JP5029960B2 - 高温部品の内面冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、航空用または産業用のガスタービンにおける高圧タービン静翼のような高温部品の内面冷却構造に関する。

航空用または産業用のガスタービンにおける動翼や静翼のような高温部品は、運転中に外面が高温ガス（例えば１０００℃以上）に曝されるため、高温部品の過熱を防ぐため、その内側に高温ガスより温度が低い冷却ガス（例えば冷却用空気）を流し高温部品を内側から冷却する場合がある。
そこでこのような内面冷却構造の性能を把握しその冷却性能を高めるため、多くの研究が従来から行われている（例えば、特許文献１〜３、非特許文献１）。

特許文献１の内面冷却構造は、図５に示すように、内側部分５１と外側部分５２を有する少なくとも１つの壁５３と、壁の内側部分と外側部分の間に延び複数の流路５４からなるメッシュ冷却構造５５を形成する複数のピン５６と、内側部分と外側部分の少なくとも一方に設けられた複数の乱流発生部５７とからなるものである。

特許文献２の内面冷却構造は、図６に示すように、内側部分５１と外側部分５２を有する少なくとも１つの壁５３と、壁の内側部分と外側部分の間に延び複数の流路５４からなるメッシュ冷却構造５５を形成する複数のピン５６とからなり、壁５３の内側部分は複数のディンプル６１を有し、そのうち少なくとも１つはインピンジ冷却穴を形成し、少なくとも１つは壁の内側部分を貫通しないものである。

特許文献３の内面冷却構造は、図６に示すように、内側部分５１と外側部分５２を有する少なくとも１つの壁５３と、壁の内側部分と外側部分の間に延び複数の流路５４からなるメッシュ冷却構造５５を形成する複数のピン５６と、壁の外側部分に設けられた複数のディンプル６１と、壁の外側部分の少なくも１つのコーティング（図示せず）とからなり、少なくとも１つのディンプル６１は壁の外側部分を貫通してインピンジ冷却穴を形成し、コーティングはインピンジ冷却穴を少なくとも部分的にカバーするものである。

非特許文献１は、ピン、リブ、ディンプル（凹部）を有するメッシュ冷却構造の熱伝達に関する研究報告である。

米国特許第６９８４１０２号明細書、“ＨＯＴ ＧＡＳ ＰＡＴＨ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ ＷＩＴＨ ＭＥＳＨ ＡＮＤ ＴＵＲＢＵＬＡＴＥＤ ＣＯＯＬＩＮＧ” 米国特許第７１８２５７６号明細書、“ＨＯＴ ＧＡＳ ＰＡＴＨ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ ＷＩＴＨ ＭＥＳＨ ＡＮＤ ＩＭＰＩＮＧＥＭＥＮＴ ＣＯＯＬＩＮＧ” 米国特許第７１８６０８４号明細書、“ＨＯＴ ＧＡＳ ＰＡＴＨ ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ ＷＩＴＨ ＭＥＳＨ ＡＮＤ ＤＩＭＰＬＥＤ ＣＯＯＬＩＮＧ”

Ｒｏｎａｌｄ Ｓ． Ｂｕｎｋｅｒ ａｎｄ ｏｔｈｅｒｓ， "ＩＮ−ＷＡＬＬ ＮＥＴＷＯＲＫ （ＭＥＳＨ） ＣＯＯＬＩＮＧ ＡＵＧＭＥＮＴＡＴＩＯＮ ＯＦ ＧＡＳ ＴＵＲＢＩＮＥ ＡＩＲＦＯＩＬＳ"，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ＡＳＭＥ Ｔｕｒｂｏ Ｅｘｐｏ ２００４， Ｐｏｗｅｒ ｆｏｒ Ｌａｎｄ， Ｓｅａ， ａｎｄ Ａｉｒ， Ｊｕｎｅ １４−１７， ２００４， Ａｕｓｔｒｉａ

上述したように、高圧タービン静翼では高い冷却性能が求められるため、従来の内面冷却構造は、インピンジ冷却やピンフィン冷却、乱流促進体による冷却が一般的に用いられている。

また、エンジン性能のさらなる向上要求から、さらに高効率な冷却構造の開発が現在求められている。しかし、従来の内面冷却構造は、複雑な二重壁構造となるため、製造が非常に難しく、実質的に製造不能か、製造できても非常に高コストになる問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、製造が容易であり、かつ従来の二重壁構造に匹敵する高い冷却性能を有する高温部品の内面冷却構造を提供することにある。

本発明によれば、外面が高温ガスで加熱される高温部品の内面を冷却空気で冷却する高温部品の内面冷却構造であって、
前記内面の少なくとも一部に内面に沿って一体的に設けられ熱伝達率を高める熱伝達促進部材と、
該熱伝達促進部材と隙間を隔てて対向する平滑面を有する平滑部材とを備え、
前記熱伝達促進部材と平滑部材の間を前記冷却空気が流れ、前記熱伝達促進部材により高温部品の内面を冷却する、ことを特徴とする高温部品の内面冷却構造が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記平滑部材は、高温部品の内側に設置される中空インサートであり、
該中空インサートは、高温部品の内面をインピンジ冷却するためのインピンジ冷却孔を有し、
該インピンジ冷却孔を通してその内側から高温部品の内面をインピンジ冷却した冷却空気が中空インサートと前記内面との隙間を流れる。

参考例によると、前記平滑部材は、前記熱伝達促進部材と隙間を隔てて対向する高温部品の別部分であり、
前記冷却空気が前記熱伝達促進部材と前記別部分の間を流れる。

前記熱伝達促進部材は、バンプ、ディンプル、及びリブからなり、
前記バンプは、前記冷却空気の流れ方向に対し交叉する２方向にそれぞれ一定のピッチで配置され、
前記ディンプルは、前記バンプに対して千鳥配置に前記２方向にそれぞれ一定のピッチで配置され、
前記リブは、前記２方向に延びかつ前記バンプ間を連結して配置されている。

また、高温部品の内面の基準面と前記平滑部材との隙間Ｈに対して、
前記バンプの高さｈ１は、０．８Ｈ〜０．９Ｈであり、
前記ディンプルの深さｈ２は、０．５Ｈ〜０．７Ｈであり、
前記リブの高さｈ３は、０．３Ｈ〜０．４Ｈであり、
前記冷却空気は、バンプに衝突し、リブを乗り越え、ディンプルで減速しながらそれぞれ乱れを形成して熱伝達率を高める。

上記本発明の構成によれば、高温部品の内面に沿って一体的に設けられた熱伝達促進部材と、平滑部材の平滑面との間を冷却空気が流れ、熱伝達促進部材により高温部品の内面を冷却するので、高温部品の内面の熱伝達率を高め、高い冷却性能を得ることができる。

また、平滑部材を高温部品の内側に設置される中空インサートとし、この中空インサートに、高温部品の内面をインピンジ冷却するためのインピンジ冷却孔を設けることにより、インピンジ冷却孔を通してその内側から高温部品の内面を効果的にインピンジ冷却することができ、かつインピンジ冷却後の冷却空気が中空インサートと高温部品の内面との隙間を流れるので、熱伝達促進部材により高温部品の内面を高い熱伝達率で冷却することができる。
従って、この構成により、中空インサートが別部品であることから熱伝達促進部材を高温部品の内面に沿って精密鋳造や機械加工により一体的に設けることが容易であり、かつ従来の二重壁構造に匹敵する高い冷却性能を得ることができる。

なお、参考例では、平滑部材を、熱伝達促進部材と隙間を隔てて対向する高温部品の別部分とし、冷却空気を熱伝達促進部材を設けた部分と平滑面を有する別部分の間を流すことにより、熱伝達促進部材によりこれを設けた部分を別部分（平滑面を有する）より高い熱伝達率で冷却することができる。
このように翼の後縁部に用いた場合は、背腹で冷却性能を最適化することが可能で、冷却空気流量の削減に寄与できる。

従って、本発明により、複雑な二重壁構造を用いずに、複雑なコアが不要となり、製造性を大幅に向上させることができる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図１は、本発明による内面冷却構造を有する高温部品の断面図である。この図において、（Ａ）は高温部品である高圧タービン静翼の断面図、（Ｂ）はそのＢ部拡大図、（Ｃ）はそのＣ部拡大図である。

図１（Ａ）において、１は高圧タービンの静翼（高温部品）、２はその翼面（外面）、３は高温部品の内面、４は高温ガス、５は冷却空気である。高温部品１（高圧タービンの静翼）は、外面が高温ガス４で加熱され、内面３を冷却空気５で冷却するようになっている。
なお高温部品１は静翼に限定されず、動翼その他の部品であってもよい。

本発明の内面冷却構造は、熱伝達促進部材１０と平滑部材２０を備える。

熱伝達促進部材１０は、高温部品１の内面３の少なくとも一部に内面３に沿って一体的に設けられ熱伝達率を高める機能を有する。
この例において、熱伝達促進部材１０は、高温部品１の内面３の全面に設けてもよく、或いは特に高い熱伝達率を必要とする部分のみに設けてもよい。

平滑部材２０は、熱伝達促進部材１０と隙間を隔てて対向する平滑面を有する。この隙間は、一定であるのが好ましいが、必要に応じて変化させてもよい。
この例において、平滑部材２０は、中空インサート２１と高温部品１の別部分２２からなる。

中空インサート２１は、高温部品１の内部に挿入されることで高温部品１の内側に設置される。またこの中空インサート２１は、高温部品１の内面３をインピンジ冷却するためのインピンジ冷却孔２１ａを有する。インピンジ冷却孔２１ａの位置と個数は任意であるが、特にインピンジ冷却を必要とする翼の前縁部に多数設けるのがよい。
中空インサート２１の内側に供給した低温空気５は、このインピンジ冷却孔２１ａを通してその内側から高温部品１の内面３をインピンジ冷却し、次いでインピンジ冷却後の冷却空気５が中空インサート２１の外面（平滑面）と高温部品１の内面３との隙間を流れるようになっている。

高温部品１の別部分２２は、この例では、翼の後縁部の腹側である。
翼の後縁部の背側内面には上述した熱伝達促進部材１０が設けられ、高温部品の別部分２２は、熱伝達促進部材１０と隙間を隔てて対向し、上述したインピンジ冷却後の冷却空気５が熱伝達促進部材１０と別部分２２の間を流れるようになっている。

図２は、本発明による熱伝達促進部材１０の構成図である。この図において、（Ａ）は熱伝達促進部材１０を高温部品１の内側から見た図、（Ｂ）はその一部拡大図である。

この図において、熱伝達促進部材１０は、バンプ１２、ディンプル１４、及びリブ１６からなる。
バンプ１２は、直径ｄ１の突起部であり、冷却空気５の流れ方向に対し（例えば、４５度の角度で）交叉する２方向（この図で左右方向と上下方向）にそれぞれ一定のピッチＰで配置されている。
またディンプル１４は、直径ｄ２の凹部であり、バンプ１２に対して、１／２ピッチずれた千鳥配置に、バンプと同じ２方向（この図で左右方向と上下方向）にそれぞれ一定のピッチＰで配置されている。
またリブ１６は、バンプと同じ２方向に延び、かつバンプ１２間を連結して配置されている。
なおこの例において、上記２方向（この図で左右方向と上下方向）のピッチＰは同一であるが、別のピッチにしてもよい。

図３は、図２の各部分の断面図である。この図において、（Ａ）はＡ−Ａ断面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ断面図、（Ｃ）はＣ−Ｃ断面図である。
この図において、６は高温部品１の内面３の基準面、７は平滑部材２０（２１，２２）の平滑面である。基準面６は、例えば熱伝達促進部材１０がない部分の高温部品１の内面３に相当する。以下、基準面６と平滑面７との隙間をＨとする。

本発明において、バンプ１２の高さｈ１は、０．８Ｈ〜０．９Ｈであり、ディンプル１４の深さｈ２は、０．５Ｈ〜０．７Ｈであり、リブ１６の高さｈ３は、０．３Ｈ〜０．４Ｈであるのが好ましい。

この例において、バンプ１２は、直径ｄ１、高さｈ１の切頭円錐形状であり、ｈ１／Ｈ＝０．８６である。
ディンプル１４は、直径ｄ２、深さｈ２の凹部であり、ｈ２／Ｈ＝０．６である。
リブ１６は、バンプ１２間を連結する高さｈ３の矩形の棒状部材であり、ｈ２／Ｈ＝０．３６である。なお、各部分のエッジ部には丸みを設けている。
なお、本発明はこれらの値に限定されず、任意に拡大／縮小することができる。この場合、レイノルズ数を２５００〜１００００に設定するのがよい。

図４は、本発明の内面冷却構造の性能を示す図である。この図において、横軸はレイノルズ数、縦軸は熱伝達率Ｈと伝熱面積Ａの積Ｈ・Ａの平板に対する比率である。
また、図中の４本の曲線は、ピンのみ、ピン＋ディンプル、ピン＋リブ、ピン＋ディンプル＋リブの場合である。なおこのピンは本発明のバンプに相当するが、ピンは高温側と低温側を直接連結するのに対して、バンプは高温側のみに一体的に設けられ、低温側とは隙間を有する点で相違する。

この図から、ピン＋ディンプル＋リブ（ピン、ディンプル、リブの組合せ）の場合が最も高い熱伝達率Ｈと伝熱面積Ａの積Ｈ・Ａが得られることがわかる。従って、本発明のように、バンプ＋ディンプル＋リブの場合も、同様に高い熱伝達率を得られることが予測できる。

上述した本発明の構成によれば、高温部品１の内面３に沿って一体的に設けられた熱伝達促進部材１０と、平滑部材２０の平滑面７との間を冷却空気５が流れ、熱伝達促進部材１０により高温部品の内面３を冷却するので、高温部品の内面の熱伝達率を高め、高い冷却性能を得ることができる。

また、平滑部材２０を高温部品の製作後に高温部品の内側に設置された中空インサート２１とし、この中空インサートに、高温部品の内面３をインピンジ冷却するためのインピンジ冷却孔２０ａを設けることにより、インピンジ冷却孔２０ａを通してその内側から高温部品の内面３を効果的にインピンジ冷却することができ、かつインピンジ冷却後の冷却空気５が中空インサート２１と高温部品の内面３との隙間を流れるので、熱伝達促進部材１０により高温部品の内面３を高い熱伝達率で冷却することができる。
従って、この構成により、高温部品の製作後に中空インサート２１をこの高温部品の内側に設置できることから熱伝達促進部材１０を高温部品の内面３に沿って精密鋳造や機械加工により一体的に設けることが容易であり、かつ従来の二重壁構造に匹敵する高い冷却性能を得ることができる。

また、平滑部材２０を、熱伝達促進部材１０と隙間を隔てて対向する高温部品の別部分２２とし、冷却空気５を熱伝達促進部材１０を設けた部分と平滑面を有する別部分２２の間を流すことにより、熱伝達促進部材１０によりこれを設けた部分（背側内面）を別部分（腹側内面）より高い熱伝達率で冷却することができる。
このように翼の後縁部に用いた場合は、背腹で冷却性能を最適化することが可能で、冷却空気流量の削減に寄与できる。

従って、本発明により、複雑な二重壁構造を用いずに、複雑なコアが不要となり、製造性を大幅に向上させることができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

本発明による内面冷却構造を有する高温部品の断面図である。 本発明による熱伝達促進部材の構成図である。 図２の各部分の断面図である。 本発明の内面冷却構造の性能を示す図である。 特許文献１の内面冷却構造の模式図である。 特許文献２、３の内面冷却構造の模式図である。

符号の説明

１ 高圧タービン静翼（高温部品）、
２ 翼面（外面）、３ 内面、
４ 高温ガス、５ 冷却空気、
６ 内面の基準面、７ 平滑面、
１０ 熱伝達促進部材、１２ バンプ、
１４ ディンプル、１６ リブ、
２０平滑部材、２１ 中空インサート、
２１ａ インピンジ冷却孔、
２２ 高温部品の別部分

Claims (3)

1. 外面が高温ガスで加熱される高温部品の内面を冷却空気で冷却する高温部品の内面冷却構造であって、
   前記内面の少なくとも一部に内面に沿って一体的に設けられ熱伝達率を高める熱伝達促進部材と、
   該熱伝達促進部材と隙間を隔てて対向する平滑面を有する平滑部材とを備え、
   前記熱伝達促進部材と平滑部材の間を前記冷却空気が流れ、前記熱伝達促進部材により高温部品の内面を冷却するようになっており、
   前記平滑部材は、高温部品の内側に設置される中空インサートであり、
   該中空インサートは、高温部品の内面をインピンジ冷却するためのインピンジ冷却孔を有し、
   該インピンジ冷却孔を通してその内側から高温部品の内面をインピンジ冷却した冷却空気が中空インサートと前記内面との隙間を流れ、
   前記熱伝達促進部材は、バンプ、ディンプル、及びリブからなり、
   前記バンプは、前記冷却空気の流れ方向に対し交叉する第１および第２の方向にそれぞれ一定のピッチで配置され、
   前記ディンプルは、前記第１の方向の位置、および、前記第２の方向の位置が前記バンプからずれるように、第１および第２の方向に一定のピッチで配置され、
   前記リブは、前記第１の方向に延びかつ前記バンプ間を連結して配置されているものと、前記第２の方向に延びかつ前記バンプ間を連結して配置されているものと、を有する、ことを特徴とする高温部品の内面冷却構造。
2. 高温部品の内面の基準面と前記平滑部材との隙間Ｈに対して、
   前記バンプの高さｈ１は、０．８Ｈ〜０．９Ｈであり、
   前記ディンプルの深さｈ２は、０．５Ｈ〜０．７Ｈであり、
   前記リブの高さｈ３は、０．３Ｈ〜０．４Ｈであり、
   前記冷却空気は、バンプに衝突し、リブを乗り越え、ディンプルで減速しながらそれぞれ乱れを形成して熱伝達率を高める、ことを特徴とする請求項１に記載の高温部品の内面冷却構造。
3. 高温部品はタービンの静翼であり、
   前記平滑部材は、前記中空インサートと前記静翼の別部分とからなり、この別部分は、前記静翼の後縁部の腹側部分であり、
   前記熱伝達促進部材は、前記中空インサートに対向する前記内面と、前記別部分に対向する、前記後縁部の背側の前記内面とに、設けられており、
   前記別部分は前記熱伝達促進部材と隙間を隔てて対向し、前記冷却空気が前記熱伝達促進部材と前記別部分の間を流れる、ことを特徴とする請求項１または２に記載の高温部品の内面冷却構造。

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