JPS63306204A - インピンジメント冷却装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はインピンジメント冷却装置に係り、特にガスタ
ービンの高温部品の内部冷却に適用するために有効な冷
却構造に関する。

〔従来の技術〕

ガスタービン翼などの外表面が高温ガスにさらされる部
品を、内部に低温の冷却流体を導入して効果的に冷却す
る方法として、インピンジメント冷却構造が広く採用さ
れている。これは、部品を中空化し、多数の噴出孔を側
面に加工した板金製の冷却中子をその内部に間隔をおい
て配置する基本構造をもっている。冷却空気を冷却中子
の内部から噴出孔を通って対向する内表面に高速の噴流
群として衝突し、内表面上のそれぞれの噴流のよどみ点
周囲に放射状の壁噴流を形成する。壁噴流は内表面の表
面付近の薄い層内を高速で流れるため、この方法では表
面での熱伝達率が比較的太きくなり高い冷却性能を達成
できる。また、噴出孔の配列密度や孔径を変更すること
により、内表面各部の熱伝達率分布や噴出孔での圧損な
どが比較的容易に調節可能で、いわゆる冷却性能の制御
性にも優れている。ガイタービンの高温部品のうち、タ
ービン翼に採用されるインピンジメント冷却構造として
は、翼前縁部のように被冷却表面が円筒面状の凹面で、
内部から円筒面の軸方向に並んだ一列の噴流群で冷却す
るもの（以下、凹面インピンジ）と、翼中央部のように
被冷却表面の平面が緩やかな曲面で、内部から格子状か
千鳥状に配列された噴流群で冷却するもの（以下、平面
インピンジ）との２種類がある。両者は噴流群の配列パ
ターンは異なるものの、壁噴流による被冷却表面の流動
・伝熱機構はほぼ同一である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このようなインピンジメント冷却構造は被冷却面が平滑
面の条件で用いられることが多いが、その場合には次の
ような欠点がある。被冷却表面上の壁噴流は、よどみ点
周囲では境界層が薄く流速も大きいため熱伝達率は高い
が、よどみ点から放射状に流出するにつれ減速して熱伝
達−率も低下し、よどみ点の中間領域では壁噴流どおし
が干渉しあって急減速・はく離するため熱伝達率はさら
に低下する傾向を示す。このような傾向をもつため、被
冷却表面上の熱伝達率は不均一な分布をもち、平均した
熱伝達率あるいは冷却性能はよどみ点周囲の極大値に比
べそれほど高くなっていないといえる。また、このよう
な欠点を被冷却表面を粗面化して改善するために特開昭
５２−７７９１４　、特開昭５８−１９７４０２号公報
に示されるような一種類の柱状または板状突起を設置す
る構造も実用化されている。このような構造では、突起
は主に整流・伝熱面積増加要素として壁噴流に作用し、
ある程度の冷却性能向上をもたらす。しかし、一種類の
突起だけでは上述のような壁噴流のよどみ点は中心とし
た流動・伝熱状態の微細な分布に対応するのは難しく、
冷却性能にはまだ改善の余地があった。

本発明の目的は、上記の従来技術による欠点を改め、壁
噴流の流動・伝熱状態の分布に適合した被冷却表面の粗
面化を行うことにより、冷却性能の高いインビンジメン
ト冷却構造を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、被冷却表面に次のような２種類の突起群を
設置することにより達成される。即ち、冷却流体の衝突
後の排出流とは垂直な方向に隣り合う噴流群のよどみ点
の中間に相当する被冷却表面の帯状領域に、冷却中子ま
での距離より低い高さで排出流の方向に延在する、連続
した板状または一列に並べられた短板または柱状の第１
の突起群を、さらに、排出流の方向に隣り合う噴流群の
よどみ点の中間であるとともに、第１の突起群の中間に
相当する被冷却表面の矩形領域に、冷却中子までの距離
よりも低い高さで排出流の方向に延在する、一枚以上の
短板状または一個以上の柱状の第２の突起群とを組合わ
せて設置してやればよい。

〔作用〕

これにより、まず第１の突起群が上記の帯状領域におい
て、壁噴流どおしの干渉を抑えて熱伝達率の低下を少な
くするとともに伝熱面積を増加させて、この領域の冷却
性能を改善する０次に第２の突起群が上記の矩形領域に
おいて、伝熱面積を増加させるとともに柱状突起では乱
れ促進効果による熱伝達率増加も加わって、この領域の
冷却性能を改善する。このように、２種類の突起群が壁
噴流の流動・伝熱状態の分布に対応して、設置されてお
り、熱伝達率の低い領域の性能向上が、効果的になされ
るため、冷却性能分布の不均一性および平均冷却性能を
従来よりも改善することができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつつ本発明の詳細な説明する。

第１図および第２図は本発明によるインピンジメント冷
却構造を平面インピンジに適用した例をそれぞれ示して
いる。これらは、第３図に示したガスタービン翼１２に
おいては、翼中央部１５の冷却構造に相当する。第１図
および第２図では、ガスタービン翼１２の内部に冷却中
子１３が配置されて冷却空気１１が糞中央部１５の内表
面に格子または千鳥状の噴流群として衝突する基本構造
を、部分的に拡大して示している。被冷却表面１上には
、対向する多孔板２に加工された噴出孔３から冷却空気
が噴出されて衝突し、壁噴流を形成する。第４図に示し
たように被冷却表面１が平滑な従来の冷却構造では、噴
出された冷却空気１１のよどみ点５の周囲は壁噴流が高
速で熱伝達率も高いが、衝突後の排出流４と垂直な方向
に隣り合うよどみ点の中間に相当する帯状領域６と、排
出流の方向に隣り合うよどみ点の中間に相当するととも
に帯状領域６の中間でもある矩形領域７とでは、壁噴流
が低速で互いに干渉しあうため熱伝達率は低い。そのた
め、被冷却表面１上に実現される冷却作用は不均一な分
布をもち、また表面全体の平均値はよどみ点での極大値
に比べそれ程高くなっていない、この欠点を改善するた
め、本発明の実施例である第１図および第２図の冷却構
造では、上記の帯状領域には連続する板状突起である第
１の突起群８が、さらに上記の矩形領域には一枚以上の
短板状（第１図）または二個以上の柱状（第２図）突起
である第２の突起群９，１０が設置されている。これら
の突起群によって、帯状領域では第１の突起群８が壁噴
流とおしの干渉を抑えながら伝熱面積を増加させるため
、また、矩形領域では第２の突起群９，１０が伝熱面積
を増加させる（９．１０の突起群とも）とともに乱れ促
進作用（主に１０の突起群による）を行うため、周領域
で熱伝達率を増加でき、冷却性能の不均一の解消と、可
均値の改善が効果的になされる。第５図に示した従来よ
り実施されていた帯状領域に第１の突起群８のみを設置
する例も含めて、各種の平面インピンジの平均冷却性能
を比較した実測結果を第６図に示す、グラフの縦・横軸
は噴出孔の直径を代表長さとして定義したヌツセルト数
とレイノルズ数で、無次元化された熱伝達率と流量とい
う物理的意味をもつ、このグラフより、本発明の２種の
突起群を設置することで、平面インピンジの冷却性能が
従来より大幅に改善されることがわかる。

第７図および第８図は本発明によるインピンジメント冷
却構造を凹面インピンジに適用した例を示す。この凹面
インピンジは、第３図のガスタービン翼１２においては
、翼前縁部１４の冷却構造に相当する。平面インピンジ
との違いは、冷却中子１７の側面の一列に加工された噴
出孔３から。

対向する円筒面状の被冷却表面１上に冷却流体１１が衝
突する、という形状・配置的なものである。冷却流体１
１により形成される壁噴流の流動・伝熱状態は、被冷却
表面１が平滑な従来の冷却構造の場合に示したように、
凹面の被冷却表面１上の図示の位置によどみ点５．帯状
領域６．矩形領域７および排出流４が形成されるほかは
、平面インピンジと同一である。第７図および第８図で
は、第１の突起群８として連続した板状突起を、第２の
突起群として短板状および柱状突起９゜１０をそれぞれ
設置している。各突起の作用も、前述の平面インピンジ
と同一である。

〔発明の効果〕

これらの本発明による凹面インピンジの冷却構造による
平均冷却性能の実測結果を、第９図、第１０図に示した
帯状領域に第１の突起群８のみを設置する従来例も含め
て、各種の冷却構造間で比較して第１１図に示す、グラ
フの縦・横軸のヌッセルト数・レイノルズ数の定義には
、噴出孔３の列と同一開口面積をもつスリット幅の２倍
の値を代表長さとして使っている。グラフよりわかるよ
うに、凹面インピンジにおいても、本発明の２種の突起
群の設置により冷却性能が従来よりかなり改善されるこ
とがわかる。

以上の例では、第１の突起群として連続する板状突起を
適用したが、排出流の方向に一列に並べられた柱状突起
を用いても同等の効果が得られる。

以上より、本発明によれば、インピンジメント冷却構造
の冷却性能の不均一性および平均値を従来よりも改善す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図、および第４図ないし第６図は平面イン
ピンジに関して示し、第７図ないし第１１図は凹面イン
ピンジに関して示したもので、第１図は本発明の一実施
例の冷却構造の斜視図、第２図は第２の実施例の斜視図
、第３図はガスタービン翼の冷却構造を示す断面図、第
４図および第Ｓ図は従来技術による冷却構造を示す斜視
図。 第６図は各種の平面インピンジの冷却性能を比較したグ
ラフ、第７図は本発明の第３の実施例を示す斜視図、第
８図は本発明の第４の実施例を示す斜視図、第９図およ
び第１０図は従来技術による冷却構造を示す斜視図、第
１１図は各種の凹面インピンジの冷却性能を比較したグ
ラフである。 １・・・被冷却表面（平面の場面）、２・・・多孔板（
平面の場合）、３・・・噴出孔、４・・・排出流、５・
・・よどみ点、６・・・帯状領域、７・・矩形領域、８
・・・第１の突起群（板状突起の場合）、９・・・第２
の突起群（短板状突起の場合）、１０・・第２の突起群
（柱不　１　国　　　　　　　　ネ−２刃 第３目　　　　　竿今邑

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、被冷却表面から間隔をおいて多孔板を設け、該多孔
   板の多数の噴出孔から上記被冷却表面に向って冷却流体
   を噴出させ、該冷却流体の噴流群を上記被冷却表面に衝
   突させて冷却作用を行うものにおいて、上記冷却流体の
   衝突後の排出流と垂直な方向に隣り合う上記噴流群のよ
   どみ点の中間に相当する上記被冷却表面上の帯状領域に
   、上記多孔板との間隔より低い高さで上記排出流の方向
   に延在する、連続した板状または一列に並べられた短板
   または柱状の第１の突起群と、さらに、上記排出流の方
   向に隣り合う上記噴流群のよどみ点の中間に相当すると
   ともに、上記第１の突起群の中間に相当する上記被冷却
   表面上の矩形領域に、上記多孔板との間隔より低い高さ
   で上記排出流の方向に延在する、一枚以上の短板状また
   は一個以上の柱状の第２の突起群とを設置したことを特
   徴とするインピンジメント冷却装置。