JP2014227914A - ダブルジェット式フイルム冷却構造とその製造方法 - Google Patents

ダブルジェット式フイルム冷却構造とその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】冷却媒体フイルムが壁面から剥離することを抑制して、壁面を効率的に冷却するとともに、製造が容易なフイルム冷却構造を提供する。
【解決手段】高温ガスＧの通路に臨む壁面１に設けた噴出開口２に連なる主通路３と、主通路３から分岐した一対の分岐通路４，５と、これら通路を連通する連通路６，７とを有する。一対の分岐通路４，５からの冷却媒体ＣＬ４，ＣＬ５の噴出方向Ａ，Ｂは、これら冷却媒体を互いに壁面１に押しつける方向の渦流Ｖ１，Ｖ２を形成するように、高温ガスＧの流れ方向に対して傾斜して設定されている。主通路３および分岐通路４，５の横断面は、同一の一定内径Ｄを有し、連通路６，７は、一定内径Ｄを有する真直な円孔群を連ねた包絡面１６，１７を有する。主通路の軸心Ｃ３と壁面１とがなす主縦方向角度α１が、分岐通路４，５の軸心Ｃ４，Ｃ５と壁面１とがなす分岐縦方向角度α２よりも大きい。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンエンジンにおける動翼、静翼、燃焼器の内筒などのように高温ガスの通路に臨む壁面に噴出開口を設け、この噴出開口から噴出される冷却媒体を壁面に沿って流すことによって壁面の冷却を行うフイルム冷却構造に関する。
従来、ガスタービンエンジン（以下、単に「ガスタービン」という。）における動翼のような壁面には、同一方向を指向する多数の噴出開口が設けられ、これら噴出開口から噴出される空気のような冷却媒体のフイルム流により、高温ガスに曝される前記壁面を冷却している。このようなフイルム冷却構造として、一般的には、壁に円孔を高温ガスの下流側へ傾斜させて設け、壁面に開口した楕円形の噴出口から冷却媒体を噴出する。しかしこの冷却構造では冷却効率が低いので、これを改良した冷却構造として、例えば、冷却媒体の壁面への噴出口を双葉片形状としたもの（特許文献１）、および一対の噴出口の間に振り分け部を設けたものがある（特許文献２）。
特開２００８−８２８８号公報 特許第４９５４３０９号公報
前記特許文献１の冷却構造によれば、冷却媒体を壁面に沿うように幅を広げて冷却効果を高めることができる。これは、壁面上における冷却効率を示すフイルム効率が高くなるためと推測される。ここで、フイルム効率とは、Ｔｇを高温ガスの温度、Ｔｆを壁面の表面温度、Ｔｃを壁面上における冷却媒体の温度としたとき、ηf,ad＝（Ｔｇ―Ｔｆ）／（Ｔｇ―Ｔｃ）で表される。しかしながら、噴出口の中央部の形状が単純な楕円ではなく、複数の曲率半径を持つ曲線によって形成されているので（段落００１６−００１７）、製造工数が増大する。また、前記特許文献２では、冷却媒体の壁面からの剥離を抑制してフイルム効率を向上させることはできるが、前記振り分け部が壁面側から見てアンダーカットとなるために、やはり製造工数が増す。
そこで、本発明は、冷却媒体フイルムが壁面から剥離することを抑制して、ガスタービンの動，静翼などの壁面を効率的に冷却することができるとともに、製造が容易なフイルム冷却構造を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係るダブルジェット式フイルム冷却構造は、
高温ガスの通路に臨む壁面に、冷却媒体を前記通路の下流側に向けて噴出する噴出開口が設けられ、
前記噴出開口に前記冷却媒体を供給する真直な円孔からなる主通路と、前記主通路上の分岐点から分岐して前記噴出開口を出口とする真直な円孔からなる分岐通路と、前記主通路と分岐通路とを連通して前記噴出開口を出口とする連通路とが壁内に形成され、
前記一対の分岐通路から噴出される冷却媒体の噴出方向が、これら冷却媒体を互いに前記壁面に押しつける方向の渦流を形成するように、前記高温ガスの流れ方向に対して傾斜して設定され、
前記主通路および分岐通路の横断面は、同一の一定内径を有し、
前記連通路は、前記分岐点を通り横断面が前記一定内径を有する真直な円孔群を連ねた包絡面を有し、
前記一対の分岐通路からの各噴出方向の、前記高温ガスの流れ方向に対する前記壁面に沿った横方向噴出角度βが、前記流れ方向を挟んで互いに反対方向を向くように設定され、
前記主通路の軸心方向と前記壁面とがなす主縦方向角度α１が、前記分岐通路の軸心方向と前記壁面とがなす分岐縦方向角度α２よりも大きく設定されている。
この構成によれば、一対の噴出孔からの前記冷却媒体の各噴出方向の、前記高温ガスの流れ方向に対する前記壁面上に沿った横方向噴出角度が、前記流れ方向を挟んで互いに反対方向を向くように設定されているので、高温ガスの流れ方向に沿って、壁面上に冷却媒体の幅広いフイルム流が効果的に形成されて、フイルム効率が向上する。
さらに、主通路の軸心方向と壁面とがなす主縦方向角度α１が、前記分岐通路の軸心方向と前記壁面とがなす分岐縦方向角度α２よりも大きく設定されているので、分岐通路から噴出される冷却媒体が主通路から噴出される冷却媒体によって分離されて、指向性の高い一対の直進流を形成する。この指向性の高い一対の直進流の間には、十分圧力の低い低圧部が生じるので、直進流が形成する渦流により、直進流の周りからこの低圧部に巻き込まれて壁面に向かう強い流れが形成される。このため、冷却媒体が壁面から剥離することが抑制され、壁面上におけるフイルム効率が高められて、壁面が効果的に冷却される。
しかも、主通路および分岐通路の横断面は、同一の一定内径を有し、かつ、主通路と分岐通路を接続する連通路は、分岐点を通り横断面が前記一定内径を有する真直な円孔群を連ねた包絡面を有しているから、単一の円柱状の加工具、例えば放電加工の加工電極によって、主通路、分岐通路および連通路のすべてを壁面側から加工できるので、製造が容易になる。
本発明のフイルム冷却構造において、前記主縦方向角度α１と分岐縦方向角度α２との角度差δが３〜１５°であるのが好ましいこの構成によれば、一対の分岐通路の間に主通路の下流部が突出する形となるので、一対の分岐通路から噴出される冷却媒体同士の分離が十分行われて、冷却媒体の直進流間に確実に低圧部が形成され、渦流が冷却媒体の流れを強力に壁面に押し付けて、フイルム効率を向上させる。
本発明のフイルム冷却構造において、前記連通路を形成する前記包絡面の後面部が平坦であるのが好ましい。ここで、「後面部」とは、高温ガスの流れ方向の下流側に位置する面をいう。後面部として単純な平坦面を用いることにより、連通路の形成が容易になる。
本発明のフイルム冷却構造において、前記主通路の前記壁面と直交する直交方向の高さＨに対する、前記分岐通路の分岐点の高さＬｃの比Ｌｃ／Ｈが、０．３〜０．９であるのが好ましい。これにより、冷却媒体が主通路から分岐通路に円滑に分岐される。
前記分岐通路からの前記横方向噴出角度βが１０〜４５°の範囲にあるのが好ましい。また、前記主通路の主縦方向角度α１は１０〜４５°であるのが好ましく、前記一対の分岐通路の出口間の、前記壁面に沿った距離Ｗは、前記主通路の一定内径Ｄに対して１．０〜５．０Ｄに設定されているのが好ましい。これら好ましい構成によれば、壁面に向かう強い渦流が生成されて、壁面をより効果的に冷却できる。
本発明にかかる製造方法は、本発明のダブルジェット式フイルム冷却構造を放電加工によって形成する方法であって、
高温ガスの通路に臨む壁面に、所定外径の円柱形の加工電極によって、前記一定内径の主通路を形成するとともに、
前記加工電極を前記主通路の軸心に対して傾斜させながら放電することにより前記連通路から分岐通路までを連続的に形成する。
この方法により、単一の円柱状の加工電極によって、主通路、分岐通路および連通路のすべてを壁面側から加工できるので、製造が容易になる。
本発明によれば、高温ガスに曝される壁面上における冷却媒体の剥離を抑制して壁面上に良好なフイルム流を生成することにより壁面の冷却を効率的に行うことができるとともに、冷却構造を容易に形成できる。
本発明の一実施形態にかかるフイルム冷却構造を適用した高温ガスに曝される壁面の一部を示す平面図である。 同フイルム冷却構造の噴出開口が形成された壁面を拡大して示す平面図である。 噴出開口を主通路の軸心方向から見た図である。 同冷却構造の概略構成を示す縦断面図である。 同冷却構造を示す斜視図である。 同冷却構造の冷却媒体の流れを示す平面図である。 壁面の外表面に形成される冷却媒体の渦流を説明する図である。 壁面に得られるフイルム効率の等値線図である。 本発明の実施例を示すタービン動翼の斜視図である。 同タービン動翼の縦断面図である。 図１０のXI-XI線に沿った横断面図である。
以下，本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態であるダブルジェット式フイルム冷却構造を適用した壁面１の平面図である。壁面１は矢印方向に流れる高温ガスＧに曝されており、この壁面１には、高温ガスＧの通路ＧＰに空気のような冷却媒体を噴出する噴出開口２が、高温ガスＧの流れ方向にほぼ直交する方向（図１の上下方向）に複数並べて配置されている。なお、以下の説明において、高温ガスＧの流れ方向に沿った上流側を前側と呼び、下流側を後側と呼ぶ。
図２の拡大平面図に示すように、各噴出開口２は、壁面１を上面とする壁１０の内部に形成された主通路３、この主通路３から分岐した分岐通路４，５、および主通路３と分岐通路４，５とを連通する連通路６，７に接続されている。つまり、噴出開口２は、これら通路３〜６の出口３ａ，４ａ，５ａ，６ａ、７ａによって形成されている。主通路３は、壁面１と直交する方向から見た平面視において、高温ガスＧの流れ方向と平行であり、分岐通路４，５は、主通路３から、高温ガスＧの流れ方向に対して横方向（図１の上下方向）に分岐しており、連通路６，７は、主通路３と分岐通路４，５のそれぞれとを、前記流れ方向に対して横方向（図１の上下方向）に連通させている。これらの通路３〜７は、主通路３の軸心Ｃ３を含み、壁面１に直交する直交面ＶＰに関し、面対称な形状を有し、後述するように、例えば放電加工により形成される。
分岐通路４，５は、主通路３の軸心Ｃ３上の同一の分岐点Ｐから分岐している。分岐通路４，５の壁面１と直交方向から見た分岐角度、つまり図２に表れた分岐角度θは、５〜３０°が好ましく、１０〜２０°がさらに好ましい。分岐通路出口４ａ，５ａから噴出される冷却媒体ＣＬ４，ＣＬ５の噴出方向Ａ，Ｂは、分岐通路４，５の軸心Ｃ４，Ｃ５と一致しておらず、つぎに述べるように、噴出開口２の形状によって影響される。
分岐通路４，５は、壁面１に沿った面上で、つまり壁面１と直交する方向から見た平面視で、互いに異なる方向を指向するように設定されている。その結果、分岐通路４，５を通る両冷却媒体ＣＬ４，ＣＬ５は、互いに離間する方向に噴出される。この例では、噴出方向Ａ，Ｂが、平面視で高温ガスＧの流れ方向を挟んで互いに反対方向を向き、かつ、高温ガスＧの流れ方向に対する各噴出方向Ａ，Ｂの、壁面１に沿った横方向噴射角度βが、同一に設定されている。噴出開口２に含まれる分岐通路出口４ａ，５ａは、分岐通路４，５の軸心Ｃ４，Ｃ５を長軸とする楕円形である。ここで、横方向噴射角度βは、噴出開口２の前端２ｆ、つまり、図２の平面視で、主通路３の軸心Ｃ３と噴出開口２の前縁との交点２ｆを基点として、この前端２ｆと、分岐通路出口４ａ，５ａの中心Ｏ１，Ｏ２とを通る直線が軸心Ｃ３とがなす角度(壁面１に沿った角度)と定義する。
主通路３における分岐点Ｐよりも下流側の通路（以下「主通路下流部」という。）３０には、主通路３に導入された冷却媒体ＣＬの一部ＣＬ３が流入し、出口３ａから軸心Ｃ３に沿った方向に噴出される。主通路３と分岐通路４，５のそれぞれは、一定内径Ｄを有する真直な円孔により形成されている。
連通路６，７はそれぞれ、分岐点Ｐを通る真直な通路群を含んでおり、この通路群を連ねた包絡面により形成されている。通路群を形成する各通路は、横断面が主通路３および分岐通路４，５と同一の一定内径Ｄを有している。したがって、主通路３の軸心Ｃ３方向から見た図３に示すように、連通路出口６ａ，７ａは、主通路出口３ａと分岐通路出口４ａ，５ａとをつなぐ滑らかな曲線を描く。各通路３〜７を形成する円孔は、図２の右欄に二点鎖線で示されている。
縦断面図である図４に示すように、壁１０を貫通して形成された主通路３は、壁１０の内表面１１に開口して、空気のような冷却媒体ＣＬを壁１０の内側から主通路３に導入する導入開口３ｂを有している。主通路３の軸心Ｃ３は、導入開口３ｂから外表面である壁面１の出口３ａへ向かって高温ガスＧの流れ方向の下流側に傾斜している。同様に、分岐通路４，５も，その軸心Ｃ４，Ｃ５が、分岐点Ｐから出口４ａ，５ａに向かって高温ガスＧの流れ方向の下流側に傾斜している。
図２に示したとおり、冷却媒体ＣＬ３〜ＣＬ５は、主通路３および分岐通路４，５の軸心Ｃ３〜Ｃ５に沿って出口３ａ〜５ａから、高温ガス通路ＧＰに噴射される。連通路６，７の出口６ａ，７ａからも冷却媒体の一部ＣＬ６，ＣＬ７が噴出される。図４に示す軸心Ｃ３と壁面１とがなす主縦方向角度α１は、分岐通路４，５の軸心Ｃ４およびＣ５とが壁面１とがなす分岐縦方向角度α２よりも大きい。両分岐通路４，５の分岐縦方向角度α２、α２は同一である。なお、分岐通路４，５の軸心Ｃ４，Ｃ５は、図４の縦断面に対して横方向(図４の表裏面の方向)に傾斜しているので、分岐縦方向角度α２の大きさは、図４では正確に表れていない。この分岐縦方向角度α２は、斜視図である図５に正確に示されており、分岐点Ｐの真上の壁面１上の仮想点Ｐ１と、分岐通路出口４ａ，５ａの中心Ｏ１，Ｏ２とを通る線に対して、分岐通路４，５の軸心Ｃ４，Ｃ５がなす角度である。
このように主通路３および分岐通路４，５が壁面１に対して傾斜しており、さらに分岐通路４，５は主通路３に対して横方向に傾斜しているので、図２に示す噴出開口２に含まれる主通路出口３ａおよび分岐通路出口４ａ，５ａはすべて、楕円形となる。また、主縦方向角度α１が分岐縦方向角度α２よりも大きいので、分岐通路出口４ａ，５ａが主通路出口３ａよりも後方、つまり高温ガスＧの下流側に位置する。
連通路６，７を形成する包絡面１６，１７は、高温ガスＧの上流側である前面部１６ａ，１７ａが、滑らかな曲面であるのに対し、後面部１６ｂ、１７ｂは、後方へ向かって幅が広がる平坦面である。したがって、連通路出口６ａ，７ａはそれぞれ、幅Ｓの直線となる。これら平坦面１６ｂ、１７ｂにより、両分岐通路４，５が形状的に明確に分離されるので、分岐通路４，５から噴出される冷却媒体ＣＬ４，ＣＬ５同士の分離が促進される。
噴出開口２の分岐通路出口４ａ，５ａから噴出される冷却媒体ＣＬ４，ＣＬ５は、相互に影響し合い、相手方を壁面１に押し付けるように作用する。その様子を、図６、７を参照しながら説明する。図６に示すように、主通路３に導入された冷却媒体ＣＬは、一部が分岐通路４，５に流入する。分岐通路４，５を流れる冷却媒体の大部分が、分岐通路成分ＣＬ４，ＣＬ５として、横方向噴出角度βを持って分岐通路出口４ａ，５ａから直進的な冷媒流Ｆ１，Ｆ２となって、高温ガス通路ＧＰに噴出される。特に、分岐通路出口４ａ，５ａの後端４ａａ，５ａａが主通路出口３ａの後端３ａａよりも後方に位置しているので、分岐通路出口４ａ，５ａにおける主通路出口３ａよりも後方に位置する部分から噴出される直進冷媒流Ｆ１，Ｆ２は、指向性の高い流れとして形成される。
一方、主通路３を通過した冷却媒体ＣＬのうち、主通路下流部３０を流れる冷却媒体の大部分は、主通路成分ＣＬ３として、出口３ａから軸心Ｃ３に沿った方向を指向する直進的な主分離流Ｆ３となって、高温ガス通路ＧＰに噴出される。この分離流Ｆ３は、直進冷媒流Ｆ１，Ｆ２の間に入って、直進冷媒流Ｆ１，Ｆ２を分離する作用を持つ。主通路下流部３０および分岐通路４，５に流入した冷却媒体ＣＬ３〜ＣＬ５の一部は、連通路６，７に流入し、その出口６ａ，７ａから副分離流Ｆ４，Ｆ５となって、高温ガス通路ＧＰに噴出され、直進冷媒流Ｆ１，Ｆ２の分離を促進する。
高温ガス通路ＧＰの、高温ガスＧの流れ方向と直交する横断面を図７に示す。主通路下流部３０および連通路６，７からの主分離流Ｆ３および副分離流Ｆ４，Ｆ５により、分岐通路４，５からの指向性の高い直進冷媒流Ｆ１とＦ２とが壁面１に平行な方向に分離される結果、直進冷媒流Ｆ１，Ｆ２間に強い低圧部１１が発生する。これにより、各直進冷媒流Ｆ１，Ｆ２の内側部、つまり互いに対向する部分に、壁面１へ向かう流れが生じる。その結果、直進冷媒流Ｆ１，Ｆ２に、内側で壁面１へ向かって冷却媒体ＣＬを巻き込むような互いに逆方向の渦流Ｖ１，Ｖ２が発生する。これらの渦流Ｖ１，Ｖ２は、それぞれ、直進冷媒流Ｆ１，Ｆ２を壁面１に押し付けるように作用する。
低圧部１１を効果的に発生させることにより渦流Ｖ１，Ｖ２を形成して、冷却媒体Ｃを壁面１に押し付ける作用を発揮するために、図６の２つの分岐通路出口４ａ，５ａは互いに適切な距離だけ離間して配設される必要がある。壁面１に臨む噴出開口２における分岐通路出口４ａ，５ａは、分岐通路４，５の軸心Ｃ４，Ｃ５を長軸とするほぼ楕円形の形状を有する。一対の分岐通路出口４ａ、５ａの中心点Ｏ１，Ｏ２間の、壁面１に沿った距離Ｗは、前記一定内径Ｄに対して、１．０〜５．０Ｄであることが好ましく、１．５〜４．０Ｄであることがより好ましい。前記距離Ｗが前記範囲よりも短いと、渦流Ｖ１，Ｖ２同士の分離が困難になり、前記範囲よりも長いと、直進冷媒流Ｆ１，Ｆ２の直進性が不十分となり、所望の強さの渦流Ｖ１，Ｖ２が得られない。
また、分岐通路４，５からの噴出方向Ａ，Ｂが高温ガスＧの流れ方向となす横方向噴出角度βは、１０〜４５°の範囲にあることが好ましい。横方向噴出角度βは、２０〜４０°の範囲にあることがより好ましく、２５〜３５°の範囲にあるのがさらに好ましい。横方向噴出角度βが前記範囲未満であると、やはり、渦流Ｖ１，Ｖ２同士の分離が困難になり、前記範囲を超えると、直進冷媒流Ｆ１，Ｆ２の直進性が不十分となり、所望の強さの渦流Ｖ１，Ｖ２が得られない。
両分岐通路４，５からの噴射方向Ａ，Ｂが高温ガスＧの流れ方向となす横方向噴出角度β、βは、互いに異なる大きさとしてもよい。例えば、主通路３の軸心Ｃ３が高温ガスＧの流れ方向に沿っていない場合、両分岐通路４，５からの噴出方向Ａ，Ｂを主通路３の軸心Ｃ３に対して対称に設定すると、高温ガスＧに対する横方向噴出角度βは、両分岐通路４，５間で相違することになる。
図４に示した主通路３の軸心Ｃ３と壁面１とがなす主縦方向角度α１は、１０〜４５°の範囲にあることが好ましく、２０〜４０°の範囲にあることがより好ましい。他方、分岐通路４，５と壁面１とがなす分岐縦方向角度α２は、５〜４０°の範囲にあることが好ましく、１０〜３５°の範囲にあることがさらに好ましい。主縦方向角度α１および分岐噴射角度α２が前記範囲未満であると、図７の渦流Ｖ１，Ｖ２が壁面１に近づき過ぎ、前記範囲を超えると、渦流Ｖ１，Ｖ２が壁面１から遠ざかり過ぎるので、所望の強さの渦流Ｖ１，Ｖ２が得られない。
また、図４の主・分岐縦方向角度α１、α２の角度差δ＝α１−α２は、３〜１５°が好ましく、５〜１２がさらに好ましい。角度差δが前記範囲から外れると、図６の主通路３からの分離流Ｆ３による図７の渦流Ｖ１，Ｖ２の分離作用が低下し、所望の強さの渦流Ｖ１，Ｖ２が得られない。
さらに、図４の壁１０内の主通路の高さＨ、つまり壁１０の厚さに対する分岐点Ｐの高さＬｃの比＝Ｌｃ／Ｈは、０．３〜０．９が好ましく、０．４〜０．８がさらに好ましい。前記比は、主通路３における分岐点Ｐよりも上流側の部分と主通路３の全長Ｌとの比に相当する。この長さ比Ｌｃ／Ｈが前記範囲未満であると、図６の主通路３から噴出される分離流Ｆ３の直進性が低下して、分岐通路４，５からの直進流Ｆ１，Ｆ２を分離する作用が低下する。長さ比Ｌｃ／Ｈが前記範囲を超えると、分岐通路４，５への冷却媒体ＣＬ４，ＣＬ５の供給量が不十分となる。したがって、いずれの場合でも所望の強さの渦流Ｖ１，Ｖ２が得られない。
主通路３の全長Ｌは、一定内径Ｄとの関係において、２〜１０Ｄであるのが好ましい。２Ｄ未満では、主通路３および分岐通路４，５から噴出される冷却媒体の指向性が低下し、１０Ｄを超えると通路抵抗が増大する。
つぎに、上記冷却構造の製造方法について説明する。図５に示すように、放電加工機の円柱状の加工電極４１を用いて、主通路３、分岐通路４，５および連通路６，７のすべてを壁面１側から加工する。加工電極４１は、一定内径Ｄの各通路３ないし７を形成するように、一定内径Ｄよりも若干小さい所定外径を有する。この加工電極４１を用いた放電加工によって、まず、主通路３を形成する。つづいて、加工電極を主通路３の軸心Ｃ３に対して傾斜させながら放電することにより、連通路６，７から分岐通路４，５までを連続的に形成する。このように、単一の加工電極４１を適宜傾斜させながら連続加工することにより、主通路３、分岐通路４，５および連通路６，７のすべてを壁面１側から加工できるので、冷却構造の製造が容易になる。
以上の冷却構造によれば、図７に示すように、一対の分岐通路４，５からの冷却媒体ＣＬ４、ＣＬ５が、低圧部１１に巻き込まれた渦流Ｖ１，Ｖ２によって壁面１に押し付けられて、壁面１の広い範囲に接触し、冷却媒体ＣＬのフイルム流が形成される。このようにして冷却媒体ＣＬが壁面１から剥離することが抑制され、壁面１上におけるフイルム効率が高められて、壁面１が効果的に冷却される。
図８は、図２および図４に示す各寸法および比を含むパラメータをつぎの大きさとした場合に、壁面１上に得られるフイルム効率ηf,adの等値線図を示している。
一定内径 Ｄ＝１５ｍｍ
壁厚対一定内径比 Ｈ／Ｄ＝３．５
長さ比 Ｌｃ／Ｈ＝０．６２５
主縦方向角度 α１＝３０°
噴出開口の中央部の長短軸比 Ｄｅ／Ｄ＝２．０
噴出角度差 δ＝１０°
横方向噴出角度 β＝３２°
連通路出口の直線長さ Ｓ／Ｄ＝０．２
噴出開口の前端位置 ｘ／Ｄ＝−１．０
（ここで、ｘは、図４に示す主通路３の軸心Ｃ３と壁面１とが交差する中心点ＣＰを原点とし、高温ガスＧの下流方向に向かった距離である。マイナス符号は原点ＣＰから上流方向の距離を示す。）
図８から明らかなように、噴出開口２から噴出される冷却媒体ＣＬは、その下流の近傍に、フイルム効率１．０の領域を、その後方にフイルム効率０．８の領域を、その幅方向中央寄りにフイルム効率０．６の領域を、さらにその中央寄りにフイルム効率０．４の領域を、最外側にフイルム効率０．２の領域を、それぞれ広域にわたって形成している。このような極めて高いフイルム効率を有する冷却媒体Ｃのフイルム流を壁面１に形成することにより、冷却媒体Ｃの壁面１からの剥離が阻止されて壁面１の効率的な冷却が行われる。
前記パラメータのうち、
Ｌｃ／Ｈ＝０．７５、δ＝７．５°、β＝３２°とした場合でも、図８の噴出開口２付近のフイルム効率が１０％程度低下するだけで、全体として十分高いフイルム効率が得られることを確認した。また、
Ｌｃ／Ｈ＝０．５、δ＝７．５°、β＝２９°とした場合でも、図８のフイルム効率よりも全体的に１０％程度低下するだけで、全体として十分高いフイルム効率が得られることを確認した。さらに、
Ｌｃ／Ｈ＝０．５、δ＝５°、β＝２９°とした場合には、図８のフイルム効率よりも全体的に２０％程度低下するが、前記特許文献２の実施形態と同程度の高いフイルム効率が得られることを確認した。
図９ないし図１１は、本発明をガスタービンのタービン翼に適用した実施例を示す。ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機、圧縮機からの圧縮空気に燃料を供給して燃焼させる燃焼器、燃焼器からの高温、高圧の燃焼ガスにより駆動されるタービンとを備えている。前記タービンは、図９に示すタービンディスク２１の外周に多数の動翼２３を植設したものである。動翼２３の翼面（壁面１）における前縁２５から若干後方寄りの部分に、６つの噴出開口２が動翼２３の径方向に並べて配置されており、これら噴出開口２が、隣接する動翼２３間の高温ガス（燃焼ガス）通路ＧＰに臨んでいる。
動翼２３の内部には、図１０に示す折り返した冷却媒体通路２７が形成されており、この冷却媒体通路２７の中途部に噴出開口２が連通している。圧縮機から抽気された空気からなる冷却媒体ＣＬが、タービンディスク２１内の通路から冷却媒体通路２７に導入され、噴出開口２から噴射されたのち、翼端２９に開口させた噴出孔３１から通路ＧＰ内に噴出される。こうして、図１１に示す壁面１である翼面に開口した噴出開口２から噴射される冷却媒体ＣＬにより、翼面１上に冷却媒体Ｃのフイルム流ＣＦが形成されて、動翼２３が効果的に冷却される。
上記実施例では、複数の噴出開口２を、上下方向１列に等間隔に並べて配置した例について説明したが、複数の噴出開口２の数および配置は適宜選択してよい。例えば、複数の噴出開口２を径方向に等間隔に並べた列を、前後方向に離して２列設けて、前側の列の噴出開口２の径方向位置と、後側の列の噴出開口２の径方向位置とをずらして配置してもよい。
本発明は、ガスタービンの動翼のほかに、静翼、燃焼器の内筒などのように、高温ガスの通路に臨む壁面に対して広く適用できる。
以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。
１ 壁面
２ 噴出開口
３ 主通路
４，５ 分岐通路
６，７ 連通路
１０ 壁
１６，１７ 包絡面
Ａ，Ｂ 冷却媒体の噴出方向
Ｖ１，Ｖ２ 渦流
ＣＬ、ＣＬ３〜ＣＬ７ 冷却媒体
Ｄ 一定内径
Ｇ 高温ガス
ＧＰ 高温ガス通路
α１ 主縦方向角度
α２ 分岐縦方向角度
β 横方向噴出角度

Claims (8)

  1. 高温ガスの通路に臨む壁面に、冷却媒体を前記通路の下流側に向けて噴出する噴出開口が設けられ、
    前記噴出開口に前記冷却媒体を供給する真直な円孔からなる主通路と、前記主通路上の分岐点から分岐して前記噴出開口を出口とする真直な円孔からなる分岐通路と、前記主通路と分岐通路とを連通して前記噴出開口を出口とする連通路とが壁内に形成され、
    前記一対の分岐通路から噴出される冷却媒体の噴出方向が、これら冷却媒体を互いに前記壁面に押しつける方向の渦流を形成するように、前記高温ガスの流れ方向に対して傾斜して設定され、
    前記主通路および分岐通路の横断面は、同一の一定内径を有し、
    前記連通路は、前記分岐点を通り横断面が前記一定内径を有する真直な円孔群を連ねた包絡面を有し、
    前記一対の分岐通路からの各噴出方向の、前記高温ガスの流れ方向に対する前記壁面に沿った横方向噴出角度βが、前記流れ方向を挟んで互いに反対方向を向くように設定され、
    前記主通路の軸心方向と前記壁面とがなす主縦方向角度α１が、前記分岐通路の軸心方向と前記壁面とがなす分岐縦方向角度α２よりも大きく設定されている、
    ダブルジェット式フイルム冷却構造。
  2. 請求項１に記載のフイルム冷却構造において、前記主縦方向角度α１と分岐縦方向角度α２との角度差δが３〜１５°であるダブルジェット式フイルム冷却構造。
  3. 請求項１または２に記載のフイルム冷却構造において、前記連通路を形成する前記包絡面の後面部が平坦面であるダブルジェット式フイルム冷却構造。
  4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のフイルム冷却構造において、前記主通路の前記壁面と直交する直交方向の高さＨに対する、前記分岐通路の分岐点の高さＬｃの比Ｌｃ／Ｈが、０．３〜０．９であるダブルジェット式フイルム冷却構造。
  5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のフイルム冷却構造において、前記分岐通路からの前記横方向噴出角度βが１０〜４５°であるダブルジェット式フイルム冷却構造。
  6. 請求項１から５のいずれか一項に記載のフイルム冷却構造において、前記主通路の主縦方向角度α１が１０〜４５°であるダブルジェット式フイルム冷却構造。
  7. 請求項１から６のいずれか一項に記載のフイルム冷却構造において、前記一対の分岐通路の出口間の、前記壁面に沿った距離Ｗが、前記主通路の一定内径Ｄに対して１．０〜５．０Ｄに設定されているダブルジェット式フイルム冷却構造。
  8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載のダブルジェット式フイルム冷却構造を放電加工によって形成する方法であって、
    高温ガスの通路に臨む壁面に、所定外径の円柱形の加工電極によって、前記一定内径の主通路を形成するとともに、
    前記加工電極を前記主通路の軸心に対して傾斜させながら放電することにより前記連通路から分岐通路までを連続的に形成するダブルジェット式フイルム冷却構造の製造方法。
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