JPH025883B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、高温構造体を空気の如きの冷媒流体
で冷却する方法と装置とに関し、詳述すれば、高
温流体と、該高温流体に暴露されている壁面との
間に低温流体層を形成する方法と装置とに関す
る。斯る冷却方式は「膜流冷却方式（film
cooling）」として知られている。

従来の技術 燃焼装置を構成する壁体や、ガスタービンエン
ジンないしジエツトエンジンのタービン翼、ステ
ータ翼などの表面を気相冷媒からなる冷気膜流
（film）で冷却することはすでに知られている。
この冷却技術を利用した装置は、冷却すべき表面
を備えた物体ないし壁体に形成した円形傾斜注入
路を構成要件としていて、加圧空気の如きの冷気
流を物体ないし壁体の一方側から、熱気流が流れ
ている反対側へと前記注入路を介して供給し、か
くて、前記熱気流に対して鋭角をなして注入する
ことによつて前記物体ないし壁体の表面と前記熱
気流との間に冷気膜流を形成し、この膜流を以て
前記表面を冷却するように構成されている。当然
のことながら、表面を冷却するということは、そ
の表面がまだ高温状態になつていない場合では、
熱気流から表面への熱の転移を防ぐことを意味す
るが、高温状態になつている場合では、前述の熱
の転移を防ぐばかりではなく、表面の温度を下げ
る作用をも意味する。

このような従来公知の冷却装置を、第１図から
第３図を参照しながら詳述する。第１図と第２図
に示したものは原理的なもので、１０は壁体、１
１は熱気流の流れ方向、１２は、壁体１０の一方
側にある充満空間１４から壁体１０に形成した傾
斜注入路１３を介して熱気流に注入する冷気流を
示す。１５は、注入路１３を介して壁体１０の充
満空間１４とは反対側に吹き出された冷気流の外
層部にして、矢印１０で示した方向に流れる熱気
流と混じる部分を示し、また、１６は、前記吹き
出された冷気流の内層部にして、壁体１０の表面
と接触することによりその表面を冷却する部分を
示す。

注入路１３を介して吹き出された冷気流は、熱
気流の流れ方向からみて下流側へと壁体１０の表
面に沿つて流れるが、その流れる距離は冷気流と
熱気流との混じり具合によつて定まる。即ち、両
気流が徹底的に結合してしまえば、冷気流による
冷却効果はなくなる。また、注入路１３から吹き
出された直後の冷気流は、必ずしも直ちに壁体１
０の表面に沿つて下流側へと流れるとは限らず、
注入路１３の吹き出し口近傍において、しかも、
下流側に、１７を以て示した如きの壁体１０の表
面と接触しない部位が形成される。吹き出された
冷気流と壁体１０の表面に前述の如きの非接触部
位１７が形成されると、その部位１７に該当する
壁体１０の表面部分における冷却効果が望ましく
ないものとなる。

また、第２図に示したように、熱気流に冷気流
を注入すると、熱気流の流れの干渉により冷気流
に互いに反対方向に回流する一対の渦流１８，１
９が形成される。この一対の渦流１８，１９を発
生するのに要するエネルギーは熱気流から与えら
れるので、膜流による冷却法からみれば、エネル
ギー損失が多い問題がある。

第３図は、従来の冷却装置を中空型タービン翼
２０に適用した場合を示しており、２１は冷気膜
流を示す。第１図と第２図にて示した充満空間１
４は、タービン翼２０の場合では、その中空部が
構成している。

いづれの場合にしても、注入路１３の断面形状
は円形であり、それがために、熱気流の流れ方向
に対して流路の吹き出し口から下流側において冷
気流がもたらす壁面の冷却範囲を長くするのに限
度がある。

その他の従来例として、下記の文献に夫々下記
の如くの開示がなされている。

(イ) 米国特許第4384823号 90度よりほぼ大きい角度で冷気流を熱気流に
注入することにより、両気流が混じり合うのを
遅らせ、それにより冷気膜流による冷却効果を
向上させている。

(ロ) 米国特許第3742706号 タービン翼における最も決定的な温度部位
（most critical temperature areas）を冷却す
るのに高圧圧縮機の吐出気流の一部を利用し、
また、決定的でもない温度部位を冷却するのに
低圧圧縮機の中間気流の一部を利用したタービ
ン翼用冷却装置を開示している。

(ハ) 米国特許第3437313号 ガスタービンにおいて、タービン翼における
冷却路へ供給すべくタービンのローターデイス
クに供給した空気を、タービン翼を流れてその
タービン翼を駆動するガスよりも高圧にしてい
る。この構成では、冷却空気がガス流へと逃げ
るのを阻止するために、突起体がガス流へ突出
しているとともに、ダイナミツク圧の一部を利
用している。

(ニ) 米国特許第3542486号 共通の充満室と連通した複数の流路を備えた
タービン翼において、タービン翼の外表面の低
圧部分における流路を、一部分の直径を残りの
部分の直径と異ならせるなりに、不規則な断面
形状としている。

(ホ) 米国特許第3781129号 冷却空気の排気管を中空タービン翼の先導縁
の内部近傍に設けた空冷式中空タービン翼が開
示されている。このタービン翼においては、排
気管と排気管との間に、タービン翼の先導縁に
向かつて冷却空気を噴射するノズルがあつて、
ノズルからの冷却空気を前記先導縁に衝突させ
ることで冷却している。

(ヘ) 米国特許第4127988号 ガスタービン用ローターにして、そのロータ
ーの軸部には低速空気流を、また、放射状部に
は高速冷却空気流を流す、２つの異なつた流路
を用いている。

(ト) 米国特許第3891348号 空冷式タービン翼であつて、そのタービン翼
に長手方向に沿つて形成した空洞の基部に、冷
却空気供給口を形成したものが開示されてい
る。これらの空洞から、翼の各所を冷却する冷
気膜流が形成されるようになつている。

(チ) 米国特許第4017207号 ガスタービン用空気流制御装置において、タ
ービンの壁を室で囲繞するとともに、この室
を、壁に向かつて突延し、かつ、互いに隔離し
た部分を有する隔壁で供給区画と吹き出し区画
とに分割してある。そこで、突延する部分の自
由端にあるノズルから空気の噴流が発生して、
壁に衝突した後、Ｕターンして、前期突延する
部分間の隙間に入り、それにより、新たに壁に
向かつて来る空気噴流と干渉しないようになつ
ている。従つて、行きの空気噴流と帰りの空気
噴流とが干渉し合うのを防ぐことにより、両者
間の熱転移を阻止し、それにより壁との熱交換
効率を向上させている。

発明の目的 本発明は、従来の冷却方法に比べて大量のエネ
ルギーを消費することなく、冷気膜流で表面を冷
却しうる冷却装置を提供するのを目的としてい
る。

また、流路から出た直後の冷気流が表面に沿つ
て流れる冷気膜流となるに先立つて、流路の吹き
出し口の下流側で表面に対する剥離現象を起こす
のを阻止、もしくは、最小限にしうる冷却装置を
提供することも本発明の別の目的である。

総じて、本発明は、冷気膜流を利用した冷却装
置の冷却範囲と冷却効果とを向上させるものであ
る。

発明の構成 本発明においては、壁などの厚みのある物体
に、その物体の表面に沿つて流れる熱気流の方向
に対して下流側へと傾斜するように、冷気流注入
路を形成する。この冷気流注入路は少なくとも１
本あれば良く、また、冷気流注入路の一部位に、
冷気流注入路の断面形状がほぼ双子山形を呈する
ように、尖頭体を設けて、この冷気流注入路を介
して冷却すべき物体の表面へ吹き出した冷気流
が、互いに反対方向へ回流する一対の渦流を含む
ジエツト気流を形成するようにする。尖頭体を設
ける部位としては、冷気流注入路の下流側か、上
流側のいづれでも良いが、下流側に設けた場合、
吹き出した直後の冷気流が物体の表面から剥離す
るのを最小限にすることができる。いづれにして
も、尖頭体を設けることで冷気流注入路の特定部
位の断面形状をほぼ双子山形とすることにより、
冷気膜流による表面冷却効果を大きくすることが
できるとともに、冷却される表面面積を広くする
ことができるなどの利点がある。

実施例 以後、添付図面、特に第４図から第１０図を参
照しながら本発明の好ましい実施例を詳述する。
尚、第１図から第３図にかけて示した従来例と同
一部品については、同一符号を用いて示す。

第４図は、壁体１０を上方から見下ろしたとこ
ろを示しており、この壁体１０の上面、即ち、冷
却すべき外表面に沿つて矢印１１の方向に熱気流
が流れているものとして示してある。従来例にお
ける注入路１３は、その断面形状が円形であるの
で直径しかないのに対し、本発明において用いる
注入路１３には、後述の断面形状が故に、２２と
２３とで示すように高さと幅とがある。詳述すれ
ば、本発明にて用いる注入路１３の断面形状は、
熱気流の流れ方向とほほ直交する平坦壁部２４
と、該平坦壁部２４の両側より連続した一対の曲
線状側壁部２５，２６と、平坦壁部２４とは反対
側において曲線状側壁部２５，２６とが互いに収
斂することにより形成された尖頭部２７とによ
り、ほぼ双子山形に形成されている。従つて、平
坦壁部２４を底辺とすれば、その底辺と平行な方
向における一対の曲線状側壁部２５，２６間の最
大距離が注入路１３の幅２３であり、また、底辺
と各曲線状側壁部２５，２６間における熱気流の
流れ方向に沿う最大距離が注入路１３の高さ２２
をあらわす。

図示の実施例では尖頭部（cusp portion）２７
は、注入路１３を形成する壁部の一部を構成して
いる。即ち、一体的に形成されているものとして
示してあるが、これを壁体１０とは別部材で構成
することも考えられる。ともかく、平坦壁部２４
の幅２８は、好ましくは図示の如く注入路１３の
幅２３よりも小さいのが望ましい。また、図示の
如く、尖頭部２７の尖端は、それを鋭くしてもよ
いが、むしろ平坦にしておくのが望ましい。尖頭
部２７の尖端を鋭くした場合、長期間にわたる装
置の使用に伴つて尖端が浸蝕作用で削り取られる
ことがあり、これを勘案した上で予め尖端を平坦
にするのが望ましい。

側壁部２５，２６はいずれも同一形状であつ
て、同一曲率を有する曲線、もしくは、同一半径
の円形線の一部分における曲線を呈するように定
めてある。但し、これは必須要件ではなくて、各
側壁部２５，２６の曲率が、注入路１３の下流
側、即ち、熱気流の流れ方向に向かつて漸次減少
するようにしても良い。第４図に示した注入路１
３の断面形状は、壁体１０と直交し、かつ、熱気
流の流れ方向１１と平行で線２９に沿う平面に対
して左右対称形を呈している。

第５図は、第４図における線５−５に沿う横断
面図であつて、従来例に係わる第２図に対応させ
て示したものである。第２図と第５図とを比較す
ればわかるように、本発明における注入路１３は
ほぼ双子山形断面形状を呈しているので、注入路
１３を介して壁体１０の外表面へと冷気流を吹き
出させ、それにより熱気流に注入すると、図示の
如くの冷気流の渦流３０，３１が生ずる。即ち、
従来例と同様に熱気流の渦流１８，１９が生じて
いるところへ、その渦流１８，１９の内側に対応
する熱気流の渦流とは同一方向に回流する冷気流
の渦流３０，３１が形成されるのである。要する
に注入した冷気流に互いに反対方向に回流する
が、対応する熱気流の渦流１８，１９に対しては
同一方向に回流する渦流３０，３１が生ずること
から、特定の大きさの渦流を生ずるのに熱気流か
ら多大なエネルギーを消費することがない。尚、
互いに反対方向に回流する渦流３０，３１が対応
する渦流１８，１９に対しては同一方向に回流し
うるのは、側壁部２５，２６と尖頭部２７とが平
坦壁部２４に対して、熱気流の流れ方向１１から
見て上流側に位置している、即ち、尖頭部２７が
熱気流の流れ方向１１に突延しているからであ
る。

本発明は、尖頭部２７が熱気流の流れ方向１１
に突延したものに限定されるものではなく、尖頭
部２７を熱気流の流れ方向１１とは反対方向に突
延させてもよく、この実施例を第２実施例として
第６図に示す。第６図に示した実施例でも第４図
と第５図とに示した実施例とほぼ同一の作用効果
が得られるが、第７図に示すように、注入した冷
気流に生ずる渦流３２，３３は互いに反対方向に
回流するのみならず、対応する熱気流の渦流１
８，１９とも反対方向に回流する。この第２実施
例では、注入路１３の吹き出し口近傍にて冷気流
が壁体１０の外表面から剥離するのを最少限にす
ることができ、それにより、膜流による外表面の
冷却作用を直ちに行なわせることができる利点が
ある。

第８図は、壁体１０の外表面において冷気流が
形成する冷気膜流の届く範囲、即ち、冷却範囲
を、従来例と本発明とについて示したものであ
る。第８図に示した本発明による注入路１３は第
４図と第５図に示した第１実施例のものであり、
従来例における注入路は、３５を以て示したよう
に円形断面を有するものである。而して、１つの
注入路から吹き出された冷気流が冷気膜流となつ
て到達する範囲は、本発明によるものでは３４を
以て、また、従来例によるものでは３６を以て示
した如くになり、本発明によるものでは従来例に
比べて広範囲にわたつて冷却しうるのは明らかで
ある。

本発明による注入路を備えた冷却装置と、従来
例における冷却装置とを用いて行なつた比較実験
の結果を第９図と第１０図に示す。尚、第９図と
第１０図に示したグラフを得るのに用いたパラメ
ータは下記の通りである。

Ｔ∞：熱気流の温度 Tw：熱気流に暴露した壁面の温度 Tc：気相冷媒の温度 η：冷気膜の冷却効率、即ち η＝Ｔ∞−Tw／Ｔ∞−Tc Ｍ：吹き出し速度、即ち Ｍ＝（ρV）ｃ／（ρV）∞ Ｖ∞：熱気流の速度 Vc：冷気噴流の速度 ρ：密度 ｘ：開口の縁から下流側への距離 ｄ：円形断面の注入路の直径 Ａ：等温線で囲まれた壁面面積 第９図に示したグラフは、従来例（円形断面の
注入路を用いたもの）、本発明の第１実施例（第
４図と第５図に示したもの）、および、本発明の
第２実施例（第６図と第７図に示したもの）にお
いて、流れ面積を同一とし、比ｘ／ｄについて中
心線における冷気膜流による相対冷却効率をプロ
ツトしたものである。このグラフから、比ｘ／ｄ
がどんな値をとるにしても、本発明による装置の
方が、従来例に比べて冷却効率が大きいのは明ら
かである。

尚、第９図のグラフにおいて、比ｘ／ｄが４以
下の場合、本発明の第１実施例と従来例とにおい
ては冷却効率が下降するのに対し、本発明の第２
実施例においてはそれが上昇している。特に、第
２実施例による冷却装置の冷却効率は、比ｘ／ｄ
が2.5以下の時に著しく上昇しているのが、曲線
３８の部分４０で示すようにはつきりしている。
これは、吹き出し口における冷気流の剥離現象が
ほとんどなくなつたからである。

第１０図のグラフにおける曲線４１，４２，４
３は、従来例、本発明の第２実施例、本発明の第
１実施例について、夫々の等温面積に対する冷気
膜流の到達範囲をプロツトして得たものである。
曲線４１，４２，４３の比較から明らかなよう
に、本発明によるものの方が、従来例よりも優れ
ているのは明らかである。

尚、第９図と第１０図のグラフに示した結果
は、吹き出し速度Ｍを1.25に設定した時に得られ
た。本発明によつて形状が定められた注入路は、
吹き出し速度Ｍが1.25に限つて効果を発揮すると
は限らず、通常、タービン翼や燃焼装置の壁体を
冷気膜流によつて冷却するのによく用いられてい
る0.2〜2.1の吹き出し速度の範囲内なら、効果を
発揮することが確かめられた。もつとも、この範
囲外の吹き出し速度にあつても効果を発揮するこ
とができる。

発明の効果 以上説明したように、本発明においては、冷気
流注入路の一部位を、それを断面形状から見て、
冷気流の流れと直交する方向に突延する尖頭体を
設けたから、冷気膜流による冷却効率を向上させ
ることができる。特に、尖頭体を熱気流の流れ方
向に対して下流側に位置決めした場合、即ち、熱
気流の流れ方向とは反対方向に向かうようにした
場合では、冷却効果の向上のみならず、壁面に対
する冷気流の剥離現象をもほぼ除去できる利点が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来例における冷気膜流による冷却
装置の概略縦断面図、第２図は、第１図の装置の
横断面図、第３図は、タービン翼に適用した場合
での従来の冷却装置の概略断面図、第４図は、本
発明の第１実施例による冷却装置を示す平面図、
第５図は、第４図における線５−５に沿う横断面
図、第６図は、本発明の第２実施例による冷却装
置を示す平面図、第７図は、第６図における線７
−７に沿う横断面図、第８図は、本発明と従来例
による冷却装置による冷気膜流の広がりを示す概
略平面図、第９図は、本発明と従来例による冷却
装置の冷却効率を示す比較グラフ、第１０図は、
同じく、膜流の到達範囲を示す比較グラフであ
る。 １０……壁体、１３……冷気流注入路、２７…
…尖頭部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 物体の表面に沿つて第１方向に熱気流が流れ
   ているところへ冷気流を注入することによつて前
   記熱気流と前記表面との間に、表面を冷却する冷
   気膜流を形成するように構成した装置であつて、
   前記表面を備えた前記物体に前記第１方向に向か
   つて表面に対して鋭角をなして延在する冷気流注
   入路を少なくとも１つ形成し、該冷気流注入路
   に、熱気流から保護すべき前記表面と共面関係に
   あり、しかも、前記第１方向とほぼ平行な中心線
   に対して対称をなす尖頭体を設けたことを特徴と
   する表面冷却装置。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載のものであつ
   て、前記冷気流注入路の断面形状が、前記尖頭体
   の部分を除いて、ほぼ円形であること。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載のものであつ
   て、前記尖頭体の長さが前記冷気流注入路の長さ
   とほぼ等しいこと。 ４ 特許請求の範囲第１項に記載のものであつ
   て、前記熱気流への前記冷気流の注入が、0.2か
   ら2.1の範囲内の吹き込み率で行なわれること。 ５ 特許請求の範囲第１項に記載のものであつ
   て、前記尖頭体は前記第１方向に沿つて突出して
   いること。 ６ 特許請求の範囲第１項に記載のものであつ
   て、前記尖頭体は前記第１方向とは反対の方向に
   突出していること。 ７ 特許請求の範囲第１項に記載のものであつ
   て、前記尖頭体と対向する個所において、前記冷
   気流注入路に平坦表面部が形成されていること。 ８ 特許請求の範囲第７項に記載のものであつ
   て、前記尖頭体を形成している一対の弧状部は前
   記平坦表面部と連なつていること。 ９ 特許請求の範囲第８項に記載のものであつ
   て、前記尖頭体は前記冷気流注入路の高さの少な
   くとも半分を占めているとともに、尖端が平坦に
   なつていること。 １０ 物体の表面に沿つて熱気流が流れていると
   ころへ気相冷媒を注入することによつて前記熱気
   流と前記表面との間に気相冷媒の膜流を形成し
   て、前記膜流の流れ方向からみて下流側において
   前記膜流を以て前記表面を熱気流より保護する装
   置であつて、 供給口と吹き出し口とを備え、かつ、高さと幅
   とを有する気相冷媒注入路と、 前記熱気流の流れ方向と平行して前記気相冷媒
   注入路に突出するように前記物体に設けられてい
   るとともに、曲線状縁部を備え、前記熱気流の流
   れ方向に対して対称形をなす尖頭体と、 気相冷媒の供給源と、 該供給源から気相冷媒注入路の前記供給口へと
   前記気相冷媒を供給して、前記吹き出し口から熱
   気流と表面との間に注入する手段とからなり、 前記気相冷媒注入路が下流側に向かつて前記表
   面と鋭角をなすように傾斜して前記物体を貫通し
   て形成されていることを特徴とする表面冷却装
   置。 １１ 特許請求の範囲第１０項に記載のものであ
   つて、前記尖頭体は、前記気相冷媒注入路の高さ
   の少なくとも半分にわたつて突出していること。 １２ 特許請求の範囲第１０項に記載のものであ
   つて、前記尖頭体が、前記物体の厚さとほぼ等し
   い長さを有する峰状を呈していること。 １３ 特許請求の範囲第１２項に記載のものであ
   つて、前記尖頭体の突出する方向が上流側である
   こと。 １４ 特許請求の範囲第１２項に記載のものであ
   つて、前記尖頭体の突出する方向が下流側である
   こと。 １５ 特許請求の範囲第１０項に記載のものであ
   つて、前記尖頭体の尖端が平坦になつているこ
   と。