。ディンプルの最大直径に対する最大深さの比は0.2未満である。For example, a dimple (30) used on a heat transfer surface (20) exposed to a working gas used in a gas turbine engine (10), the dimple (30) having a non-spherical shape. The dimple (30) is also formed as a torus piece, as two wedge pieces, and has a flat bottom surface. The ratio of the maximum depth to the maximum diameter of the dimple is less than 0.2.
Description
本発明は、概して、例えば、ガスタービンエンジンを冷却するのに使用されるような伝熱面に用いるために形成されたディンプルに関する。 The present invention relates generally to dimples formed for use in heat transfer surfaces, such as used, for example, to cool a gas turbine engine.
伝熱技術において、ディンプルとは、面全体にわたるガス流の境界層中に局所的な乱流を形成または増幅するために、伝熱面上に設けられた小さい凹部である。ディンプルの多くは、概して同じ面上に設けられる。この乱流の目的の一つとは、ガスと、ディンプルが設けられた面との間の伝熱を増大することである。この技術は多くの場合に用いられるものであり、例えば、ガスタービンエンジン内の内側のエアフォイルの冷却や燃焼器の冷却などに用いられる。ディンプルはまた、別の目的に用いることもできるが、目的によってディンプルの位置や配置などが影響を受ける。 In heat transfer technology, dimples are small recesses provided on the heat transfer surface to form or amplify local turbulence in the gas flow boundary layer over the entire surface. Many of the dimples are generally provided on the same surface. One purpose of this turbulent flow is to increase heat transfer between the gas and the surface on which the dimples are provided. This technique is used in many cases, for example, for cooling an inner airfoil in a gas turbine engine or a combustor. The dimples can also be used for other purposes, but the position and arrangement of the dimples are affected by the purpose.
図3は、従来技術における典型的な伝熱ディンプルを例示している。このディンプルは半球形であり、したがってその底面は球体の切片として形成されている。この切片は、曲率半径rを有する底面からなる。最大深さ(δ)と最大直径(D)との間の比は、おおむね0.2以上である。 FIG. 3 illustrates a typical heat transfer dimple in the prior art. The dimple has a hemispherical shape, and therefore its bottom surface is formed as a slice of a sphere. This section consists of a bottom surface having a radius of curvature r. The ratio between the maximum depth (δ) and the maximum diameter (D) is approximately 0.2 or more.
より効率的かつ信頼性の高いガスタービンエンジンが常に必要とされるため、その目標、例えば伝熱の分野における向上を達成可能な新たなる特徴および方法も常に必要とされている。 As more efficient and reliable gas turbine engines are always needed, there is always a need for new features and methods that can achieve their goals, for example improvements in the field of heat transfer.
一実施例において、本発明は、使用時に高温の流体流にさらされるタービン部分と、そのタービン部分内に設けられた少なくとも1つの面を有する冷却通路と、その面上に設けられた複数の非球形のディンプルと、を含んでなるガスタービンエンジン部品を提供する。 In one embodiment, the present invention provides a turbine portion that is exposed to a hot fluid stream in use, a cooling passage having at least one surface provided in the turbine portion, and a plurality of non-passages provided on the surface. A gas turbine engine component comprising a spherical dimple.
他の実施例において、本発明は、ガスタービンエンジンに使用されるエアフォイルであって、そこを通る冷却流体を方向付けるよう適合された少なくとも1つの内側冷却通路を内部に有し、その通路の少なくとも1つの内面上に設けられた複数の非球形のディンプルを含んでなるエアフォイルを提供する。 In another embodiment, the present invention is an airfoil for use in a gas turbine engine having at least one inner cooling passage therein adapted to direct cooling fluid therethrough, An airfoil comprising a plurality of non-spherical dimples provided on at least one inner surface is provided.
別の実施例において、本発明は、使用時に流れるガスにさらされる面上に用いられる、非球形を有する伝熱ディンプルを提供する。 In another embodiment, the present invention provides a heat transfer dimple having a non-spherical shape for use on a surface that is exposed to flowing gas in use.
その他の実施例において、本発明は、ガスがその上を流れるときにガス中に乱流を形成するようガスタービンエンジン内で使用するために形成された面であって、複数の非球形のディンプルを含んでなる面を提供する。 In another embodiment, the present invention is a surface formed for use in a gas turbine engine to create turbulence in a gas as it flows over it, wherein the surface is a plurality of non-spherical dimples. Providing a surface comprising
さらに別の実施例において、本発明は、伝熱を促進する方法であって、面上に複数の非球形のディンプルを設けるステップと、その面全体にわたってガスを方向付けるステップとからなり、該ガスは面の温度とは異なる温度を有する方法を提供する。 In yet another embodiment, the present invention is a method for facilitating heat transfer comprising the steps of providing a plurality of non-spherical dimples on a surface and directing gas over the entire surface, the gas Provides a method having a temperature different from the surface temperature.
さらに別の実施例において、本発明は、ガスタービンエンジンの内部を流れるガス中に乱流を誘発する方法であって、面上に複数の非球形のディンプルを設けるステップと、該面全体にわたってガスを方向付けるステップとからなる方法を提供する。 In yet another embodiment, the present invention is a method for inducing turbulence in a gas flowing inside a gas turbine engine, the method comprising providing a plurality of non-spherical dimples on a surface, and gas over the entire surface. A method comprising the step of directing
本発明のこれらおよびその他の実施例のさらなる詳細は、以下の詳細な説明と図面とから明らかになるであろう。 Further details of these and other embodiments of the invention will become apparent from the following detailed description and drawings.
図1は、亜音速飛行での使用に好ましく提供される型のガスタービンエンジン10を示しており、概して、流体的に直列に連通する、そこを通って周囲空気が推進されるファン12と、その空気を圧縮する多段圧縮機14と、内部で高温の燃焼ガスの環状流を形成するために、圧縮された空気が燃料と混合されて点火される燃焼器16と、その燃焼ガスからエネルギを抽出するタービンセクション18とからなる。この図は、本発明が使用可能な環境を例示している。
FIG. 1 shows a gas turbine engine 10 of the type preferably provided for use in subsonic flight, generally a fan 12 in fluid communication in series and through which ambient air is propelled. A
図2は、複数のディンプル30が設けられた一般的な面20を概略的に図示している。そのような面20は、例えば、燃焼器16のエアフォイルの内側冷却通路やある領域中など、ガスタービンエンジン10の様々な部品に存在させることができる。図示した面20は平坦であるように示されているが、ディンプル30は、いずれの形状および形態の面20上にも設けることが可能である。
FIG. 2 schematically illustrates a
ディンプル30は小型で、通常浅い凹部である。これらは通常、配置される面20の材料中に直接作製される。従来慣習的に、ディンプル30は、球体の切片として形成されていた。図3は球形のディンプル30´の例を示している。
The dimple 30 is small and is usually a shallow recess. These are usually made directly in the material of the
ガスタービンエンジン10の運転中、面20上を流れるガスは、境界層を有し、その流れはディンプル30の存在によって中断されることになる。その結果、ガス流中に乱流が出現するが、著しい圧力損失は生じない。これら乱流は、面20付近のガス分子の渦を増大させ、それにより、ガスと面20との間の伝熱効率を増大させることができる。
During operation of the gas turbine engine 10, the gas flowing over the
本発明者等により、球形のディンプル30´(図3)と比較して乱流効率を増大させるのに非球形のディンプル30を用いることが可能であることが見いだされた。これら非球形のディンプル30は、異なる多数の実施例を有することができ、それらのいくつかを図4a〜図6cに示す。これら好ましい実施例のぞれぞれは、部品設計エンジニアの注意を引き得るいくつかの特殊性を有する。
The inventors have found that it is possible to use
図4a、図4bおよび図4cは、好ましい一実施例による非球形のディンプル30の断面を概略的に示している。図4aは、例示目的のみのためにその形状が誇張された“不均衡な”ディンプルを示している。実際の好ましい実施例は、図4bに示されている。図4cは、図4bに示したディンプル30の上面図を示している。ディンプル30は、非環状リム32から構成されることが好ましい。ディンプルの底面は、平坦でかつ傾斜していることが好ましい。所望の配向のいずれも用いることができるが、ガス流を考慮すると、傾斜は前縁側36にあることが好ましい。底面34は、ディンプル30の後縁側40において対応する傾斜壁38と交差する。好ましくは、ディンプルの最大深さ(δ)対最大直径(D)の比は0.2未満であり、より好ましくは約0.1である。
4a, 4b and 4c schematically show a cross section of a
図5a、図4bおよび図4cは、他の実施例による非球形のディンプル30の断面を概略的に示している。図5aは、例示目的の“不均衡な”ディンプル30を示している。実際の好ましい実施例は、図5bに示されている。図5cは、図5bに示すディンプル30の上面図を示している。ディンプル30は、環状リム32と、主要な面20と同じ高さにある平坦な上面44を備える中心環状隆起部42とから構成されることが好ましい。隆起部42は、好ましくはディンプル30の直径の約4分の1である、直径D´を有する。ディンプル30の底面34は、実質的に、トーラス(または、ドーナツ状)の切片として形成される。好ましくは、ディンプルの最大深さ(δ)対最大直径(D)の比は0.2未満であり、より好ましくは約0.1である。
5a, 4b and 4c schematically show a cross section of a
図6a、図4bおよび図4cは、さらに別の実施例による非球形のディンプル30の断面を概略的に示している。図6aは、例示目的の“不均衡な”ディンプル30を示している。実際の好ましい実施例は、図6bに示されている。図6cは、図6bに示すディンプル30の上面図を示している。ディンプル30は、実質的に平坦な底面34を有する2つのくさび形に形成されることが好ましい。所望の配向であればいずれを用いてもよいが、2つのくさびは、その先端がガス流の上流側に向かった矢印状の形を形成することが好ましい。ディンプル30の底面34は、実質的に平坦で傾斜しており、ガス流を考慮して前縁側36から始まって後縁側40までである。好ましくは、そのような矢印が位置する仮想の円50の最大深さ(σ)対最大直径(D)の比は0.2未満であり、より好ましくは約0.1である。このディンプルは、他の場合ではそれ自体が環状リムを有する。
6a, 4b and 4c schematically show a cross section of a
理解され得るように、非球形のディンプル30により、エンジニア等が、ディンプル30のいくつかを有する面上に流れるガスにさらされるときの伝熱を増大したり、あるいは効果的な乱流を誘発したりすることが可能な装置を設計することが可能となる。
As can be appreciated, the
上記説明は例示することのみを意図するものであり、当業者であれば、開示の本発明の範囲から逸脱することなく上述の実施例に対して変更を行うことが可能であることは理解するであろう。例えば、その他の非球形状を用いることができ、本明細書に開示の形状は単なる例示に過ぎない。それらの上にわたって流れる流れの方向に対する例示的なディンプルの配向は、所望するとおりであってよく、説明したとおりのものである必要はない。ディンプルの最大深さと最大直径との間の比は0.2またはそれ以上であってよいが、ディンプルがガスタービンの冷却用に組みこまれる際にはディンプルによって生じる圧力損失がより重要な場合には、それより低い値であることが有利であると考えられる。また、非球形のディンプルは、排他的に採用する必要がなく、採用される非球形のディンプルは一種である必要もなく、むしろ、複数の型や寸法のものを採用することができ、また、必要に応じて球形のディンプル30´と組み合わせて使用することも可能である。本発明をガスタービンエンジンに対する用途のものとして説明してきたが、当業者であれば、本発明が種々異なる型の伝熱環境ならびに用途に対する広範な用途を有することは理解するであろう。本発明の範囲内にあるさらなる修正もまた、本発明の開示を再検討することにより当業者等には明らかであろう。また、そのような修正は添付の特許請求項の範囲内にある。 The above description is intended to be exemplary only and it will be understood by those skilled in the art that modifications may be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the invention as disclosed. Will. For example, other non-spherical shapes can be used, and the shapes disclosed herein are merely exemplary. The orientation of the exemplary dimples relative to the direction of flow over them may be as desired and need not be as described. The ratio between the maximum dimple depth and the maximum diameter may be 0.2 or higher, but when the dimple is incorporated for gas turbine cooling, the pressure loss caused by the dimple is more important Is considered to be advantageously lower. Also, the non-spherical dimples do not need to be exclusively adopted, and the employed non-spherical dimples do not have to be a single type, but rather can be of a plurality of types and dimensions, If necessary, it can be used in combination with a spherical dimple 30 '. While the present invention has been described for use with gas turbine engines, those skilled in the art will appreciate that the present invention has a wide variety of applications for different types of heat transfer environments as well as applications. Further modifications within the scope of the present invention will also be apparent to those skilled in the art upon review of the present disclosure. Such modifications are also within the scope of the appended claims.
Claims (35)
前記タービン部分内に配置され、面を有する少なくとも1つの冷却通路と、
前記面上に設けられた複数の非球形のディンプルと、
を含んでなることを特徴とする、ガスタービンエンジン部品。 A turbine portion that is exposed to a hot fluid stream during use;
At least one cooling passage disposed in the turbine portion and having a surface;
A plurality of non-spherical dimples provided on the surface;
A gas turbine engine component comprising:
前記通路の少なくとも1つの内側面上に設けられた複数の非球形のディンプルを含んでなることを特徴とするエアフォイル。 An airfoil used in a gas turbine engine having at least one inner cooling passage therein adapted to direct a cooling fluid flow therethrough,
An airfoil comprising a plurality of non-spherical dimples provided on at least one inner surface of the passage.
上記面の全体にわたって、該面の温度とは異なる温度を有するガスを方向付けるステップと、
を含んでなることを特徴とする、伝熱を促進する方法。 Providing a plurality of non-spherical dimples on the surface;
Directing a gas having a temperature different from the temperature of the surface throughout the surface;
A method for promoting heat transfer, comprising:
上記面全体にわたってガスを方向付けるステップと、
を含んでなることを特徴とする、ガスタービンエンジンの内側を流れるガス中に乱流を誘発する方法。 Providing a plurality of non-spherical dimples on the surface;
Directing gas across the surface;
A method of inducing turbulence in a gas flowing inside a gas turbine engine, comprising:
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