JPS6146642B2 - - Google Patents

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JPS6146642B2
JPS6146642B2 JP52094914A JP9491477A JPS6146642B2 JP S6146642 B2 JPS6146642 B2 JP S6146642B2 JP 52094914 A JP52094914 A JP 52094914A JP 9491477 A JP9491477 A JP 9491477A JP S6146642 B2 JPS6146642 B2 JP S6146642B2
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cooling
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    • F01D5/189—Convection cooling with an insert in the blade cavity to guide the cooling fluid, e.g. forming a separation wall the insert having a tubular cross-section, e.g. airfoil shape
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は冷却可能な壁要素に係り、更に詳細に
は衝突冷却技術と発散冷却技術とを組合せる冷却
可能な壁要素に係る。
ガスタービンエンジンの如き高温機械に於る制
限フアクタは個々の構成要素の耐久性を不当に短
くすることなく機械内に於て許容される作動媒体
ガスの最大温度である。特にガスタービンエンジ
ン内に於ては、タービンのロータブレード及びノ
ズルガイドベーンは熱損傷を受けやすく、多種多
様の技術により冷却される。殆んど全ての周知技
術は圧縮機より流出され且つ適当な導管装置を経
て冷却されるべき局部領域へ流される空気を利用
している。
過去に於て提案されまた現在も提案されている
冷却技術は依然として冷却空気の消費量を低減す
ること及び冷却効率を改善することに重きを置い
ている。衝突冷却が効率的に冷却空気を使用する
最も効果的な技術の内の一つであることが知られ
ている。衝突冷却に於ては空気の高速流が冷却さ
れるべき構成要素に衝突するよう導かれる。高速
流は構成要素の表面上に衝突し構成要素と冷却空
気との間の熱移動速度を増大する。衝突冷却の代
表的な適用例が米国特許第3628880号に開示され
ている。上述の特許に於ては冷却空気供給源と冷
却されるべき構成要素との間に介在配置されたそ
らせ板が示されている。各プレート内のオリフイ
スがエンジンの作動中に冷却空気のジエツトをそ
らせ板と冷却される構成要素との間の中間空間を
横切つて導く。それぞれのプレートを横切る圧力
比は、流れが冷却されるべき構成要素の対向表面
上に衝突する速度にまでプレートを貫通して流れ
る冷却空気を加速せしめるに十分なほど高い。冷
却空気は空間内の背圧が上昇するのを阻止すべく
プレートと対向面との間の中間空間より高速度に
て排出される。上述の米国特許に於ては、衝突流
を排出するためにフイルムクーリング通路が使用
されている。
非常に効果的ではあるが広範には使用されてい
ない第二の技術は発散冷却技術である。冷却媒体
は冷却されるべく構成要素の壁部内の多数の小孔
を経て低速度にて流出せしめられる。かかる低速
流は構成要素の外面に付着し該構成要素を熱源よ
り隔離する。発散冷却に於ては、冷却空気が作動
媒体ガス内に過剰に貫通するのを阻止するために
流出速度は低い値に維持される。冷却空気が作動
媒体ガス中に過剰に貫流することにより冷却流体
の構成要素への付着が阻止され且つ作動媒体ガス
の流れが遮れる。発散冷却のタービンベーンへの
一つの代表的な適用例が米国特許第3706506号に
開示されている。上述の特許に於てはブレードの
弦を横切る温度勾配及び圧力勾配を受入れるべく
該弦を横切つて形成された複数個の冷却流体チヤ
ンネルが開示されている。冷却空気はベーンセク
シヨンのベースに於る計量プレートを経て各チヤ
ンネルへ流される。発散冷却される多くの実施例
に於ては冷却される壁部を横切る好しい圧力比は
約1.25である。発散冷却構造の効果は冷却される
べき表面を横切る設計圧力比からの変化量に非常
に敏感であり、従つてかかる圧力比は精密に制御
されねばならない。衝突冷却及び発散冷却が米国
特許第3726604号に於て一つのベーンセクシヨン
内に組込まれている。衝突冷却はベーンセクシヨ
ンのリーテイングエツジに適用されており発散冷
却が吸入壁及び圧力壁に適用されているが、この
二つの冷却技術はベーン壁の共通の部分を冷却す
る際に互いに他を補償するよう同時には適用され
ていない。
上述のそれぞれの冷却技術は種々の機械構成要
素の寿命を延ばすのに有効である。しかしより耐
久性がありより高い性能を有する機械に対する必
要性は残つている。より少量の空気にて冷却する
より効果的な技術が今も尚希求されている。
本発明の主要な目的は、高温機械に於て使用す
る冷却可能な壁要素を提供することである。幾何
学的に適用し得る壁構造体内に於て所要の温度制
御を行うために冷却媒体を賢明に配分することも
同時に達成すべき目的である。一方の実施例に於
ては一つの特定の目的は壁部を横切る差圧の関数
として衝突冷却と発散冷却との比率を効果的に変
化することである。
本発明によれば発散冷却技術と衝突冷却技術と
は、使用中には優勢な熱源に対向し且つその中に
複数個の発散小孔を配置された第一のプレートと
使用中には冷却媒体供給源に対向し且つその中に
複数個の衝突オリフイスを配置された第二のプレ
ートとの間に形成された複数個の室を有する冷却
可能な壁要素内に組込まれ、それぞれの室へ通じ
る衝突オリフイスの全面積に対する各室より通じ
る発散小孔の全面積の比は、第４図の曲線により
示されている如く壁要素を横切る圧力比の関数で
ある。
本発明の主要な特徴には第一のプレート内の発
散小孔と第二のプレート内の衝突オリフイスとが
含まれている。第二のプレートのオリフイスは使
用中にこれを通つて流れる冷却媒体を強制的に室
を横切つて導き且つこの媒体を前記第一のプレー
ト上に衝突せしめるに十分な速度にまで加速す
る。第一のプレートの小孔は流出する冷却媒体が
前記第一のプレートに近接して付着し得るに十分
なほど低い速度にて前記第一のプレートを貫通し
て冷却媒体を導く。第一のプレートの小孔及び第
二のプレートのオリフイスは複数個の隣接する室
により連通的に接続されている。各室へ通じる衝
突オリフイスに対する各室より通じる発散小孔の
全流れ面積の比は第４図の曲線より図示されてい
る如く壁部を横切る圧力比に関数的に関係付けら
れている。
本発明の主要な利点は、発散冷却技術と衝突冷
却技術との組合せにより与えられる如き効果的な
冷却である。更に広範な機械用途に於る物理的要
件に対してこの冷却構造が幾可学的に適用可能で
あることが一つの利点である。衝突冷却と発散冷
却との間の平衝が壁部を横切る所期の局部圧力比
に応じて変化されるので、冷却空気は冷却効果を
高めるべく冷却構造体内に於て賢明に使用され
る。
以下に添付の図を参照しつつ、本発明をその好
しい実施例について詳細に説明する。
第１図に本発明による冷却可能な壁要素の一つ
の実施例が図示されている。冷却可能な壁要素１
０は多数の発散小孔１４を穿孔された第一のプレ
ート部材１２と多数の衝突オリフイス１８を穿孔
された第二のプレート部材１６とにより形成され
ている。第一及び第二のプレート部材は第２図か
らもわかる如く、第一のプレート部材より延びる
一体的に形成されたリブ２０の如き分割装置によ
り分離されている。このリブ２０は付帯的にプレ
ート部材の間に複数個の室２２を形成している。
使用に於ては、第二のプレート部材１６は冷却
空気供給装置に対向し、第一のプレート部材は優
勢な熱源に対向する。冷却可能な壁要素１０は冷
却空気の流れがこれを横切つて第二のプレート部
材のオリフイス１８より室２２を横切つて第一の
プレート部材の小孔１４を通つて流れるよう構成
されている。第二のプレート部材１６のオリフイ
ス１８は、使用中に供給装置からの冷却空気を該
冷却空気がそれぞれの室を横切つて対向する第一
のプレート部材に衝突せしめられるに十分な速度
まで加速しうるような寸法とされている。第一の
プレート部材１２の小孔１４は使用中に流出する
流れを第一のプレート部材に近接して付着せしめ
るに十分なほど低い速度にてそれぞれの室からの
空気を第一のプレート部材を横切つて流し得るよ
うな寸法とされている。本明細書の従来技術の説
明に於て述べた如く、それぞれ発散冷却及び衝突
冷却を行う小孔及びオリフイスの正確な寸法は、
主にそれぞれのプレート部材を横切る差圧及びプ
レート部材間の間隔次第である。衝突冷却及び発
散散冷却はそれぞれ周知の技術であり、従つてか
かる機能を達成するに必要な寸法要件は本発明の
概念の要部をなすものではない。
本明細書に開示された一つの実施例に於る衝突
冷却技術と発散冷却技術との最も効果的な組合せ
は、衝突オリフイス１８を通る全流れ面積ＡIに
対する発散小孔１４を通る全流れ面積ＡTの比Ａ
T／ＡI次第である。更にかかる臨界的な比は圧力
比ＰS／ＰD（ここにＰSは衝突オリフイスへの供
給圧力であり、ＰDは流れが発散小孔より流出さ
れる放出圧力である）に応じて変化する。試験デ
ータの解析及び解釈により圧力比に対する面積比
の関係を示す第４図の曲線が得られた。
面積比ＡT／ＡI変化することにより発散冷却に
対する衝突冷却の割合が変化する。低圧力比Ｐ
S／ＰDに於ては、第４図の曲線より衝突冷却に対
する発散冷却の比が大きいことが望いしことがわ
かる。かかる状況に於る発散冷却により、十分な
冷却を行うために最小の冷却空気を最大限に利用
することができる。例えば1.02の圧力比に対する
好しい面積比ＡT／ＡIはほぼ0.5である。
同様に高圧力比ＰS／ＰDに於ては、第４図の曲
線より発散冷却に対する衝突冷却の比が大きいこ
とが望しいことがかる。かかる状況に於る衝突冷
却により、十分な冷却を行うために最小の冷却空
気を最大限に利用することができる。例えば1.6
の圧力比ＰS／ＰDに対する好しい面積比ＡT／ＡI
は約3.05である。
第４図に於ける圧力比ＰS／ＰDと面積比ＡT／
ＡIの関係は図より分る通り概略以下の通りであ
る。
ＰS／ＰD ＡT／ＡI 1.1 1.1 1.2 1.7 1.4 2.5 1.6 3.1 1.8 3.6 2.0 4.1 勿論当業者には第４図の曲線により明示された
値に近い面積比によつても同様の冷却が得られる
ことが理解されよう。
図示の実施例に於ては、ここに開示された本発
明の概念は壁に沿つた物理的位置と共に変化する
差圧を該壁を横切つて課する環境に於て使用され
る冷却可能な壁要素に適用されている。第１図に
図示されている如く、複数個の室は壁を横切る流
れを個々に制御可能な領域内に隔離することによ
り壁の位置に応じて面積比ＡT／ＡIが変化するの
を可能にしている。
第１図及び第２図に図示された冷却可能な壁要
素は幾可学的には広範な機械構成要素に適用可能
である。第３図に断面にて図示されたブレード２
４は冷却可能な壁要素に適用され得る構成要素の
一つの例である。冷却空気は供給圧力ＰSにてブ
レード２４の内部キヤビテイ２６へ流れ衝突オリ
フイス２８を経て室３０を横切り発散小孔３２を
経て放出圧力ＰD（ブレードのリーテイングエツ
ジ３４によりトレーリングエツジ３６迄ブレード
壁に沿つて大きく減少する）にて放出することが
できる。図示の複数個の室は第４図の曲線に応じ
て面積比ＡT／ＡIが変化し得るよう冷却壁の局部
領域を隔離している。ガスタービンエンジンに於
るブレードプラツトホーム及び流路壁に本発明を
同様に適用することは他の比較し得る構造体同様
本明細書に於て開示された本発明の概念の範疇に
属するものである。
以上に於ては本発明をその特定の実施例につい
て詳細に説明したが本発明はかかる実施例に限定
されるものではなく、本発明の範囲内にて種々の
修正並びに省略が可能であることは当業者にとつ
て明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は冷却可能な壁要素内に収納された複数
個の室を示すために破断された部分を含む冷却可
能な壁要素の解図である。第２図は第１図の線
−による断面図である。第３図はブレードに使
用するよう構成された如き冷却可能な壁要素を示
すガスタービンエンジンのブレードの断面図であ
る。第４図は各室への供給オリフイスと各室から
の放出小孔との間の好しい面積比を冷却可能な壁
要素を横切る圧力比の関数として示す曲線であ
る。 １０〜冷却可能な壁要素、１２〜第一のプレー
ト部材、１４〜発散小孔、１６〜第二のプレート
部材、１８〜衝突オリフイス、２０〜リブ、２２
〜室、２４〜ブレード、２６〜キヤビテイ、２８
〜衝突オリフイス、３０〜室、３２〜発散小孔、
３４〜リーテイングエツジ、３６〜トレーリング
エツジ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ その壁面に沿つた位置に応じて実質的に異な
    る差圧がその両側に課せられた状態に於て衝突冷
    却と発散冷却の両者によつて冷却されるよう構成
    された冷却可能な壁要素にして、複数個の貫通し
    た小孔を有する第一のプレート部材と、複数個の
    貫通したオリフイスを有する第二のプレート部材
    とを含み、前記第一及び第二のプレート部材はそ
    れらの間に複数個の室を形成するよう互に他に対
    して作動的に配置されており、前記壁要素の一方
    の側から前記第二のプレート部材の前記オリフイ
    スを通つて前記室内へ流入した空気がこれより前
    記第一のプレート部材の前記小孔を経て前記壁要
    素の他方の側へ流出するようになつており、前記
    室の各々について該室に開口する前記オリフイス
    の開口面積の和（ＡI）に対する該室に開口する
    前記小孔の開口面積の和（ＡT）の比は該室に対
    応する前記他方の側に於ける空気圧（ＰD）に対
    する該室に対応する前記一方の側に於ける空気圧
    （ＰS）の比の増減に対応して以下の如き対応関
    係、即ち ＰS／ＰD ＡT／ＡI 1.1 1.1 1.2 1.7 1.4 2.5 1.6 3.1 1.8 3.6 2.0 4.1 にて増減するように定められていることを特徴と
    する冷却可能な壁要素。 ２ 特許請求の範囲第１項の冷却可能な壁要素に
    して、該壁要素はガスタービンエンジンに於て使
    用される型のブレード２４の壁部の少なくとも一
    部を構成する如き形状とされていることを特徴と
    する冷却可能な壁要素。
JP9491477A 1976-08-11 1977-08-08 Wall element capable of being cooled Granted JPS5321315A (en)

Applications Claiming Priority (1)

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US05/713,739 US4118146A (en) 1976-08-11 1976-08-11 Coolable wall

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JPS5321315A JPS5321315A (en) 1978-02-27
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US (1) US4118146A (ja)
JP (1) JPS5321315A (ja)
AU (1) AU506194B2 (ja)
BE (1) BE857643A (ja)
BR (1) BR7705302A (ja)
CA (1) CA1069829A (ja)
CH (1) CH617749A5 (ja)
DE (1) DE2735708A1 (ja)
FR (1) FR2361529A1 (ja)
GB (1) GB1537447A (ja)
IL (1) IL52635A (ja)
IT (1) IT1080695B (ja)
NL (1) NL7708632A (ja)
NO (1) NO772768L (ja)
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