JP2810023B2 - 高温部材冷却装置 - Google Patents
高温部材冷却装置Info
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Description
種熱機関の構成要素である翼や燃焼器等のように高温流
体に外表面が曝される高温部材を低温流体によってフィ
ルム冷却する高温部材冷却装置に関する。
ある翼や燃焼器等のように高温流体に外表面が曝される
高温部材は、材質の許容温度を越えて高温流体によって
加熱されることを避ける必要がある。このために、高温
部材の内部に形成されたキャビティーより複数の小通路
(噴出孔)を経て高温部材の外表面へ空気や水等の冷却
媒体を導くことにより、この外表面に冷却媒体による保
護膜(フィルム)をフィルム状に形成し外表面をフィル
ム冷却することが行われている。
体を不必要に冷却しないようにする必要があり、冷却媒
体としての低温流体は必要最小限の小流量で供給され、
かつ下流側へできるだけ長い距離に渡って保護膜を形成
するように供給される。
ものが提案されている(図27乃至図35参照)。
噴き出し孔40の出口41が台形形状をなしたものがあ
り、その拡がり角度θは30°までの角度が有効とされ
ている。
43が矩形の場合を示し、図27乃至図29に示す噴き
出し孔の出口が台形である場合に比べて噴き出し流の拡
散効果を大きくすることを意図したものである。
出口45が扇形である場合を示し、図30乃至図32に
示す場合と同様に噴き出し流の拡散を大きくし主流と垂
直方向の拡散を大きくすることを意図したものである。
7までの流路48の形状を段階状に形成された例を示
し、(a)は通路48を鋭角の段階状に、また(b)は
通路48aを鈍角の段階状に、(c)は通路48bの段
階を二段としたものである。この図35(a)〜(c)
に示した流路形状は、噴き出し流路途中で噴き出し流を
拡散させ運動量を低下させることで噴き出し流の噴き抜
けを防止するとともに乱流を促進させ冷却能力を向上さ
せることを意図したものである。
円形型の出口形状が主流であった。しかし、この場合、
噴出孔の個数や大きさ及び間隔が制限されることから保
護膜の間に隙間が生じたり、また冷却媒体が噴き抜けて
しまう。このため、噴出孔の軸線を高温部材の外表面に
対し高温流体の流れる方向に傾斜させたり、また、噴出
孔から噴出する低温流体が外表面に沿って流れやすくす
るために噴出孔の開口部近傍に拡散部を設けることが行
われている(図27乃至図34参照)。
材の外表面とのなす角度や、噴出孔の軸線方向と噴出孔
の開口部に於いて高温部材の外表面上を流れる高温流体
の流れ方向との関係は、フィルム冷却の有効性に影響を
及ぼす重要な因子である。
あっても、実際には、隣り合う噴出孔の間の間隔の70
%程度しか保護膜が形成されず、低温流体による冷却が
十分に行われていないという問題があった。
出する低温流体の噴き出し圧力が低下することにより、
噴出孔の開口部において高温流体の流れ(主流)の巻き
込みが生じ、噴き出し流特有の渦が発生し、この渦が保
護膜が一様に広まることを抑制し、飛躍的な保護膜の拡
大を望むことはできない。
作用を促進するねらいとして通路を2段階に分け、また
各段が異なる傾斜角を有する形状も提案されており(図
35参照)、この作用として噴き出し流が拡散される。
しかし上記の様に各段が異なる角度を有するためにはそ
の加工及び後処理が複雑になり、高温材料の寿命に関し
ては課題が残る。
方向の冷却作用を促進させるため、冷却媒体を吹き出す
角度を主流方向と水平な方向に傾斜させる形状も提案さ
れている。この作用として、主流方向噴き出しに比較し
主流方向と水平な方向の平均的な保護膜は拡大するが、
課題として噴き出し流の主流方向に対する非対称性から
温度分布に非対称性が残ってしまうことがあげられる。
成される範囲は噴出孔のほぼ出口幅程度で保護膜領域は
広くなく、下流方向へ保護膜を形成することや噴出孔か
ら低温流体が噴き抜けてしまうことを抑制することにつ
いては大幅な改善は見られない。また、より広い領域の
一様な保護膜を形成するためには、高温流体の流れに起
因する巻き込みを制御する必要がある。
する問題点を解消し、特に噴き出し流に対する主流の巻
き込みにより発生する渦の制御を行い、噴き出し流が下
流方向に広い領域に拡散し一様な保護膜を形成し高温部
材の外面温度が一様となるように外表面を冷却できる高
温部材冷却装置を提供することである。
に、本発明による高温部材冷却装置は、高温流体によっ
て外表面が曝される高温部材に形成された噴出孔を介し
て、前記高温部材の内部から低温流体を噴出させ、前記
高温部材の外表面をフィルム冷却する高温部材冷却装置
において、前記噴出孔はその軸線が高温流体の流れ方向
と鋭角をなすように形成されており、前記噴出孔の出口
近傍に形成され高温流体の流れ方向とのなす角度が前記
軸線がなす鋭角よりも小さい鋭角で前記外表面を開口す
る拡散部と、前記拡散部上に形成した少なくとも1個の
突起部とを備えることを特徴とする。
た、前記突起部は円柱形状を有する。また、前記突起部
は角錐形状を有する。また、前記突起部は高温流体の流
れ方向に幅がより広くなる形状を有する。
方向により広がるように配設されている。
6において、高温部材1に形成された噴出孔2から噴出
方向12へ噴出する低温流体の噴き出し流5と高温部材
1の外表面1a上を主流方向10に流れる高温流体9が
示されている。高温流体9は、噴出する低温流体の噴き
出し流5を両側面から回り込むように二つの流れ14、
14に分流される。この二つに分流する流れ14、14
は、主流方向10に対向する方向から見て反時計方向の
巻き上げ渦14aと時計方向の巻き上げ渦14bを形成
する。これらの巻き上げ渦14a,14bは、噴出孔2
の下流18において低温流体の噴き出し流5を外表面1
aから離反させるように作用し、低温流体の噴き出し流
5が外表面1aをフィルム冷却することを阻害する。
き上げ渦14a,14bを打ち消すように打ち消し渦1
6a,16bを生成させようとするものである。打ち消
し渦16a,16bは、噴出孔2の出口近傍3に形成さ
れた拡散部6上に設けた突起部8によって生成される。
た噴出孔2から高温流体9に曝される高温部材1の外表
面1aに向かって低温流体の噴き出し流5を少なくとも
1個の噴出孔2から噴き出させ高温部材1の外表面1a
をフィルム冷却する。噴出孔2の出口近傍には拡散部6
が形成されており、拡散部6には突起部8が設けられて
いる。突起部8によって生じた渦16a,16bは、低
温流体の噴き出し流5を巻き込むように発生する高温流
体9の流れ(主流)による渦14a,14bと逆方向の
回転成分を有する。この結果、渦14a,14bと渦1
6a,16bとが干渉し、主流の巻き込みにより生じた
渦14a,14bは消失し、噴出孔2の下流域18にお
いて低温流体の噴き出し流5の上方への拡散は抑制され
るとともに、主流と水平な方向への噴き出し流5の拡散
が生じ、噴出孔2の下流18に一様な保護膜が形成され
る。また突起部8によって発生させる渦16a,16b
の規模を大きくすることで、主流と干渉した後も主流の
巻き込みにより発生する渦14a,14bと逆回転方向
の渦成分16a,16bが残り、この渦16a,16b
はその回転方向から理解できるように主流方向10と水
平な方向に拡散することから噴出孔2の下流18にて主
流と水平な方向に低温流体の噴き出し流5が拡散し、主
流と水平な方向に対して一様な保護膜を形成することが
可能になる。
適な実施の形態について説明する。
動翼20に適用されているフィルム冷却の例を示す図で
ある。中空動翼20は、高温部材としての翼形部21
と、翼形部21をエンジンのロータ(図示せず)に装着
するベース22とを備えており、翼形部21は圧力側面
25及び負圧側面26と、前縁27及び後縁28と、端
キャップ29とを有する。冷却媒体としての低温流体は
動翼のベース22に流入して上方に通流し翼形部21内
に達する。翼形部21に達した冷却媒体は動翼内部に形
成された通路30a,30b,30cを通流し、側壁2
5、26と前後両縁27、28と端キャップ29とに設
けられた噴出孔2を通って翼形部21の外表面21aに
流出する。高温流体9は図24において左方から翼形部
21に向かって主流方向10へ流れている。
られた噴出孔2を含む部分を切り出し、噴出孔2と拡散
部6と突起部8の具体的実施例について説明する。
実施例について説明する。高温部材1として翼形部21
にある噴出孔2を含む部分を切り出して説明する。
主流方向10へ流れる高温流体9によって曝されてお
り、高温部材1には傾斜した円筒状の噴出孔2が形成さ
れており、噴出孔2の出口近傍の開口部3からは冷却部
材としての空気や水、蒸気等の低温流体5の噴き出し流
5が噴出している。開口部3の近傍の高温流体9の下流
側には、拡散部6が形成されている。拡散部6は、主流
方向10の下流側の開口部3開口縁の一部が削落され、
この削落して形成された縁部6bから平面視拡開して外
表面1aに連なるように形成されている。
す角度2bは鋭角をなしており、軸線2aと拡散部6の
面に沿う方向とのなす角度2cは、角度2bより小さい
鋭角をなしている。
部8が形成されている。突起部8の頂部としての上面8
aは外表面1aと同一面をなす。上面8aの幅は均一で
あるが、下流方向に進むに従ってより大きくなるように
してもよい。そして、低温流体5の噴出し流12方向に
対応する突起部8の両側面8bは拡散部6の表面6aに
垂直に形成されている。なお、突起部8の大きさや設置
位置は主流9の条件や高温部材1の表面の曲率等により
適宜選択されるものである。
ように、突起部8によって渦16a,16bが生じる。
この結果、前述したように、低温流体5の噴き出し流1
2を巻き込むように発生する高温流体9の流れ(主流)
による渦14a,14bが消失し、噴出孔2の下流域1
8において低温流体の噴き出し流12の上方への拡散が
抑制されるとともに、主流と水平な方向への噴き出し流
12の拡散が生じ、噴出孔2の下流18に一様な保護膜
が形成される。また突起部8によって発生させる渦16
a,16bの規模を大きくし、渦14a,14bと相殺
後にも渦成分16a,16bが残るようにし、噴出孔2
の下流域18にて主流と水平な方向に低温流体の噴き出
し流5を拡散させ、主流と水平な方向に対して一様な保
護膜を形成することが可能になる。
ついて説明する。
状を有する。突起部50の上面50aは長方形状を有し
外表面1aと同一面をなし、側面50bは直角三角形状
をなす。突起部50の左方の端部は縁部6bより下流側
にあり、突起部50の右方の端部は下流側の拡散部6の
縁部6cに一致する。
例について説明する。
状を有する。三角錐の底面は拡散部6の表面6a上にあ
り、三角錐の1個の頂点が上流側にあり、2個の頂点が
下流側にある。三角錐の残りの頂点は外表面1aと同一
面上にある。突起部50の側面51bは拡散部6の表面
6aに対し傾斜して位置する。
に形成され上流側に1個の頂点が位置し下流側に2個の
頂点が位置するようにしたので、前述の実施例と同様に
渦16a,16bを生成できる他に、突起部51を設け
ても低温流体の噴き出し流12が大きい抵抗を受けるこ
となく拡散部6に沿って円滑に流れるようにすることが
できる。
例について説明する。
設けられ、各々の突起部52、53は図7に示した突起
部と類似した三角錐形状を有する。2個の突起部52、
53は互いに下流方向に広がるように設けられている。
突起部52、53の上面は外表面1aと同一面上に形成
されている。
3を下流方向により広がるように設けたので、巻き上げ
渦14a,14bを打ち消すように打ち消し渦16a,
16bを効果的に生成することができる。
例について説明する。
設けられ、各々の突起部54、55は図13に示した突
起部と類似した三角錐形状を有する。2個の突起部5
4、55は互いに下流方向により広がるように設けられ
ている。突起部54、55の上面は外表面1aと同一面
上に形成されており、拡散部6の上流側縁部6bから下
流側縁部6cまで至るように形成されている。
5を下流方向により広がるように設けたので、巻き上げ
渦14a,14bを打ち消すように打ち消し渦16a,
16bを効果的に生成することができる。
例について説明する。
突起部56が設けられている。四角錐の頂部である突起
部56の上面56aの上流側端部は拡散部6の縁部6b
上にある。また上面56aの下流側端部56cは拡散部
6の縁部6cより上流側にあるとともに外表面1a上に
ある。突起部56の側面56bは縁部6bの位置に頂点
を有する三角形状を有する。また、上面56aの横幅は
下流方向により広くなっている。
に形成しこの四角錐の頂部が縁部56bにあるように配
設したので、前述の実施例と同様に渦16a,16bを
生成できる他に、突起部56を設けても低温流体の噴き
出し流12が拡散部6に沿って円滑に流れるようにする
ことができる。
説明する。
突起部57が設けられている。突起部57の上面57a
は外表面1a上にある。四角錐の頂部である突起部57
の上面57aの下流側端部は拡散部6の縁部6cにあ
り、また上面57aの上流側端部は拡散部6の縁部6b
上にある。突起部57の側面57bは縁部6cの位置に
頂点を有する三角形状を有する。また、上面57aの横
幅は下流方向により広くなっている。
うな形状を有するようにしたので、前述の実施例と同様
に渦16a,16bを生成できる他に、拡散部6に突起
部57を簡易に加工生成することができる。
て噴出孔2の開口部3の下流方向における膜冷却効率の
比較結果を示す。ここで、縦軸は膜冷却効率を示し、膜
冷却効率は(高温流体の温度−壁面温度)/(高温流体
の温度−低温流体噴き出し流の温度)で与えられる。横
軸は下流方向の噴出孔2の開口中心からび距離を示す。
図23において、Iは図27乃至図29に示す従来の噴
出孔40等における場合を示し、IIは図33及び図34
に示す従来の噴出孔2等における場合を示し、III は図
30乃至図32に示す従来の噴出孔44等における場合
の各々の結果を示す。また、IVは本発明の図9に示す噴
出孔2等の場合の結果を示す。
場合I、IIあるいはIII と比較して、膜冷却効率が増加
していることが認められる。
て、突起部8を拡散部6に設けるとして説明したが、本
発明はこれに限らず、拡散部6を形成せずに突起部8を
噴出孔2の下流側壁面に設けてもよい。
上述に説明した場合に限らず、他の形状でもよく、例え
ば図27乃至図35に示すような形状であってもよい。
状であるとしたが、突起部8の形状は打ち消し渦16
a,16bを生成できるものであればこれらの形状に限
らず、これらの形状を組み合わせて形成される形状や、
円柱形状や、これらの形状とは全く異なる形状であって
もよい。
れば、噴出孔はその軸線が高温流体の流れ方向と鋭角を
なすように形成されており、噴出孔の出口近傍に形成さ
れ高温流体の流れ方向とのなす角度が軸線がなす鋭角よ
りも小さい鋭角で外表面を開口する拡散部と、拡散部上
に形成した少なくとも1個の突起部とを備えるので、突
起部によって、低温流体の噴き出し流を巻き込むように
発生する高温流体の流れ(主流)による渦と逆方向の回
転成分を有する渦を発生させることができ、この結果、
両者の渦と渦とが干渉し、主流の巻き込みにより生じた
渦を消失させることができ、噴出孔の下流において低温
流体の噴き出し流の上方への拡散を抑制できるととも
に、主流と水平な方向への噴き出し流の拡散を生じさ
せ、噴出孔の下流に一様な保護膜を形成することができ
る。
大きくすることで、主流と干渉した後も主流の巻き込み
により発生する渦と逆回転方向の渦成分を残し、噴出孔
の下流にて主流と水平な方向に低温流体の噴き出し流を
拡散させ、主流と水平な方向に対して一様な保護膜を形
成させることができる。
示す斜視図。
おいて、拡散部に設けた突起部によって発生する渦を示
す図。
る図。
し巻き上げ渦が生成されることを説明する図。
示す斜視図。
を示す斜視図。
を示す斜視図。
を示す斜視図。
を示す斜視図。
を示す斜視図。
の下流方向における膜冷却効率の比較結果を示す。
ビンエンジン動翼を示す斜視図。
図。
図。
図。
図。
状を示す断面図(a),(b),(c)。
突起部 8a,50a,56a,57a 突起部の上面 8b,50b,51b,56b,57b 突起部の側面 9 高温流体 10 主流方向 12 低温流体の噴き出し流 14 分流 14a 巻き上げ渦 14b 巻き上げ渦 16a 打ち消し渦 16b 打ち消し渦 18 下流域 20 ガスタービンの中空動翼 21 翼形部 21a 外表面 25 圧力側面 26 負圧側面 27 前縁 28 後縁 30a,30b,30c 通路
Claims (6)
- 【請求項1】高温流体によって外表面が曝される高温部
材に形成された噴出孔を介して、前記高温部材の内部か
ら低温流体を噴出させ、前記高温部材の外表面をフィル
ム冷却する高温部材冷却装置において、 前記噴出孔はその軸線が高温流体の流れ方向と鋭角をな
すように形成されており、前記噴出孔の出口近傍に形成
され高温流体の流れ方向とのなす角度が前記軸線がなす
鋭角よりも小さい鋭角で前記外表面を開口する拡散部
と、前記拡散部上に形成した少なくとも1個の突起部と
を備えることを特徴とする高温部材冷却装置。 - 【請求項2】前記突起部は角柱形状を有することを特徴
とする請求項1に記載の高温部材冷却装置。 - 【請求項3】前記突起部は円柱形状を有することを特徴
とする請求項1に記載の高温部材冷却装置。 - 【請求項4】前記突起部は角錐形状を有することを特徴
とする請求項1に記載の高温部材冷却装置。 - 【請求項5】前記突起部は高温流体の流れ方向に幅がよ
り広くなる形状を有することを特徴とする請求項1に記
載の高温部材冷却装置。 - 【請求項6】複数の前記突起部が高温流体の流れ方向に
より広がるように配設されていることを特徴とする請求
項1に記載の高温部材冷却装置。
Priority Applications (1)
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JP8246063A JP2810023B2 (ja) | 1996-09-18 | 1996-09-18 | 高温部材冷却装置 |
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JP8246063A JP2810023B2 (ja) | 1996-09-18 | 1996-09-18 | 高温部材冷却装置 |
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JPH1089005A JPH1089005A (ja) | 1998-04-07 |
JP2810023B2 true JP2810023B2 (ja) | 1998-10-15 |
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Family Applications (1)
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JP8246063A Expired - Lifetime JP2810023B2 (ja) | 1996-09-18 | 1996-09-18 | 高温部材冷却装置 |
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