JPS61187501A - 流体冷却構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は流体冷却構造に係り、特に、ガスタービンの高
温部品の内部冷却に好適な冷却構造に関する。

〔発明の背景〕

高温部品の表面を低温の冷却流体により冷却する方法と
して１強制対流冷却やインピンジメント冷却が広く用い
られている。強制対流冷却では被冷却面とそれより離し
て置かれた対向面との間に冷却流路を形成し、冷却流路
の一端から冷却流体を供給する構成がとられる。冷却流
体は被冷却面と平行に流れ、被冷却面近傍に形成される
薄い境界層流れ部分での活発な対流熱伝達現象により、
被冷却面を効果的に冷却することができる。また、イン
ピンジメント冷却では被冷却面とそれより離して置かれ
た多孔板状の対向面との間に冷却流路を形成し、被冷却
面と反対側の多孔板外部から冷却流体を冷却流路内へ供
給する構成がとられる。

この場合、冷却流体は多孔板の噴出孔を通る際に加速さ
れて高速な噴流となって被冷却面に衝突し、噴流のよど
み点付近で直角に偏向させられて周囲の被冷却面上に放
射状の壁噴流を形成する。この壁噴流はよどみ点付近で
は高速で薄い層状であるため、被冷却面に作られる境界
層流れ部分での熱伝達現象は活発であり１強制対流冷却
と同等かそれ以上の冷却作用を行わせることが出来る。

強制対流冷却およびインピンジメント冷却の冷却作用を
さらに増大させるため、被冷却面を粗面化（冷却流体の
境界層厚さと同程度か数十倍程度の高さの低い小突起を
設Ｗ）することや、被冷却面上、または、対向面上に冷
却流体の流れの乱れ促進や整流、または、伝熱面積増加
作用を行う要ｌ／４（冷却流体の境界層厚さの数十倍程
度から冷却流路の高さまでの柱状・板状の大突起）を設
置することが行われている。前者では、低い小突起によ
り境界層内および一部層外の流れが乱されるため、主に
境界層内で厚さ方向の流体粒子の交換が盛んになり、そ
の結果、流体粒子の持つ熱量の移動、すなわち、熱伝達
現象が活発になって冷却作用が増大する。また、後者で
は、大突起は設置されている面上の境界層からかなり、
突出しているため、境界層外の主流にまで影響を及ぼす
。被冷却面、または、対向面上に冷却流体の主流と直・
交または斜めにａｉｔされた板状の大突起や適当な間隔
を置いて設置された柱状の大突起は、境界層のはく離・
再付着や主流の患部・減速を引起こし。

その過程で発生する主流と境界層とが連成した大きな乱
れにより、境界層内だけでなく外部との流体粒子の交換
が盛んになることで（乱れ促進要素）熱伝達現象の活発
化、すなわち、冷却作用の増大をもたらす。被冷却面、
または、対向面上に冷却流体の主流と平行かそれに近い
角度で設置された板状の大突起は、不必要な主流の偏り
や乱れの発生を防止したり（整流要素）、被冷却面上、
ある場合には、冷却流体と接触する面積が増えることに
より（伝熱面積増加要素）、熱伝達現象の活発化、すな
わち、冷却作用の増大をもたらす。しかし、このような
小突起や大突起を単独で用いた場合、小突起だけでは冷
却作用の増大効果には限度があり（突起の高さを増せば
大突起の作用に近づく）、また、大突起でも突起が高い
か大きい場合には流動抵抗が急増するため冷却作用の増
大効果は頭打ちになる傾向にある。

以上のような欠点を解消する冷却構造として。

Ｐｒｏｃｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　　’８２　ＡＳＭＥ−Ｊ
ＳＭＥ　ＴｈｅｒｍａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏ
ｎｆｓｒｅｎｃｅにおけるＭｅｔｚｇａｒ＋　Ｆａｎ及
びＰｅｎｎｉｎｇｔｏｎによる“Ｈｅａｔ　Ｔｒａｎｓ
ｆｅｒ　ａｎｄ　ＦｌｏｗＦｒｉｃｔｉｏｎ　　Ｃｈａ
ｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　　ｏｆ　　Ｖｓｒｙ　　Ｒ
ｏｕｇｈＴｒａｎｓｖｓｒｓｓ　　Ｒｌｂｂｇｄ　　５
ｕｒｆａｃｅｓ　　ｔｚｉｔｈ　　ａｎｄ　　ｗｉｔｈ
ｏｕｔＰｉｎ　Ｆｉｎｓ’″と題する文献において１強
制対流冷却で流れと直交する板状の小突起（横リブ）と
冷却流路を貫通する柱状の大突起（ピンフィン）とを組
合せて設置した例が報告されているにの報告によると、
上述の種類の大・小突起の組合せでも大・小突起単独の
場合より冷却作用がかなり増大する結果が得られている
が、同時に流動抵抗もそれ以上の割合で増加している。

従って、このような種類の大・小突起の組合せによって
も大・小突起単独での冷却作用の増大効果が頭打ちにな
る傾向が十分に改善されたとはいえない。

また特開昭５２−７７９１４号、特開昭５８−１９７４
０２号公報に示されるように、インピンジメント冷却に
も柱状・板状の大突起を設置して冷却作用の増大を意図
したものが知られているが、突起は主に整流伝熱面積増
加要素として利用されているだけで十分に冷却作用の増
大をもたらしているとはいえない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は１強制対流冷却、または、インピンジメ
ント冷却において冷却作用が大きく、流動抵抗も比較的
小さいような大・７４％突起を組合せ使用した流体冷却
構造を提供することにある。

【発明の概要〕 本発明の特徴は、被冷却面とこの被冷却面から隔置され
た対向面と被冷却面及び対向面の間に形成される冷却流
路とから成り、被冷却面に平行（強制対流冷却に相当）
または衝突（インピンジメント冷却に相当）して流れる
ように冷却流路内に冷却流体を供給して被冷却面の冷却
を行うものにおいて、被冷却面上に冷却流路の高さより
かなり低い柱状の小突起を設置（粗面化に相当）し、さ
らに突起と組合せて、被冷却面上に小突起と対向面との
中間の高さないしは冷却流路を貫通する柱状の大突起か
、または対向面上に被冷却面までの中間の高さの柱状ま
たは板状の大突起を設置したことにある。このような構
造のうち被冷却面上に柱状の大・小突起を設置した場合
には、柱状の小突起周囲の境界層は三次元的で微小な乱
れが流れのはく離をそれ程引起こさずに与えられるため
。

柱状の大突起が主流を乱すことで生じた境界層内外の流
体粒子の交換が境界層内の微小な乱れと効果的に干渉し
合って熱伝達現象を活発化するだけでなく最初の公知例
のように熱伝達の増大に伴う流動損失の急増を起こすこ
とがない。また、被冷却面上に柱状の小突起、対向面上
に柱状または板状の大突起を設置した場合、大突起が柱
状か主流に直交または斜めに設置された板状ならば、大
突起は主流を乱すとともに被冷却面上に偏らせる作用を
し、また、大突起が主流に平行、または、それに近い角
度で設置された板状であれば、主流の整流や主流と噴流
との不必要な干渉を防ぐ（インピンジメント冷却の場合
）などの作用をする。そしてこれらが被冷却面上の柱状
の小突起の作用と上記の例と同様な理由で有効に干渉し
合い、流動損失をそれ程増加させずに効果的に熱伝達を
増大させることができる。

本発明の流体冷却構造は、特に、ガスタービンの高温部
品の冷却に有用である。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例を第１図および第２図に示す。

これは被冷却面上にともに柱状の大・小突起を組合せて
設置した場合で、強制対流冷却に適用したものである。

被冷却面１とそれより離して置かれた対向面２との間に
冷却流路３が形成されており、冷却流体４は冷却流路３
の一端から供給される。　　。

被冷却面１上には冷却流路３の高さよりかなり低い柱状
の小突起５が密に設置され、冷却流路３を貫通する柱状
の大突起６も適当な間隔を置いて設置されている。冷却
流体４の主流は柱状の大突起６の前後で急却・減速され
、主流と境界層７とが連成した大きな乱れが発生するた
め、境界層７内外の流体粒子の交換が盛んになる。一方
、柱状の小突起５の周囲でも、冷却流体４の境界層７内
の流れに急却・減速に伴う微小な乱れが与えられるが、
この乱れは三次元的ではく離をそれ程引起こさない性質
を持っている。従って、このような境界層７内の微小乱
れに柱状の大突起６による大きな乱れが重畳した場合、
境界層７内と境界層７内外との流体粒子の交換が効果的
に干渉し合って熱伝達現象を活発化させるだけでなく、
大きな乱れから二次的に境界層７のはく離が誘導される
ことが少ないため、流動損失は大・小突起が単独に設置
された場合の合計値よりそれ程大きくならない。

第３図および第４図に、従来技術の冷却構造として最初
の公知例に報告されたものを示す。この例と上記の発明
の一実施例とでは、小突起が柱状から板状に置換えられ
た点が異なっている。板状の小突起８による冷却作用の
増大は、板状の小突起８の頭部ではく離した境界層７の
流れが、下流の小突起の手前に再付着する過程の小さな
乱れにより引起こされ、その際、板状の小突起８の背後
にはく離域９を生じるため流動損失は増加しやすい傾向
をもつ。従って、柱状の大突起６による冷却流体４の主
流と境界層７が連成した大きな乱れが境界層７内の小さ
な乱れに重畳した場合、両方の乱れによる流体粒子の交
換が干渉し合って熱伝達現象を活発化するがそれととも
に大きな乱れから境界層７のはく離が二次的に誘導され
やすいため、流動損失が大・小突起単独の場合の合計値
よりかなり大きくなる欠点がある。

第５図ないし第７図は、強制対流冷却において被冷却面
上に柱状の小突起、対向面に柱状（第５図）・板状（第
６図）・分割板状（第７図）の大突起をそれぞれ設置し
た本発明の第二ないし第四の実施例を示している。各図
の（ａ）は横断面図、（ｂ）は上流からの断面図である
。被冷却面１上の柱状の小突起５の作用は発明の一実施
例と同様であるが、対向面２上の柱状・板状の大突起６
・１０の作用は次のようになる。密に配列された柱状の
大突起６や主流に直交または斜めに設置された連続片・
分割片の板状の大突起１０に冷却流体４の主流が衝突す
ると、第５図・第７図の実施例において隣り合う大突起
間を急却・減速されて流れる主流の一部により乱れが形
成され、さらに各実施例に共通する大突起の頭部を越え
て流れる主流の一部により乱れと主流の被冷却面１への
偏流が形成される。従って、大突起により冷却流体４の
主流の乱れと被冷却面１への偏流が発生し、これらによ
る境界層内外の流体粒子の交換が被冷却面１上の柱状の
小突起５による境界層７内の流体粒子の交換と効果的に
干渉し合い、結果として流動損失をそれ程増加させるこ
となく冷却効果をあげることができる。

第８図・第９図にインピンジメント冷却に適用した本発
明の第五、第六の実施例を示す。第８図は大突起が対向
面上に流れと平行とそれに近い角度で設置された場合で
あり、第９図は大突起が被冷却面上のインピンジメント
噴流のよどみ点周囲を除く範囲に設置された場合である
。両図の（ａ）は横断面図、第８図（ｂ）は上流からの
断面図。

第９図（ｂ）は平面図である。これらの場合、対向面は
多孔板１１となり、冷却流体４は多孔板１１上の噴出孔
１２から被冷却面１に衝突するように流される６第８図
の実施例では、被冷却面１上に達したインビンジメント
噴流はよどみ点周囲で垂直に偏向させられて放射状の壁
噴流となるが、被冷却面１上に設置された柱状の小突起
５により、既に説明したように、境界層内の熱伝達が活
発化される。多孔板１１上に設置した流れと平行、また
は、それに近い角度の板状の大突起１０は、横方向に隣
り合うインビンジメント噴流どおしの必要以上の干渉を
防ぐとともに、壁噴流が減速・はく離して形成される排
出流１３を整流し、全体の冷却作用を損なうことなく流
動抵抗を低下させる。

第９図の実施例では、インピンジメント噴流のよどみ点
周囲を除く領域に設置された柱状の大突起６により、よ
どみ点から放射状に流出して減速された壁噴流が加速・
乱されて熱伝達が活発化し。

これに柱状の小突起５の効果が加算されるため、全体の
冷却作用が増大する。また、この図のような位置に設置
された柱状の大突起６で発生される乱れによる流動抵抗
の増加は、全体の流動抵抗に比べて十分水さいことが知
られている。

第１０図に本発明の第一および第六の実施例をガスター
ビン翼の内部冷却に適用した例を示す。

この場合、被冷却面は翼内面１４であり、多孔板はイン
サートコア１５である。翼前半には発明の第六の実施例
（第９図）が適用され、翼後半には発明の第一の実施例
が適用されている。１２は噴出口である。

（発明の効果〕 本発明によれば１強制対流冷却またはインピンジメント
冷却において、冷却作用が大きいばかりでなく流動抵抗
も比較的小さい優れた冷却性能を実現することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の流体冷却構造の斜視図、第
２図はｆＪ１図を拡大した横断面図、第３図は従来の流
体冷却構造の斜視図、第４図は第３図の拡大した横断面
図、第５図ないし第８図は本発明の第二ないし第五の実
施例を示す流体冷却構造であって、それぞれ（ａ）は横
断面図、（ｂ）は上流からの断面図を示し、第９図は本
発明の第六の実施例の流体冷却構造で、（ａ）は横断面
図、（ｂ）は平面図、第１０図は本発明の第一および第
六の実施例をガスタービンの冷却翼に適用した場合の断
面図である。 １・・・被冷却面、２・・・対向面、３・・・冷却流路
、４・・・冷却流体、５・・・柱状の小突起、６・・・
柱状の大突起、７・・・境界層、８・・・板状の小突起
、１０・・・板状の大突起、１１・・・多孔板、１２・
・・噴出孔、１３・・・排出流。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、被冷却面とこの被冷却面から隔置された対向面と前
   記被冷却面及び前記対向面の間に形成される冷却流路と
   から成り、前記被冷却面に平行または衝突して流れるよ
   うに冷却流路内に冷却流体を供給して前記被冷却面の冷
   却を行うものにおいて、前記被冷却面上に前記冷却流路
   の高さよりかなり低い柱状の小突起を設置し、前記該小
   突起と組合せて、前記被冷却面上に前記小突起と前記対
   向面との中間の高さないしは前記冷却流路を貫通する柱
   状の大突起か、または前記対向面上に前記被冷却面まで
   の中間の高さの柱状ないし板状の大突起を設置したこと
   を特徴とする流体冷却構造。