JP2013100765A - Impingement cooling mechanism, turbine blade, and combustor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve cooling efficiency by an impingement cooling mechanism.SOLUTION: The impingement cooling mechanism includes: a flat impingement hole 2 in which a gap between a cooling target 10 and an opposing member 20 is set to have an opening width D1 in a flow direction of a cross flow F that is larger than an opening width D2 in a direction orthogonal to the flow direction of the cross flow F.

Description

本発明は、インピンジ冷却機構、タービン翼及び燃焼器に関するものである。   The present invention relates to an impingement cooling mechanism, a turbine blade, and a combustor.

タービン翼や燃焼器は、高温雰囲気に晒されるため、熱伝達率を高めて冷却効率を向上させるためにインピンジ冷却機構を備えることがある。
例えば、特許文献１には、冷却ターゲットに対向配置される対向配置される対向部材に形成される複数の円形のインピンジ孔を有するインピンジ冷却機構が開示されている。 Since the turbine blade and the combustor are exposed to a high temperature atmosphere, an impingement cooling mechanism may be provided to increase the heat transfer rate and improve the cooling efficiency.
For example, Patent Document 1 discloses an impingement cooling mechanism having a plurality of circular impingement holes formed in a facing member disposed to face a cooling target.

米国特許第５１００２９３号明細書US Pat. No. 5,100,273

ところで、冷却ターゲットとインピンジ孔が形成される対向部材との隙間を流れるクロスフローは、インピンジ孔から当該隙間に供給される冷却ガスが加わることによって、下流に向かうに連れて流量が増大する。
このため、冷却ターゲットと対向部材との隙間を流れるクロスフローの下流側においては、インピンジ孔から噴出された冷却ガスが冷却ターゲットに到達する前に当該クロスフローに流されてしまい、熱伝達率を高めることが難しい。 By the way, in the cross flow that flows through the gap between the cooling target and the opposing member in which the impingement hole is formed, the flow rate increases toward the downstream due to the addition of the cooling gas supplied from the impingement hole to the gap.
For this reason, on the downstream side of the cross flow that flows through the gap between the cooling target and the opposing member, the cooling gas ejected from the impingement hole flows into the cross flow before reaching the cooling target, and the heat transfer coefficient is reduced. It is difficult to increase.

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、インピンジ冷却機構による冷却効率をより向上させることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to further improve the cooling efficiency by the impingement cooling mechanism.

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。   The present invention adopts the following configuration as means for solving the above-described problems.

第１の発明は、冷却ターゲットに対向配置される対向部材に形成される複数のインピンジ孔から上記冷却ターゲットに向けて冷却ガスを噴出するインピンジ冷却機構であって、いずれかあるいは全ての上記インピンジ孔として、上記冷却ターゲットと上記対向部材との隙間におけるクロスフローの流れ方向における開口幅が、上記隙間におけるクロスフローの流れ方向と直交する方向における開口幅よりも大きく設定された扁平インピンジ孔を有するという構成を採用する。   1st invention is the impingement cooling mechanism which ejects cooling gas toward the said cooling target from the several impingement hole formed in the opposing member arrange | positioned facing a cooling target, Comprising: One or all the said impingement holes As described above, the opening width in the flow direction of the cross flow in the gap between the cooling target and the opposing member has a flat impingement hole set larger than the opening width in the direction perpendicular to the flow direction of the cross flow in the gap. Adopt the configuration.

第２の発明は、上記第１の発明において、上記扁平インピンジ孔の最大開口幅方向が上記冷却ターゲットと上記対向部材との隙間におけるクロスフローの流れ方向と平行とされているという構成を採用する。   A second invention adopts a configuration in which the maximum opening width direction of the flat impingement hole is parallel to the flow direction of the cross flow in the gap between the cooling target and the opposing member in the first invention. .

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記冷却ターゲットと上記対向部材との隙間におけるクロスフローに晒されて配置される乱流形成手段を備えるという構成を採用する。   According to a third invention, in the first or second invention, a configuration is provided in which turbulent flow forming means is provided that is exposed to a cross flow in a gap between the cooling target and the facing member.

第４の発明は、上記第３の発明において、上記乱流形成手段が、上記扁平インピンジ孔に対向配置されて上記冷却ターゲットに固定される突起部または陥没部であるという構成を採用する。   According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, the turbulent flow forming means is a protrusion or depression that is disposed opposite to the flat impingement hole and fixed to the cooling target.

第５の発明は、タービン翼であって、上記第１〜第４いずれかの発明であるインピンジ冷却機構を有するという構成を採用する。   5th invention is a turbine blade, Comprising: The structure of having the impingement cooling mechanism which is one of the said 1st-4th invention is employ | adopted.

第６の発明は、燃焼器であって、上記第１〜第４いずれかの発明であるインピンジ冷却機構を有するという構成を採用する。   6th invention is a combustor, Comprising: The structure of having the impingement cooling mechanism which is one of the said 1st-4th invention is employ | adopted.

本発明によれば、インピンジ孔として、冷却ターゲットと対向部材との隙間におけるクロスフローの流れ方向における開口幅が、隙間におけるクロスフローの流れ方向と直交する方向における開口幅よりも大きく設定された扁平インピンジ孔を有する。
このような扁平インピンジ孔においては、冷却ターゲットと対向部材との隙間におけるクロスフローの流れ方向における開口幅が大きいため、同一の流量の冷却ガスを噴出する円形のインピンジ孔よりも、当該クロスフローの流れ方向から見た場合の開口幅を小さくすることができる。この結果、冷却ターゲットと対向部材との隙間におけるクロスフローと扁平インピンジ孔から噴出された冷却ガス流れとの衝突領域を、円形のインピンジ孔の場合よりも狭くすることができ、冷却ガス流れに対するクロスフローの影響を小さくすることができる。
したがって、本発明によれば、扁平インピンジ孔から冷却ガスを噴出することにより、円形のインピンジ孔から冷却ガスを噴出する場合よりも多くの冷却ガスを冷却ターゲットに到達させることができる。
よって、本発明によれば、熱伝達効率を高め、冷却効率を向上させることが可能となる。 According to the present invention, as the impingement hole, the flat width in which the opening width in the flow direction of the cross flow in the gap between the cooling target and the opposing member is set larger than the opening width in the direction orthogonal to the flow direction of the cross flow in the gap. Has impingement holes.
In such a flat impingement hole, since the opening width in the flow direction of the cross flow in the gap between the cooling target and the opposing member is large, the cross flow of the cross flow is larger than the circular impingement hole that ejects the same flow rate of the cooling gas. The opening width when viewed from the flow direction can be reduced. As a result, the collision area between the cross flow in the gap between the cooling target and the opposing member and the cooling gas flow ejected from the flat impingement hole can be made narrower than in the case of the circular impingement hole, and the crossing against the cooling gas flow can be reduced. The influence of the flow can be reduced.
Therefore, according to the present invention, by ejecting the cooling gas from the flat impingement hole, more cooling gas can reach the cooling target than when the cooling gas is ejected from the circular impingement hole.
Therefore, according to the present invention, it is possible to improve heat transfer efficiency and improve cooling efficiency.

本発明の第１実施形態におけるインピンジ冷却機構の概略構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows schematic structure of the impingement cooling mechanism in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１実施形態におけるインピンジ冷却機構が備える扁平インピンジ孔の変形例を示す平面図である。It is a top view which shows the modification of the flat impingement hole with which the impingement cooling mechanism in 1st Embodiment of this invention is provided. 本発明の第２実施形態におけるインピンジ冷却機構の概略構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows schematic structure of the impingement cooling mechanism in 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２実施形態におけるインピンジ冷却機構が備える乱流形成手段の変形例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the modification of the turbulent flow formation means with which the impingement cooling mechanism in 2nd Embodiment of this invention is provided. 本発明の第２実施形態におけるインピンジ冷却機構が備える乱流形成手段の変形例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the modification of the turbulent flow formation means with which the impingement cooling mechanism in 2nd Embodiment of this invention is provided. 本発明の第２実施形態におけるインピンジ冷却機構が備える乱流形成手段の変形例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the modification of the turbulent flow formation means with which the impingement cooling mechanism in 2nd Embodiment of this invention is provided. 本発明の第１実施形態におけるインピンジ冷却機構の効果を検証するためのシミュレーションに用いた解析モデルの概念図である。It is a conceptual diagram of the analysis model used for the simulation for verifying the effect of the impingement cooling mechanism in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１実施形態におけるインピンジ冷却機構の効果を検証するためのシミュレーションに用いた解析モデルのパターンを説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the pattern of the analysis model used for the simulation for verifying the effect of the impingement cooling mechanism in 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２実施形態におけるインピンジ冷却機構の効果を検証するためのシミュレーションに用いた解析モデルの概念図である。It is a conceptual diagram of the analysis model used for the simulation for verifying the effect of the impingement cooling mechanism in 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２実施形態におけるインピンジ冷却機構の効果を検証するためのシミュレーションに用いた解析モデルのパターンを説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the pattern of the analysis model used for the simulation for verifying the effect of the impingement cooling mechanism in 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第１実施形態におけるインピンジ冷却機構を備えるタービン翼及び燃焼器を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a turbine blade and a combustor provided with the impingement cooling mechanism in 1st Embodiment of this invention.

以下、図面を参照して、本発明に係るインピンジ冷却機構、タービン翼、燃焼器の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。   Hereinafter, an impingement cooling mechanism, a turbine blade, and a combustor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the scale of each member is appropriately changed in order to make each member a recognizable size.

（インピンジ冷却機構の第１実施形態）
図１は、本実施形態のインピンジ冷却機構１の概略構成を示す模式図であり、（ａ）が側面断面図、（ｂ）が対向壁の平面図であり、（ｃ）が扁平インピンジ孔の拡大図である。
これらの図に示すように、インピンジ冷却機構１は、冷却ターゲット１０に対向配置される対向壁２０（対向部材）に形成される複数の扁平インピンジ孔２を有している。
そして、インピンジ冷却機構１は、扁平インピンジ孔２から冷却ターゲット１０に冷却ガスを噴出することによって冷却ターゲット１０を冷却する。 (First embodiment of impingement cooling mechanism)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the impingement cooling mechanism 1 of the present embodiment, in which (a) is a side sectional view, (b) is a plan view of an opposing wall, and (c) is a flat impingement hole. It is an enlarged view.
As shown in these drawings, the impingement cooling mechanism 1 has a plurality of flat impingement holes 2 formed in an opposing wall 20 (opposing member) arranged to face the cooling target 10.
The impingement cooling mechanism 1 cools the cooling target 10 by ejecting a cooling gas from the flat impingement hole 2 to the cooling target 10.

扁平インピンジ孔２は、図１（ｂ）に示すように、対向壁２０に対して、均等間隔で複数設けられている。
各扁平インピンジ孔２は、図１（ｃ）に示すように、開口形状が、平行な２つ辺とこれらの辺を繋げる円弧とによって形成されるレーストラック形状に設定されている。 As shown in FIG. 1B, a plurality of flat impingement holes 2 are provided at equal intervals with respect to the opposing wall 20.
As shown in FIG. 1C, each flat impingement hole 2 has an opening shape set to a racetrack shape formed by two parallel sides and an arc connecting these sides.

また、扁平インピンジ孔２は、図１（ｃ）に示すように、長軸が冷却ターゲット１０と対向壁２０との隙間におけるクロスフローＦの流れ方向と平行となるように姿勢設定されており、これによって最大開口幅方向がクロスフローＦと平行とされている。   Further, as shown in FIG. 1C, the flat impingement hole 2 is set so that its long axis is parallel to the flow direction of the cross flow F in the gap between the cooling target 10 and the facing wall 20, As a result, the maximum opening width direction is parallel to the cross flow F.

そして、上述のように姿勢設定された扁平インピンジ孔２は、長軸がクロスフローＦの流れ方向を向き、短軸がクロスフローＦの流れ方向と直交する方向を向くことで、クロスフローＦの流れ方向における開口幅Ｄ１が、クロスフローＦの流れ方向と直交する方向における開口幅Ｄ２よりも大きく設定されている。   And the flat impingement hole 2 set as described above has the long axis facing the flow direction of the cross flow F and the short axis facing the direction orthogonal to the flow direction of the cross flow F. The opening width D1 in the flow direction is set to be larger than the opening width D2 in the direction orthogonal to the flow direction of the cross flow F.

このような扁平インピンジ孔２は、従来用いられていた円形のインピンジ孔１００と開口面積が同一となるように大きさが設定されている。この結果、図１（ｃ）に示すように、扁平インピンジ孔２の開口幅Ｄ２は、従来の円形のインピンジ孔１００の直径Ｄａよりも狭くなっている。   The size of the flat impingement hole 2 is set so that the opening area is the same as that of the circular impingement hole 100 conventionally used. As a result, as shown in FIG. 1C, the opening width D <b> 2 of the flat impingement hole 2 is narrower than the diameter Da of the conventional circular impingement hole 100.

なお、扁平インピンジ孔２の開口幅Ｄ１と開口幅Ｄ２との比率は、製造限界等によって設定される。
例えば、開口幅Ｄ１が広くなりすぎると、クロスフローＦの流れ方向に隣合う扁平インピンジ孔２と干渉して、扁平インピンジ孔２の形状を保てなくなるため、開口幅Ｄ１は、クロスフローＦの流れ方向に隣合う扁平インピンジ孔２と干渉しない範囲に設定する必要が生じる。そして、開口幅Ｄ１が決定すれば、従来用いられた円形のインピンジ孔１００と同一の開口面積とするための開口幅Ｄ２が一義的に決定し、開口幅Ｄ１と開口幅Ｄ２との比率が決定する。
なお、クロスフローＦの流れ方向における扁平インピンジ孔２の配置ピッチが狭く、開口幅Ｄ１を十分に広く確保できない場合には、扁平インピンジ孔２を千鳥配置とすることによって開口幅Ｄ１を広く確保することが可能となる。 In addition, the ratio of the opening width D1 and the opening width D2 of the flat impingement hole 2 is set by a manufacturing limit or the like.
For example, if the opening width D1 becomes too wide, it interferes with the flat impingement hole 2 adjacent in the flow direction of the cross flow F, and the shape of the flat impingement hole 2 cannot be maintained. It is necessary to set a range that does not interfere with the flat impingement hole 2 adjacent to the flow direction. When the opening width D1 is determined, the opening width D2 for determining the same opening area as the circular impingement hole 100 used in the related art is uniquely determined, and the ratio between the opening width D1 and the opening width D2 is determined. To do.
In addition, when the arrangement pitch of the flat impingement holes 2 in the flow direction of the cross flow F is narrow and the opening width D1 cannot be secured sufficiently wide, the opening width D1 is secured wide by arranging the flat impingement holes 2 in a staggered arrangement. It becomes possible.

このような構成を有する本実施形態のインピンジ冷却機構１によれば、インピンジ孔として、冷却ターゲット１０と対向壁２０との隙間におけるクロスフローＦの流れ方向における開口幅Ｄ１が、クロスフローＦの流れ方向と直交する方向における開口幅Ｄ２よりも大きく設定された扁平インピンジ孔２を有する。
このような扁平インピンジ孔２においては、クロスフローＦの流れ方向における開口幅Ｄ１が大きいため、同一の流量の冷却ガスを噴出する円形のインピンジ孔よりも、当該クロスフローＦの流れ方向から見た場合の開口幅を小さくすることができる。この結果、クロスフローＦと扁平インピンジ孔２から噴出された冷却ガス流れＧとの衝突領域を、円形のインピンジ孔の場合よりも狭くすることができ、冷却ガス流れＧに対するクロスフローＦの影響を小さくすることができる。
したがって、本実施形態のインピンジ冷却機構１によれば、扁平インピンジ孔２から冷却ガスを噴出することにより、円形のインピンジ孔から冷却ガスを噴出する場合よりクロスフローＦにより曲げられる影響を受けにくくなる。よって、熱伝達効率を高め、冷却効率を向上させることが可能となる。 According to the impingement cooling mechanism 1 of the present embodiment having such a configuration, the opening width D1 in the flow direction of the crossflow F in the gap between the cooling target 10 and the opposing wall 20 is the flow of the crossflow F as an impingement hole. The flat impingement hole 2 is set larger than the opening width D2 in the direction orthogonal to the direction.
In such a flat impingement hole 2, since the opening width D1 in the flow direction of the cross flow F is large, the flat impingement hole 2 is viewed from the flow direction of the cross flow F than the circular impingement hole that ejects the cooling gas having the same flow rate. In this case, the opening width can be reduced. As a result, the collision area between the cross flow F and the cooling gas flow G ejected from the flat impingement hole 2 can be made narrower than in the case of the circular impingement hole, and the influence of the cross flow F on the cooling gas flow G can be reduced. Can be small.
Therefore, according to the impingement cooling mechanism 1 of the present embodiment, by ejecting the cooling gas from the flat impingement hole 2, it is less susceptible to being bent by the cross flow F than when the cooling gas is ejected from the circular impingement hole. . Therefore, it is possible to increase the heat transfer efficiency and improve the cooling efficiency.

なお、本実施形態のインピンジ冷却機構１においては、全てのインピンジ孔が扁平インピンジ孔２である構成を採用した。
しかしながら、必ずしも全てのインピンジ孔を扁平インピンジ孔２とする必要はない。例えば、クロスフローＦの冷却ガスへの影響は、当該クロスフローＦの流量が増大する下流側において大きくなる。このため、クロスフローＦの下流側のみを扁平インピンジ孔２としても良い。このような場合には、円形のインピンジ孔よりも加工コストが増大する扁平インピンジ孔２の数を減少させることができ、インピンジ冷却機構１の製造コストを低減させることができる。 In the impingement cooling mechanism 1 of the present embodiment, a configuration in which all impingement holes are flat impingement holes 2 is employed.
However, not all impingement holes need to be flat impingement holes 2. For example, the influence of the cross flow F on the cooling gas is increased on the downstream side where the flow rate of the cross flow F increases. For this reason, only the downstream side of the cross flow F may be used as the flat impingement hole 2. In such a case, it is possible to reduce the number of flat impingement holes 2 whose processing cost is higher than that of a circular impingement hole, and to reduce the manufacturing cost of the impingement cooling mechanism 1.

また、本実施形態のインピンジ冷却機構１においては、扁平インピンジ孔２の開口形状がレーストラック形状である構成について説明した。
しかしながら、クロスフローＦの流れ方向における開口幅が、クロスフローＦの流れ方向と直交する方向における開口幅よりも大きく設定されていれば、本発明における扁平インピンジ孔の開口形状は、必ずしもレーストラック形状である必要はない。
例えば、図２（ａ）に示すような、開口形状が楕円の扁平インピンジ孔２Ａを採用することも可能である。また、図２（ｂ）に示すような、開口形状が長方形の扁平インピンジ孔２Ｂを採用することもできる。また、図２（ｃ）に示すような、先端がクロスフローＦの下流側を向く二等辺三角形の扁平インピンジ孔２Ｃを採用することもできる。また、図２（ｄ）に示すような、先端がクロスフローＦの上流側を向く二等辺三角形の扁平インピンジ孔２Ｄを採用することもできる。また、図２（ｅ）に示すような、ひし形の扁平インピンジ孔２Ｅを採用することもできる。 In the impingement cooling mechanism 1 of the present embodiment, the configuration in which the opening shape of the flat impingement hole 2 is a racetrack shape has been described.
However, if the opening width in the flow direction of the crossflow F is set larger than the opening width in the direction orthogonal to the flow direction of the crossflow F, the opening shape of the flat impingement hole in the present invention is not necessarily a racetrack shape. Need not be.
For example, it is possible to employ a flat impingement hole 2A having an elliptical opening shape as shown in FIG. Moreover, the flat impingement hole 2B whose opening shape is a rectangle as shown in FIG.2 (b) can also be employ | adopted. Further, as shown in FIG. 2C, a flat impingement hole 2C having an isosceles triangle whose tip is directed to the downstream side of the cross flow F can be employed. Further, as shown in FIG. 2D, a flat impingement hole 2D having an isosceles triangle whose front end faces the upstream side of the cross flow F may be employed. Further, a diamond-shaped flat impingement hole 2E as shown in FIG.

（インピンジ冷却機構の第２実施形態）
次に、本発明のインピンジ冷却機構の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、上述のインピンジ冷却機構の第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。 (Second embodiment of impingement cooling mechanism)
Next, a second embodiment of the impingement cooling mechanism of the present invention will be described. In the description of the present embodiment, the description of the same portions as those of the first embodiment of the impingement cooling mechanism described above is omitted or simplified.

図３は、本実施形態のインピンジ冷却機構１Ａの概略構成を示す模式図であり、（ａ）が側面断面図、（ｂ）が冷却ターゲットの平面図である。
これらの図に示すように、インピンジ冷却機構１Ａは、クロスフローＦに晒されて配置される突起部３（乱流形成手段）を複数備えている。
この突起部３は、扁平インピンジ孔２に対向配置されて冷却ターゲット１０に固定されており、冷却ターゲット１０と対向壁２０との間の隙間に乱流を形成するものである。 FIG. 3 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the impingement cooling mechanism 1A of the present embodiment, in which (a) is a side sectional view and (b) is a plan view of the cooling target.
As shown in these drawings, the impingement cooling mechanism 1 </ b> A includes a plurality of protrusions 3 (turbulent flow forming means) disposed so as to be exposed to the crossflow F.
The protrusion 3 is disposed opposite to the flat impingement hole 2 and fixed to the cooling target 10, and forms a turbulent flow in the gap between the cooling target 10 and the facing wall 20.

このような構成を有する本実施形態のインピンジ冷却機構１によれば、突起部３によって冷却ターゲット１０と対向壁２０との間の隙間に乱流が形成され、熱伝達効率を高め、冷却効率を向上させることができる。   According to the impingement cooling mechanism 1 of the present embodiment having such a configuration, a turbulent flow is formed in the gap between the cooling target 10 and the facing wall 20 by the protrusion 3, improving the heat transfer efficiency and improving the cooling efficiency. Can be improved.

なお、本実施形態のインピンジ冷却機構１Ａにおいては、本発明の乱流形成手段が、扁平インピンジ孔２ごとに設けられた突起部３である構成を採用した。
しかしながら、本発明の乱流形成手段は、冷却ターゲット１０と対向壁２０との間の隙間に乱流を形成できるものであれば良い。
例えば、図４（ａ），（ｂ）に示すように、扁平インピンジ孔２ごとに設けられたディンプル３Ａを本発明の乱流形成手段として用いることも可能である。また、図５（ａ），（ｂ）に示すように、クロスフローＦの流れ方向と直交する方向に延在する溝部３Ｂを本発明の乱流形成手段として用いることも可能である。また、図６（ａ），（ｂ）に示すように、クロスフローＦの流れ方向と直交する方向に延在する突起部３Ｃを本発明の乱流形成手段として用いることも可能である。 In the impingement cooling mechanism 1A of the present embodiment, a configuration is adopted in which the turbulent flow forming means of the present invention is a protrusion 3 provided for each flat impingement hole 2.
However, the turbulent flow forming means of the present invention only needs to be capable of forming a turbulent flow in the gap between the cooling target 10 and the facing wall 20.
For example, as shown in FIGS. 4A and 4B, dimples 3A provided for each flat impingement hole 2 can be used as the turbulent flow forming means of the present invention. Further, as shown in FIGS. 5A and 5B, the groove 3 </ b> B extending in the direction orthogonal to the flow direction of the cross flow F can be used as the turbulent flow forming means of the present invention. Further, as shown in FIGS. 6A and 6B, it is also possible to use the protruding portion 3C extending in the direction orthogonal to the flow direction of the cross flow F as the turbulent flow forming means of the present invention.

（インピンジ冷却機構のシミュレーション結果）
上述の第１実施形態のインピンジ冷却機構１の効果を検証するためのシミュレーションを行った。
本シミュレーションにおいては、図７に示すように、インピンジ孔の配列方向下流側に排出孔を設け、さらに排出孔の外側領域にて主流ガスの流路を有する解析モデルを用いた。
さらに、本シミュレーションでは、図８に示すように、インピンジ孔を、開口形状が円形の従来のインピンジ孔としたもの（Ａ−１）と、開口形状がレーストラック形状でかつ長軸がクロスフローと平行とされた扁平インピンジ孔（上記第１実施形態の扁平インピンジ孔２に相当）としたもの（Ａ−２）と、開口形状がレーストラック形状でかつ長軸がクロスフローと直交とされた扁平インピンジ孔としたもの（Ａ−３）と、開口形状がレーストラック形状でかつ長軸がクロスフローに対して４５°で交差する扁平インピンジ孔としたもの（Ａ−４）とについて解析を行った。 (Simulation result of impingement cooling mechanism)
A simulation was performed to verify the effect of the impingement cooling mechanism 1 of the first embodiment described above.
In this simulation, as shown in FIG. 7, an analysis model is used in which a discharge hole is provided on the downstream side in the arrangement direction of the impingement holes, and a mainstream gas flow path is provided in an outer region of the discharge hole.
Further, in this simulation, as shown in FIG. 8, the impingement hole is a conventional impingement hole having a circular opening shape (A-1), and the opening shape is a racetrack shape and the long axis is a cross flow. A flat impingement hole (corresponding to the flat impingement hole 2 of the first embodiment) (A-2), and a flat opening having a racetrack shape and a long axis orthogonal to the cross flow. An analysis was performed on the impingement hole (A-3) and the flat impingement hole (A-4) whose opening shape was a racetrack shape and whose major axis intersected the cross flow at 45 °. .

この結果、表１に示すように、平均熱伝達率については、Ａ−２が最も優位であることが確認された。つまり、上記第１実施形態の扁平インピンジ孔を用いることによって従来の円形のインピンジ孔よりも熱伝達率を向上できることが確認された。
さらに、Ａ−２が最も優位であることから、最大開口幅方向がクロスフローの流れ方向と平行とされていることが平均熱伝達率の向上に大きく寄与することが分かる。したがって、扁平インピンジ孔は、長軸がクロスフローの流れ方向と平行となるように姿勢設定することが平均熱伝達率の観点から好ましい。 As a result, as shown in Table 1, it was confirmed that A-2 was the most dominant for the average heat transfer coefficient. That is, it was confirmed that the heat transfer rate can be improved by using the flat impingement hole of the first embodiment as compared with the conventional circular impingement hole.
Furthermore, since A-2 is the most dominant, it can be seen that the fact that the maximum opening width direction is parallel to the cross flow direction greatly contributes to the improvement of the average heat transfer coefficient. Therefore, it is preferable from the viewpoint of the average heat transfer rate that the flat impingement hole is set so that the long axis is parallel to the flow direction of the cross flow.

Figure 2013100765
Figure 2013100765

次に、上述の第２実施形態のインピンジ冷却機構１Ａの効果を検証するためのシミュレーションを行った。
本シミュレーションでは、図９に示すように、図７に示す解析モデルに対して突起部を付加した解析モデルを用いて解析を行った。
また、本シミュレーションでは、インピンジ孔を全て開口形状がレーストラック形状でかつ長軸がクロスフローと平衡とされた扁平インピンジ孔とし、図１０に示すように、冷却ガスの噴射方向から見てインピンジ孔を突起部の間に配置したもの（Ｂ−１）と、Ｂ−１の配置位置からさらに突起部の配列方向から外したもの（Ｂ−２）と、冷却ガスの噴射方向から見てインピンジ孔を突起部に重ねて配置されたもの（Ｂ−３）とについて解析を行った。 Next, a simulation for verifying the effect of the impingement cooling mechanism 1A of the second embodiment described above was performed.
In this simulation, as shown in FIG. 9, the analysis was performed using an analysis model in which protrusions were added to the analysis model shown in FIG.
Further, in this simulation, the impingement holes are all flat impingement holes whose opening shape is a racetrack shape and whose major axis is balanced with the cross flow, and as shown in FIG. 10, the impingement holes are viewed from the injection direction of the cooling gas. (B-1) arranged between the protrusions, (B-2) further removed from the arrangement position of B-1 from the arrangement position of B-1, and impingement holes as seen from the cooling gas injection direction And (B-3) arranged so as to overlap the protrusion.

この結果、表２に示すように、平均熱伝達率については、Ｂ−３が最も優位であることが確認された。つまり、冷却ガスの噴射方向から見て扁平インピンジ孔を突起部に重ねて配置されたもの、すなわち突起部が扁平インピンジ孔に対向配置された構成が平均熱伝達率の観点から好ましい。   As a result, as shown in Table 2, it was confirmed that B-3 was the most dominant for the average heat transfer coefficient. That is, a configuration in which the flat impingement holes are arranged so as to overlap the protrusions when viewed from the cooling gas injection direction, that is, a structure in which the protrusions are arranged to face the flat impingement holes is preferable from the viewpoint of the average heat transfer coefficient.

Figure 2013100765
Figure 2013100765

（タービン翼及び燃焼器）
図１１は、上述の第１実施形態のインピンジ冷却機構１を備えるタービン翼３０及び燃焼器４０を示す模式図であり、（ａ）がタービン翼断面図、（ｂ）が燃焼器断面図である。 (Turbine blade and combustor)
FIGS. 11A and 11B are schematic views showing the turbine blade 30 and the combustor 40 provided with the impingement cooling mechanism 1 of the first embodiment, wherein FIG. 11A is a turbine blade cross-sectional view and FIG. 11B is a combustor cross-sectional view. .

タービン翼３０は、図１１（ａ）に示すように、外壁３１と内壁３２とを備える二重殻構造を有している。そして、外壁３１が上述の冷却ターゲット１０に相当し、内壁３２が上述の対向壁２０に相当し、内壁３２に設けられた扁平インピンジ孔を有するインピンジ冷却機構１を備えている。
上記第１実施形態のインピンジ冷却機構１によれば、熱伝達率を高めて冷却効率を向上させることができるため、このようなインピンジ冷却機構１を備えるタービン翼３０は優れた耐熱性を有するものとなる。 As shown in FIG. 11A, the turbine blade 30 has a double shell structure including an outer wall 31 and an inner wall 32. The outer wall 31 corresponds to the aforementioned cooling target 10, the inner wall 32 corresponds to the aforementioned opposing wall 20, and the impingement cooling mechanism 1 having a flat impingement hole provided in the inner wall 32 is provided.
According to the impingement cooling mechanism 1 of the first embodiment, since the heat transfer rate can be increased and the cooling efficiency can be improved, the turbine blade 30 including such an impingement cooling mechanism 1 has excellent heat resistance. It becomes.

燃焼器４０は、図１１（ｂ）に示すように、インナライナ４１とアウタライナ４２とを備える二重殻構造を有している。そして、インナライナ４１が上述の冷却ターゲット１０に相当し、アウタライナ４２が上述の対向壁２０に相当し、アウタライナ４２に設けられた扁平インピンジ孔を有するインピンジ冷却機構１を備えている。
上記第１実施形態のインピンジ冷却機構１によれば、熱伝達率を高めて冷却効率を向上させることができるため、このようなインピンジ冷却機構１を備える燃焼器４０は優れた耐熱性を有するものとなる。 As shown in FIG. 11B, the combustor 40 has a double shell structure including an inner liner 41 and an outer liner 42. The inner liner 41 corresponds to the cooling target 10 described above, the outer liner 42 corresponds to the facing wall 20 described above, and the impingement cooling mechanism 1 having a flat impingement hole provided in the outer liner 42 is provided.
According to the impingement cooling mechanism 1 of the first embodiment, the heat transfer rate can be increased to improve the cooling efficiency. Therefore, the combustor 40 having such an impingement cooling mechanism 1 has excellent heat resistance. It becomes.

なお、タービン翼３０及び燃焼器４０が、上記第１実施形態のインピンジ冷却機構１に換えて上記第２実施形態のインピンジ冷却機構１Ａを備える構成を採用することも可能である。   It is also possible to adopt a configuration in which the turbine blade 30 and the combustor 40 include the impingement cooling mechanism 1A of the second embodiment instead of the impingement cooling mechanism 1 of the first embodiment.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。   As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to the said embodiment. Various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described embodiments are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the spirit of the present invention.

１，１Ａ……インピンジ冷却機構、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ……扁平インピンジ孔、３……突起部（乱流形成手段）、３Ａ……ディンプル（乱流形成手段）、３Ｂ……溝部（乱流形成手段）、３Ｃ……突起部（乱流形成手段）、１０……冷却ターゲット、２０……対向壁（対向部材）、Ｄ１……クロスフロー方向における開口幅、Ｄ２……クロスフロー方向と直交する方向における開口幅、Ｆ……クロスフロー、３０……タービン翼、３１……外壁、３２……内壁、４０……燃焼器、４１……インナライナ、４２……アウタライナ   1, 1A: Impingement cooling mechanism, 2, 2A, 2B, 2C, 2D, 2E ... Flat impingement hole, 3 ... Projection (turbulent flow forming means), 3A ... Dimple (turbulent flow forming means), 3B ... Groove (turbulent flow forming means), 3C... Projection (turbulent flow forming means), 10... Cooling target, 20 .. facing wall (facing member), D1. ... Open width in a direction orthogonal to the cross flow direction, F ... Cross flow, 30 ... turbine blade, 31 ... outer wall, 32 ... inner wall, 40 ... combustor, 41 ... inner liner, 42 ... outer liner

Claims (6)

冷却ターゲットに対向配置される対向部材に形成される複数のインピンジ孔から前記冷却ターゲットに向けて冷却ガスを噴出するインピンジ冷却機構であって、
いずれかあるいは全ての前記インピンジ孔として、前記冷却ターゲットと前記対向部材との隙間におけるクロスフローの流れ方向における開口幅が、前記隙間におけるクロスフローの流れ方向と直交する方向における開口幅よりも大きく設定された扁平インピンジ孔を有することを特徴とするインピンジ冷却機構。 An impingement cooling mechanism that ejects cooling gas from a plurality of impingement holes formed in a facing member disposed to face the cooling target toward the cooling target,
As any or all of the impingement holes, the opening width in the flow direction of the cross flow in the gap between the cooling target and the opposing member is set larger than the opening width in the direction perpendicular to the flow direction of the cross flow in the gap. An impingement cooling mechanism having a flat impingement hole formed. 前記扁平インピンジ孔の最大開口幅方向が前記冷却ターゲットと前記対向部材との隙間におけるクロスフローの流れ方向と平行とされていることを特徴とする請求項１記載のインピンジ冷却機構。   2. The impingement cooling mechanism according to claim 1, wherein a maximum opening width direction of the flat impingement hole is parallel to a flow direction of a cross flow in a gap between the cooling target and the facing member. 前記冷却ターゲットと前記対向部材との隙間におけるクロスフローに晒されて配置される乱流形成手段を備えることを特徴とする請求項１または２記載のインピンジ冷却機構。   3. The impingement cooling mechanism according to claim 1, further comprising turbulent flow forming means disposed so as to be exposed to a cross flow in a gap between the cooling target and the facing member. 前記乱流形成手段は、前記扁平インピンジ孔に対向配置されて前記冷却ターゲットに固定される突起部または陥没部であることを特徴とする請求項３記載のインピンジ冷却機構。   4. The impingement cooling mechanism according to claim 3, wherein the turbulent flow forming means is a protrusion or a depression that is disposed opposite to the flat impingement hole and is fixed to the cooling target. 請求項１〜４いずれかに記載のインピンジ冷却機構を有することを特徴とするタービン翼。   A turbine blade comprising the impingement cooling mechanism according to claim 1. 請求項１〜４いずれかに記載のインピンジ冷却機構を有することを特徴とする燃焼器。   A combustor comprising the impingement cooling mechanism according to claim 1.
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