WO2013089173A1 - インピンジ冷却機構、タービン翼及び燃焼器 - Google Patents

インピンジ冷却機構、タービン翼及び燃焼器 Download PDF

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WO2013089173A1
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cooling
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cooling mechanism
flow
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大北 洋治
秀 藤本
千由紀 仲俣
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株式会社Ihi
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    • F23R2900/03045Convection cooled combustion chamber walls provided with turbolators or means for creating turbulences to increase cooling

Definitions

  • the present invention relates to an impingement cooling mechanism, a turbine blade, and a combustor.
  • Patent Document 1 discloses an impingement cooling mechanism in which a large number of impingement holes are formed in a facing member disposed to face a cooling target, and cooling gas is ejected from the impingement holes.
  • the cross flow formed when the cooling gas ejected from the impingement hole flows through the gap between the cooling target and the opposing member is gradually increased toward the downstream side by adding the cooling gas supplied from the impingement hole to the gap.
  • the flow rate increases.
  • the cooling gas ejected from the impingement hole flows into the cross flow before reaching the cooling target. For this reason, it is difficult to increase the heat transfer coefficient between the cross flow and the cooling target.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to further improve the cooling efficiency by the impingement cooling mechanism.
  • the impingement cooling mechanism ejects the cooling gas toward the cooling target from a plurality of impingement holes formed in the facing member disposed to face the cooling target.
  • a turbulence promoting portion is provided in a cross-flow channel that is a flow formed by the cooling gas after being ejected from the impingement hole. Further, the turbulent flow promoting portion is configured to promote turbulent flow from the upstream side to the downstream side of the cross flow.
  • the turbulent flow promoting portion is disposed upstream of the impingement hole in the cross flow.
  • the number of impingement holes per unit area is relatively large on the upstream side of the crossflow, It is provided so as to be relatively small on the downstream side.
  • the turbulent flow promoting portion is provided on the cooling target side.
  • the turbulent flow promoting portion has a bump shape.
  • a film hole is opened in the cooling target.
  • the turbine blade according to the seventh aspect of the present invention has the impingement cooling mechanism according to any one of the first to sixth aspects.
  • the combustor according to the eighth aspect of the present invention has the impingement cooling mechanism according to any one of the first to sixth aspects.
  • the turbulent flow promoting portion is provided in the cross flow channel. Therefore, the heat transfer coefficient between the cross flow and the cooling target can be increased by disturbing the flow of the cross flow by the turbulent flow promoting portion.
  • the turbulent flow promoting portion is configured to promote turbulent flow from the upstream side to the downstream side of the cross flow. Since the cooling gas ejected from the impingement hole hardly reaches the cooling target on the downstream side where the flow rate of the cross flow is large, the effect of directly cooling the cooling target by the cooling gas is reduced. However, since the turbulent flow promoting effect by the turbulent flow promoting portion is increased, the heat transfer coefficient between the cross flow and the cooling target can be further increased.
  • the cooling gas ejected from the impingement hole easily reaches the cooling target on the upstream side where the flow rate of the cross flow is small, the cooling target can be directly cooled by the cooling gas. Therefore, according to this invention, the cooling gas of the limited flow volume supplied from an impingement hole can be utilized effectively, and the cooling effect by impingement cooling can be improved more.
  • FIG. 1 It is a figure which shows schematic structure of a turbulent flow promoting body, and is a top view. It is a side view which shows schematic structure of a turbulent flow promoting body. It is a top view which shows schematic structure of a turbulent flow promoting body. It is a side view which shows schematic structure of a turbulent flow promoting body. It is a schematic diagram which shows a turbine blade provided with the impingement cooling mechanism of this invention, and is sectional drawing of a turbine blade. It is a schematic diagram which shows a combustor provided with the impingement cooling mechanism of this invention, and is sectional drawing of a combustor.
  • FIGS. 1A and 1B are schematic views showing a schematic configuration of the impingement cooling mechanism 1 of the present embodiment.
  • 1A is a side sectional view
  • FIG. 1B is a plan view of the cooling target side as viewed from the opposing wall side.
  • the impingement cooling mechanism 1 of the present embodiment includes a cooling target 2 and an opposing wall 3 (opposing member) disposed to face the cooling target 2.
  • a large number of impingement holes 4 are formed in the opposing wall 3, and a large number of turbulence promoting bodies 5 (turbulent flow promoting portions 6) are formed in the cooling target 2.
  • the cooling target 2 has a film hole (not shown).
  • the impingement cooling mechanism 1 cools the cooling target 2 by ejecting the cooling gas G from the impingement hole 4 toward the cooling target 2.
  • the cooling gas G ejected from the impingement hole 4 forms a cross flow CF as shown by arrows in FIGS. 1A and 1B. That is, after the cooling gas G is ejected from the impingement hole 4 toward the cooling target 2, it flows through the gap between the cooling target 2 and the opposing wall 3, and the flow of the cooling gas G becomes a cross flow CF.
  • the impingement hole 4 is formed through the opposing wall 2 and has a circular opening. As shown in FIG. 1B, the plurality of impingement holes 4 are regularly arranged in the vertical and horizontal directions on the outer surface (surface on the cooling target 2 side) of the opposing wall 2 in this embodiment. That is, these impingement holes 4 are aligned at equal intervals along the flow direction of the crossflow CF indicated by arrows in FIG. 1B, and are also aligned at equal intervals in the direction orthogonal to the flow direction of the crossflow CF. Has been.
  • the turbulent flow promoting body 5 constitutes a turbulent flow promoting unit 6 according to the present invention, and one or a plurality of turbulent flow promoting bodies 5 exist.
  • the turbulent flow promoting body 5 is a bump-shaped protrusion as shown in FIGS. 2A and 2B, that is, a truncated cone-shaped protrusion.
  • the turbulent flow promoting body 5 is a bump-like protrusion as shown in FIG. 2C and FIG. 2D, that is, a substantially truncated cone-shaped protrusion that is formed by scraping the upper and lower sides of the truncated cone.
  • the plurality of turbulence promoting bodies 5 are all formed in substantially the same size and shape in this embodiment. As shown in FIG. 1B, these turbulent flow promoting bodies 5 are provided in the flow path of the cross flow CF, that is, in a region where the impingement holes 4 are arranged.
  • turbulence promoting bodies 5 are arranged in a small number on the upstream side of the cross flow CF and in a large number on the downstream side.
  • the turbulent flow promoting bodies 5 are not provided on the left side of the paper, which is the upstream side of the crossflow CF, and the number of turbulent flow promoting bodies 5 increases toward the downstream side of the crossflow CF. is increasing.
  • almost one turbulence promoting body 5 is arranged with respect to four impingement holes.
  • approximately two turbulent flow promoting bodies 5 are arranged with respect to one impingement hole 4.
  • the turbulence promoting body 5 is gradually arranged so that the three turbulent flow promoting bodies 5 are arranged with respect to one impingement hole 4 and further four are arranged further toward the downstream side. The number of 5 is increased and arranged.
  • the turbulence promoting body 5 is not arranged along the arrangement direction of the impingement holes 4 in the flow direction of the cross flow CF.
  • the turbulence promoting body 5 is arranged so as to be shifted from the arrangement direction. For example, in a region where almost one turbulence promoting body 5 is arranged for one impingement hole 4, one turbulence promotion is provided at the center of four impingement holes 4 arranged in the vertical and horizontal directions of the cooling target 2.
  • a body 5 is arranged.
  • two turbulence enhancements are provided at the center of the four impingement holes 4 arranged in the vertical and horizontal directions of the cooling target 2.
  • the bodies 5 are arranged side by side.
  • the turbulent flow promoting section 6 according to the present invention is configured by one or a plurality of turbulent flow promoting bodies 5 arranged at the same position (center portion). That is, when one turbulence promoting body 5 is arranged at the center of the four impingement holes 4 arranged in the vertical and horizontal directions, the turbulent flow promoting section 6 according to the present invention is formed by one turbulent flow promoting body 5. It is configured. When two turbulence promoting bodies 5 are arranged at the center of the four impingement holes 4 arranged in the vertical and horizontal directions, the turbulence promoting section 6 according to the present invention is provided by these two turbulence promoting bodies 5. Is configured.
  • These turbulent flow promoting bodies 5 disturb the flow of the cross flow CF and cause turbulent flow in the gap between the cooling target 2 and the opposing wall 3. Thereby, these turbulent flow promoting bodies 5 (turbulent flow promoting portions 6) function to increase the heat transfer coefficient between the cross flow CF (turbulent flow) and the cooling target 2.
  • the two turbulent flow promoting bodies 5 arranged side by side are arranged in a direction orthogonal to the flow direction of the cross flow CF. Therefore, the turbulent flow promoting unit 6 composed of the turbulent flow promoting bodies 5 arranged side by side compared to the turbulent flow promoting unit 6 composed of one turbulent flow promoting body 5 arranged on the upstream side of these, The area in contact with the crossflow CF is large. Thereby, the turbulent flow promotion part 6 arrange
  • the number of the turbulent flow promoting units 6 including the turbulent flow promoting body 5 is small in the upstream side and large in the downstream side. Thereby, the effect of promoting turbulence is relatively low on the upstream side of the crossflow CF, and the effect of promoting turbulence is relatively high on the downstream side.
  • a turbulent flow promoting unit 6 including a turbulent flow promoting body 5 is provided in the flow path of the cross flow CF. For this reason, the heat transfer coefficient between the cross flow CF and the cooling target 2 can be increased by disturbing the flow of the cross flow CF by the turbulent flow promoting unit 6. Further, the number of the turbulent flow promoting bodies 5 constituting the turbulent flow promoting unit 6 is decreased on the upstream side of the cross flow CF and increased on the downstream side. For this reason, the turbulent flow promoting unit 6 has a relatively low turbulent flow promoting effect on the upstream side of the cross flow CF and a relatively high turbulent flow promoting effect on the downstream side.
  • the cooling gas G ejected from the impingement hole 4 hardly reaches the cooling target 2 on the downstream side where the flow rate of the cross flow CF is large. For this reason, the effect of cooling the cooling target 2 directly by the cooling gas G is reduced.
  • the turbulent flow promoting effect by the turbulent flow promoting unit 6 is increased, so that the heat transfer coefficient between the cross flow CF and the cooling target 2 can be further increased. .
  • the cooling gas G ejected from the impingement hole 4 tends to reach the cooling target 2 on the upstream side where the flow rate of the cross flow CF is small. For this reason, the cooling target 2 can be directly cooled by the cooling gas G. Further, the impingement hole 4 is arranged on the downstream side of the cross flow CF in the same manner as the upstream side. Therefore, by ejecting the cooling gas G from the impingement hole 4, it is possible to cool not only the cooling target 2 but also the cross flow CF that flows from the upstream side and is heated by heat exchange in the middle.
  • the protruding turbulence promoting body 5 has a function as a fin by being formed on the cooling target 2. Therefore, the flow of the cooling gas G flowing from the impingement hole 4 (cross flow CF) is once interrupted to transmit the cooling heat of the cooling gas G to the cooling target 2 and cool the cooling target 2. Therefore, according to this embodiment, the cooling gas G of the limited flow volume supplied from the impingement hole 4 can be used effectively, and the cooling effect by impingement cooling can be improved more.
  • FIGS. 1A and 1B are schematic views showing a schematic configuration of the impingement cooling mechanism 1A of the present embodiment.
  • 3A is a side sectional view
  • FIG. 3B is a plan view of the cooling target side as viewed from the opposing wall side.
  • the impingement cooling mechanism 1A of the present embodiment is mainly different from the impingement cooling mechanism 1 of the first embodiment shown in FIGS. 1A and 1B in that the arrangement of the impingement holes 4 and the turbulence promoting body for these impingement holes 4 5 arrangement.
  • the arrangement of the impingement holes 4 is different from that of the impingement cooling mechanism 1 shown in FIG. 1B. That is, the impingement holes 4 of the first embodiment are regularly aligned in the vertical and horizontal directions. The impingement holes 4 of the present embodiment are arranged in a staggered manner as shown in FIG. 3B.
  • the number of turbulent flow promoting bodies 5 is small on the upstream side of the crossflow CF and large on the downstream side. Accordingly, the turbulent flow promoting unit 6 has a relatively low turbulent flow promoting effect on the upstream side of the crossflow CF and a relatively high turbulent flow promoting effect on the downstream side.
  • the turbulent flow promoting part 6 (turbulent flow promoting body 5) is disposed on the upstream side of the crossflow CF with respect to the impingement hole 4 closest to the downstream side of the crossflow CF. That is, the turbulent flow promoting portion 6 (turbulent flow promoting body 5) is disposed on the upstream side in the direction along the flow direction of the cross flow CF.
  • the turbulent flow promoting unit 6 suppresses the cross flow CF from entering the region between the impingement hole 4 and the cooling target 2 located on the downstream side. It also functions as an obstacle to do.
  • the turbulent flow promoting unit 6 increases as the number of turbulent flow promoting bodies 5 goes downstream. Therefore, the function of the turbulent flow promoting unit 6 (turbulent flow promoting body 5) as an obstacle also increases as it goes downstream.
  • the crossflow CF is prevented from entering the region between the impingement hole 4 and the cooling target 2.
  • the cooling gas G ejected from the impingement hole 4 from flowing into the cross flow CF before reaching the cooling target 2 and to suppress the effect of cooling the cooling target 2 from being lowered. Therefore, according to this embodiment, the cooling gas G of the limited flow volume supplied from the impingement hole 4 can be used effectively, and the cooling effect by impingement cooling can be improved more.
  • FIGS. 1A and 1B are schematic views showing a schematic configuration of the impingement cooling mechanism 1B of the present embodiment.
  • 4A is a side sectional view
  • FIG. 4B is a plan view of the cooling target side as viewed from the opposing wall side.
  • the impingement cooling mechanism 1B of the present embodiment is mainly different from the impingement cooling mechanism 1 of the first embodiment shown in FIGS. 1A and 1B in the arrangement of impingement holes 4 (that is, its distribution state).
  • the number of impingement holes 4 per unit area is relatively large on the upstream side of the crossflow CF and relatively small on the downstream side. Is provided.
  • 10 impingement holes 4 (5 ⁇ 2 rows) are provided per unit area on the upstream side (left side of the drawing) of the cross flow CF.
  • Six impingement holes 4 (3 ⁇ 2 rows) are provided per unit area on the downstream side of the crossflow CF (in the center of the drawing).
  • two impingement holes 4 (1 ⁇ 2 rows) are provided per unit area on the downstream side (right side of the drawing).
  • the flow rate is relatively small on the upstream side of the cross flow CF.
  • the cooling gas G ejected from the impingement hole 4 is not significantly affected by the cross flow CF. Since the cooling gas G easily reaches the cooling target 2, the cooling target 2 can be directly cooled by the cooling gas G. That is, direct cooling by the cooling gas G is mainly performed on the upstream side, as in the first and second embodiments.
  • the cooling gas G of the limited flow volume supplied from the impingement hole 4 can be used effectively, and the cooling effect by impingement cooling can be improved more.
  • the turbulent flow promoting member 6 is a turbulent flow promoting member 5 made of a bump-like protrusion, and the height of the turbulent flow promoting effect is changed by changing the number of the turbulent flow promoting members 5.
  • the number of the turbulent flow promoting bodies 5 may be the same (for example, one), and the height of the turbulent flow promoting effect may be changed by changing the size thereof.
  • it can replace with the turbulent flow promotion body 5 which consists of bump-shaped protrusions, and the rib-shaped or plate-shaped turbulent flow promotion part 6 as shown to FIG. 5A and FIG. 5B can also be used.
  • the rib-like or plate-like turbulent flow promoting portion 6 can form a height difference in the turbulent flow promoting effect by changing the height and width, for example. That is, the effect of promoting turbulence can be increased by increasing the height or increasing the lateral width.
  • dimples (dents) as shown in FIG. 5C and FIG. 5D can be used as the turbulent flow promoting portion 6.
  • a height difference can be made to the turbulent flow promotion effect by changing the depth and diameter, for example. That is, the effect of promoting turbulence can be increased by increasing the depth of the dimples or increasing the diameter of the dimples. Further, as in the case of the protrusions, the height difference can be formed in the turbulent flow promoting effect by changing the number of dimples.
  • the opening shape of the impingement hole 4 is circular, but various shapes can be adopted as this opening shape.
  • a racetrack shape formed by two parallel sides and an arc connecting these sides or a flat shape such as an elliptical shape may be used.
  • the opening width in the flow direction of the cross flow CF is larger than the opening width in a direction orthogonal to the flow direction of the cross flow CF.
  • the opening width in the flow direction of the cross flow CF is large. For this reason, the opening width when viewed from the flow direction of the cross flow CF can be made smaller than the circular impingement hole 4 that ejects the cooling gas G having the same flow rate. As a result, the collision area between the cross flow CF and the flow of the cooling gas G ejected from the impingement hole 4 in the gap between the cooling target 2 and the facing wall 3 can be made narrower than in the case of the circular impingement hole. That is, the influence of the cross flow CF on the flow of the cooling gas G can be reduced. As a result, more cooling gas G can reach the cooling target 2 than when the cooling gas G is ejected from the circular impingement hole 4.
  • FIG. 6A and 6B are schematic views showing a turbine blade 30 and a combustor 40 including the impingement cooling mechanism 1 of the first embodiment.
  • 6A is a sectional view of a turbine blade
  • FIG. 6B is a sectional view of a combustor.
  • the turbine blade 30 has a double shell structure including an outer wall 31 and an inner wall 32.
  • the outer wall 31 corresponds to the aforementioned cooling target 2, and the inner wall 32 corresponds to the aforementioned opposing wall 3.
  • the turbine blade 30 includes an impingement cooling mechanism 1 having an impingement hole provided in the inner wall 32 and a turbulent flow promoting portion provided in the outer wall 31.
  • the impingement cooling mechanism 1 can be applied to the flat ventral blade surface (blade antinode) 31a and the back blade surface 31b of the turbine blade 30, and can also be applied to the curved front edge portion 31c.
  • the impingement cooling mechanism 1 of the first embodiment the heat transfer coefficient can be increased to further improve the cooling efficiency. For this reason, the turbine blade 30 provided with the impingement cooling mechanism 1 has excellent heat resistance.
  • the combustor 40 has a double shell structure including an inner liner 41 and an outer liner 42.
  • the inner liner 41 corresponds to the aforementioned cooling target 2, and the outer liner 42 corresponds to the aforementioned opposing wall 3.
  • the combustor 40 includes an impingement cooling mechanism 1 having an impingement hole provided in the outer liner 42 and a turbulent flow promoting portion provided in the inner liner 41.
  • the impingement cooling mechanism 1 of the first embodiment the heat transfer coefficient can be increased to further improve the cooling efficiency. For this reason, the combustor 40 provided with the impingement cooling mechanism 1 has excellent heat resistance.
  • the turbine blade 30 and the combustor 40 employ a configuration including the impingement cooling mechanism 1A of the second embodiment or the impingement cooling mechanism 1B of the third embodiment instead of the impingement cooling mechanism 1 of the first embodiment. You can also.
  • an impingement cooling mechanism a turbine blade, and a combustor that can effectively improve the cooling effect by impingement cooling by effectively using the cooling gas having a limited flow rate supplied from the impingement hole. Can do.

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Abstract

 本発明は、冷却ターゲット(2)に対向配置される対向部材(3)に形成される複数のインピンジ孔(4)から冷却ターゲット(2)に向けて冷却ガス(G)を噴出するインピンジ冷却機構(1)に関する。インピンジ孔(4)から噴出された後の冷却ガス(G)によって形成される流れであるクロスフロー(CF)の流路中に乱流促進部(6)が設けられている。乱流促進部(6)は、クロスフロー(CF)の上流側から下流側に向けて乱流が促進されるように構成されている。

Description

インピンジ冷却機構、タービン翼及び燃焼器
 本発明は、インピンジ冷却機構、タービン翼及び燃焼器に関する。本願は、2011年12月15日に、日本に出願された特願2011-274929号に基づき優先権を主張し、それらの内容をここに援用する。
 タービン翼や燃焼器は、高温雰囲気に晒されるため、熱伝達率を高めて冷却効率を向上するためにインピンジ冷却機構を備えている。例えば、特許文献1には、冷却ターゲットに対向配置されている対向部材に多数のインピンジ孔を形成して、前記インピンジ孔から冷却ガスを噴出するインピンジ冷却機構が開示されている。
米国特許第5100293号
 インピンジ孔から噴出された冷却ガスが冷却ターゲットと対向部材との隙間を流れることで形成されるクロスフローは、インピンジ孔から前記隙間に供給される冷却ガスが加わることによって、下流に向かうに従って徐々に流量が増大する。
 これにより、冷却ターゲットと対向部材との隙間を流れるクロスフローの下流側においては、インピンジ孔から噴出された冷却ガスが冷却ターゲットに到達する前に前記クロスフローに流される。このため、クロスフローと冷却ターゲットとの間の熱伝達率を高めることが難しい。
 本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、インピンジ冷却機構による冷却効率をより向上することを目的とする。
 本発明の第1態様に依れば、インピンジ冷却機構は、その冷却ターゲットに対向配置される対向部材に形成される複数のインピンジ孔から前記冷却ターゲットに向けて冷却ガスを噴出する。前記インピンジ孔から噴出された後の前記冷却ガスによって形成される流れであるクロスフローの流路中に、乱流促進部が設けられている。また、前記乱流促進部は、前記クロスフローの上流側から下流側に向けて乱流が促進されるように構成されている。
 本発明の第2態様に依れば、前記第1態様の前記インピンジ冷却機構において、前記乱流促進部は、前記インピンジ孔に対して、前記クロスフローにおける上流側に配置されている。
 本発明の第3態様に依れば、前記第1態様又は前記第2態様の前記インピンジ冷却機構において、前記インピンジ孔の単位面積あたりの個数は、前記クロスフローの上流側において相対的に多く、下流側において相対的に少なくなるように設けられている。
 本発明の第4態様に依れば、前記第1態様から前記第3態様のうちの何れか一つの前記インピンジ冷却機構において、前記乱流促進部は、前記冷却ターゲット側に設けられている。
 本発明の第5態様に依れば、前記第1態様から前記第4態様のうちの何れか一つの前記インピンジ冷却機構において、前記乱流促進部は、バンプ形状である。
 本発明の第6態様に依れば、前記第1態様から前記第5態様のうちの何れか一つの前記インピンジ冷却機構においては、冷却ターゲットにフィルム孔が開口している。
 本発明の第7態様に依るタービン翼は、前記第1態様から前記第6態様のうちの何れか一つの前記インピンジ冷却機構を有する。
 本発明の第8態様に依る燃焼器は、第1態様から第6態様のうちの何れか一つの前記インピンジ冷却機構を有する。
 本発明によれば、クロスフローの流路中に乱流促進部を設けている。したがって、前記乱流促進部によってクロスフローの流れを乱すことにより、このクロスフローと冷却ターゲットとの間の熱伝達率を高めることができる。
 また、前記乱流促進部を、クロスフローの上流側から下流側に向けて乱流が促進されるように構成している。クロスフローの流量が多い下流側では、インピンジ孔から噴出された冷却ガスが冷却ターゲットに到達し難くなるため、前記冷却ガスによって直接的に冷却ターゲットを冷却する効果が低下する。しかしながら、乱流促進部による乱流促進効果が高くなるため、前記したクロスフローと冷却ターゲットとの間の熱伝達率をさらに高めることができる。一方、クロスフローの流量が少ない上流側ではインピンジ孔から噴出された冷却ガスが冷却ターゲットに到達し易いため、前記冷却ガスによって直接的に冷却ターゲットを冷却することができる。
 よって、本発明によれば、インピンジ孔から供給される限られた流量の冷却ガスを有効に活用し、インピンジ冷却による冷却効果をより向上することができる。
本発明の第1実施形態のインピンジ冷却機構の概略構成を示す模式図であり、側断面図である。 本発明の第1実施形態のインピンジ冷却機構の概略構成を示す模式図であり、インピンジ冷却機構の対向壁側から冷却ターゲット側を見た平面図である。 バンプ状の乱流促進体の概略構成を示す平面図である。 バンプ状の乱流促進体の概略構成を示す側面図である。 バンプ状の乱流促進体の概略構成を示す平面図である。 バンプ状の乱流促進体の概略構成を示す側面図である。 本発明の第2実施形態のインピンジ冷却機構の概略構成を示す模式図であり、側断面図である。 本発明の第2実施形態のインピンジ冷却機構の概略構成を示す模式図であり、インピンジ冷却機構の対向壁側から冷却ターゲット側を見た平面図である。 本発明の第3実施形態のインピンジ冷却機構の概略構成を示す模式図であり、側断面図である。 本発明の第3実施形態のインピンジ冷却機構の概略構成を示す模式図であり、インピンジ冷却機構の対向壁側から冷却ターゲット側を見た平面図である。 乱流促進体の概略構成を示す図であり、平面図である。 乱流促進体の概略構成を示す側面図である。 乱流促進体の概略構成を示す平面図である。 乱流促進体の概略構成を示す側面図である。 本発明のインピンジ冷却機構を備えるタービン翼を示す模式図であり、タービン翼の断面図である。 本発明のインピンジ冷却機構を備える燃焼器を示す模式図であり、燃焼器の断面図である。
 以下、本発明の詳細について、図面を参照して説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
(第1実施形態)
 図1A及び図1Bは、本実施形態のインピンジ冷却機構1の概略構成を示す模式図である。図1Aは側断面図、図1Bは対向壁側から冷却ターゲット側を見た平面図である。
 図1A及び図1Bに示すように、本実施形態のインピンジ冷却機構1は、冷却ターゲット2と、冷却ターゲット2に対向配置される対向壁3(対向部材)とを備えている。また、対向壁3に多数のインピンジ孔4が形成され、冷却ターゲット2に多数の乱流促進体5(乱流促進部6)が形成されている。なお、冷却ターゲット2にはフィルム孔(図示せず)が開口している。
 インピンジ冷却機構1は、インピンジ孔4から冷却ターゲット2に向けて冷却ガスGを噴出することにより、冷却ターゲット2を冷却する。インピンジ孔4から噴出された冷却ガスGは、図1A及び図1B中に矢印で示すように、クロスフローCFを形成する。すなわち、冷却ガスGは、冷却ターゲット2に向けてインピンジ孔4から噴出された後、冷却ターゲット2と対向壁3との隙間を流れ、冷却ガスGの流れがクロスフローCFとなる。
 インピンジ孔4は、対向壁2を貫通して形成され、円形状の開口を有する。複数のインピンジ孔4は、図1Bに示すように、本実施形態では、対向壁2の外面(冷却ターゲット2側の面)において、縦横方向に規則的に配置されている。すなわち、これらインピンジ孔4は、図1B中に矢印で示すクロスフローCFの流れ方向に沿って等間隔に整列配置され、かつ、クロスフローCFの流れ方向と直交する方向にも等間隔で整列配置されている。
 したがって、クロスフローCFには、上流から下流に流れる際、図1Aに示すように、その流路中に設けられているインピンジ孔4から連続的に冷却ガスGが流れ込み、合流する。このため、クロスフローCFは、下流に向かうに連れて徐々に流量を増大する。
 乱流促進体5は、本発明に係る乱流促進部6を構成し、一つあるいは複数存在する。乱流促進体5は、本実施形態では、図2A及び図2Bに示すようなバンプ状、すなわち円錐台形状の突起体である。あるいは、乱流促進体5は、図2C及び図2Dに示すようなバンプ状、すなわち円錐台形状の上面側及び底面側をくずしてなだらかにした略円錐台形状の突起体である。複数の乱流促進体5は、本実施形態では全て略同じ大きさ・形状に形成されている。これら乱流促進体5は、図1Bに示すように、クロスフローCFの流路中、すなわちインピンジ孔4が配列された領域に設けられている。
 これら乱流促進体5は、クロスフローCFの上流側では数が少なく、下流側では数が多く配置されている。模式的に示した図1Bでは、クロスフローCFの上流側である紙面左側では乱流促進体5が設けられておらず、クロスフローCFの下流側に行くに従って、乱流促進体5の数が増えている。すなわち、流れ方向に沿うクロスフローCFの下流側では、インピンジ孔4一つに対して乱流促進体5がほぼ一つ配置されている。また、さらに下流側では、インピンジ孔4一つに対して乱流促進体5がほぼ二つ配置されている。なお、図示しないものの、さらに下流側に行くに従って、インピンジ孔4一つに対して乱流促進体5がほぼ三つ配置され、さらにほぼ四つ配置され、というように、徐々に乱流促進体5の数が増加して配置されている。
 また、本実施形態では、図1Bに示したように、乱流促進体5は、クロスフローCFの流れ方向において、インピンジ孔4の配列方向に沿って配置されていない。乱流促進体5は、前記配列方向からずれて配置されている。例えば、インピンジ孔4一つに対して乱流促進体5がほぼ一つ配置された領域では、冷却ターゲット2の縦横方向に配置された四つのインピンジ孔4の中心部に、一つの乱流促進体5が配置されている。また、インピンジ孔4一つに対して乱流促進体5がほぼ二つ配置された領域では、冷却ターゲット2の縦横方向に配置された四つのインピンジ孔4の中心部に、二つの乱流促進体5が並んで配置されている。
 本実施形態では、同じ位置(中心部)に配置された一つあるいは複数の乱流促進体5によって、本発明に係る乱流促進部6が構成されている。すなわち、前記縦横方向に配置された四つのインピンジ孔4の中心部に一つの乱流促進体5が配置されている場合、一つの乱流促進体5によって本発明に係る乱流促進部6が構成されている。また、前記縦横方向に配置された四つのインピンジ孔4の中心部に二つの乱流促進体5が配置されている場合、これら二つの乱流促進体5によって本発明に係る乱流促進部6が構成されている。
 これら乱流促進体5(乱流促進部6)は、クロスフローCFの流れを乱し、冷却ターゲット2と対向壁3との隙間に乱流を生じさせる。これによって、これら乱流促進体5(乱流促進部6)は、クロスフローCF(乱流)と冷却ターゲット2との間の熱伝達率を高めるように機能する。
 前述したように、並んで配置された二つの乱流促進体5は、クロスフローCFの流れ方向と直交する方向に並んでいる。したがって、これら二つずつ並んで配置された乱流促進体5からなる乱流促進部6は、これらの上流側に配置された一つの乱流促進体5からなる乱流促進部6に比べ、クロスフローCFに接触する面積が大きい。これにより、下流側に配置された乱流促進部6は、上流側に配置された乱流促進部6に比べて相対的に乱流促進効果が高い。
 すなわち、乱流促進体5からなる乱流促進部6は、本実施形態では上流側で数が少なく、下流側で数が多く配置されている。これによって、クロスフローCFの上流側において相対的に乱流促進効果が低く、下流側において相対的に乱流促進効果が高い。
 本実施形態のインピンジ冷却機構1には、クロスフローCFの流路中に乱流促進体5からなる乱流促進部6を設けている。このため、乱流促進部6によってクロスフローCFの流れを乱すことにより、クロスフローCFと冷却ターゲット2との間の熱伝達率を高めることができる。
 また、乱流促進部6を構成する乱流促進体5の数を、クロスフローCFの上流側において少なくし、下流側において多くしている。このため、乱流促進部6は、クロスフローCFの上流側において相対的に乱流促進効果が低く、下流側において相対的に乱流促進効果が高い。よって、クロスフローCFの流量が多い下流側では、インピンジ孔4から噴出された冷却ガスGが冷却ターゲット2に到達し難くなる。このため、冷却ガスGによって直接的に冷却ターゲット2を冷却する効果が低下する。しかしながら、クロスフローCFの流量が多い下流側では、乱流促進部6による乱流促進効果が高くなるため、前記したクロスフローCFと冷却ターゲット2との間の熱伝達率をさらに高めることができる。
 一方、クロスフローCFの流量が少ない上流側ではインピンジ孔4から噴出された冷却ガスGが冷却ターゲット2に到達し易い。このため、冷却ガスGによって直接的に冷却ターゲット2を冷却することができる。
 また、クロスフローCFの下流側においてもインピンジ孔4を上流側と同等に配置している。したがって、インピンジ孔4から冷却ガスGを噴出することにより、冷却ターゲット2だけでなく、上流側から流れてきて、途中で熱交換によって温められたクロスフローCFも冷却することができる。
 さらに、突起状の乱流促進体5は、冷却ターゲット2に形成されていることでフィンとしての機能も有している。したがって、インピンジ孔4から流入した冷却ガスGの流れ(クロスフローCF)を一旦遮断することで、冷却ガスGの冷熱を冷却ターゲット2に伝え、冷却ターゲット2を冷却する。
 よって、本実施形態によれば、インピンジ孔4から供給される限られた流量の冷却ガスGを有効に活用し、インピンジ冷却による冷却効果をより向上することができる。
(第2実施形態)
 図3A及び図3Bは、本実施形態のインピンジ冷却機構1Aの概略構成を示す模式図である。図3Aは側断面図、図3Bは対向壁側から冷却ターゲット側を見た平面図である。本実施形態のインピンジ冷却機構1Aが、図1A及び図1Bに示した第1実施形態のインピンジ冷却機構1と主に異なる点は、インピンジ孔4の配置、及びこれらインピンジ孔4に対する乱流促進体5の配置にある。
 本実施形態のインピンジ冷却機構1Aでは、インピンジ孔4の配置が図1Bに示したインピンジ冷却機構1と異なる。すなわち、第1実施形態のインピンジ孔4は縦横に規則的に整列配置されている。本実施形態のインピンジ孔4は、図3Bに示すように、千鳥状に整列配置されている。
 一方、乱流促進体5は、第1実施形態と同様に、クロスフローCFの上流側においてその数が少なく、下流側において数が多い。これによって、乱流促進部6は、クロスフローCFの上流側において相対的に乱流促進効果が低く、下流側において相対的に乱流促進効果が高い。
 また、本実施形態において乱流促進部6(乱流促進体5)は、クロスフローCFの下流側直近のインピンジ孔4に対して、クロスフローCFの上流側に配置されている。すなわち、乱流促進部6(乱流促進体5)は、クロスフローCFの流れ方向に沿う方向の上流側に配置されている。
 上記した構成に依れば、乱流促進部6(乱流促進体5)は、下流側に位置するインピンジ孔4と冷却ターゲット2との間の領域に、クロスフローCFが侵入することを抑制する障害物としても機能する。乱流促進部6は、乱流促進体5の数が下流側に行くに従って多くなる。したがって、乱流促進部6(乱流促進体5)の障害物としての機能も、下流側に行くに従って高くなる。
 本実施形態のインピンジ冷却機構1Aにあっては、第1実施形態と同様の効果に加え、インピンジ孔4と冷却ターゲット2との間の領域にクロスフローCFが侵入することを抑制する。これにより、インピンジ孔4から噴出された冷却ガスGが冷却ターゲット2に到達する前にクロスフローCFに流されることを防ぎ、冷却ターゲット2を冷却する効果が低下することを抑制することができる。
 よって、本実施形態によれば、インピンジ孔4から供給される限られた流量の冷却ガスGを有効に活用し、インピンジ冷却による冷却効果をより向上することができる。
(第3実施形態)
 図4A及び図4Bは、本実施形態のインピンジ冷却機構1Bの概略構成を示す模式図である。図4Aは側断面図、図4Bは対向壁側から冷却ターゲット側を見た平面図である。本実施形態のインピンジ冷却機構1Bが、図1A及び図1Bに示した第1実施形態のインピンジ冷却機構1と主に異なる点は、インピンジ孔4の配置(すなわちその分布状態)にある。
 本実施形態のインピンジ冷却機構1Bでは、図4Bに示すように、インピンジ孔4の単位面積あたりの個数が、クロスフローCFの上流側において相対的に多く、下流側において相対的に少なくなるように設けられている。模式的に示した図4Bでは、クロスフローCFの上流側(図面左側)では単位面積あたりにインピンジ孔4が10個(5個×2列)設けられている。クロスフローCFの下流側(図面中央部)では単位面積あたりにインピンジ孔4が6個(3個×2列)設けられている。さらに、下流側(図面右側)では単位面積あたりにインピンジ孔4が2個(1個×2列)設けられている。
 上述したようにインピンジ孔4を配置すると、クロスフローCFの上流側ではその流量が相対的に少ない。このため、前述したように、インピンジ孔4から噴出された冷却ガスGはクロスフローCFの影響をあまり受けない。冷却ガスGが冷却ターゲット2に到達し易いため、冷却ガスGによって直接的に冷却ターゲット2を冷却することができる。すなわち、上流側では第1実施形態、第2実施形態と同様に、冷却ガスGによる直接的な冷却が主に行われる。
 一方、クロスフローCFの流量が多い下流側では、前述したように、冷却ガスGによって直接的に冷却ターゲット2を冷却する効果が低下する。しかしながら、乱流促進部6による乱流促進効果を高くすることで、クロスフローCFと冷却ターゲット2との間の熱伝達率をさらに高めている。したがって、下流側においてインピンジ孔4の数を少なくし、冷却ガスGの噴出量を少なくした場合でも、前述したように、下流側では乱流促進部6の乱流促進効果に基づくクロスフローCFによる冷却が主に行われる。このため、第1実施形態や第2実施形態に比べて、下流側での冷却効果の低下は僅かである。
 一方、全てのインピンジ孔4から噴出する冷却ガスGの総量が一定であるとすれば、上流側で噴出する冷却ガスGの量が増えるため、上流側での冷却効果をさらに高めることができる。したがって、上流側から下流側までの装置全体の範囲において、冷却効果を高めることができる。
 よって、本実施形態によれば、インピンジ孔4から供給される限られた流量の冷却ガスGを有効に活用し、インピンジ冷却による冷却効果をより向上することができる。
 なお、前記実施形態では、乱流促進部6としてバンプ状の突起体からなる乱流促進体5を用い、その個数を変えることで乱流促進効果に高低差を形成している。しかしながら、例えば、乱流促進体5の個数は同じ(例えば1個)にし、その大きさを変えることで乱流促進効果に高低差をつけてもよい。
 また、バンプ状の突起体からなる乱流促進体5に代えて、図5A及び図5Bに示すようなリブ状又は板状の乱流促進部6を用いることもできる。その場合に、リブ状又は板状の乱流促進部6については、例えばその高さや横幅を変化させることで、乱流促進効果に高低差を形成することができる。すなわち、高さを高くし、又は横幅を広くすることにより、乱流促進効果を高くすることができる。
 さらに、図5C及び図5Dに示すようなディンプル(凹み)を乱流促進部6として用いることもできる。その場合に、乱流促進部6については、例えばその深さや径を変化させることで、乱流促進効果に高低差をつけることができる。すなわち、ディンプルの深さを深くし、又はディンプルの径を大きくすることにより、乱流促進効果を高くすることができる。また、前記突起体の場合と同様に、ディンプルの個数を変えることで乱流促進効果に高低差を形成することもできる。
 また、前記実施形態では、インピンジ孔4の開口形状を円形としたが、この開口形状についても種々の形状が採用可能である。例えば、平行な2つ辺とこれらの辺を繋げる円弧とによって形成されるレーストラック形状や、楕円形状などの扁平な形状としてもよい。その場合に、クロスフローCFの流れ方向における開口幅が、クロスフローCFの流れ方向と直交する方向における開口幅よりも大きくなるように形成されているのが好ましい。
 上記した扁平な形状のインピンジ孔を用いれば、クロスフローCFの流れ方向における開口幅が大きい。このため、同一の流量の冷却ガスGを噴出する円形のインピンジ孔4よりも、クロスフローCFの流れ方向から見た場合の開口幅を小さくすることができる。この結果、冷却ターゲット2と対向壁3との隙間におけるクロスフローCFとインピンジ孔4から噴出された冷却ガスGの流れとの衝突領域を、円形のインピンジ孔の場合よりも狭くすることができる。すなわち、冷却ガスGの流れに対するクロスフローCFの影響を小さくすることができる。これにより、円形のインピンジ孔4から冷却ガスGを噴出する場合に比べ、よりも多くの冷却ガスGを冷却ターゲット2に到達させることができる。
(タービン翼及び燃焼器)
 図6A及び図6Bは、第1実施形態のインピンジ冷却機構1を備えるタービン翼30及び燃焼器40を示す模式図である。図6Aはタービン翼の断面図、図6Bは燃焼器の断面図である。
 タービン翼30は、図6Aに示すように、外壁31と内壁32とを備える二重殻構造を有している。外壁31が前述の冷却ターゲット2に相当し、内壁32が前述の対向壁3に相当している。そして、タービン翼30は、内壁32に設けられたインピンジ孔、及び外壁31に設けられた乱流促進部を有するインピンジ冷却機構1を備えている。インピンジ冷却機構1は、タービン翼30における平面状の腹側翼面(翼腹)31aや背側翼面31bに適用でき、曲面状の前縁部31cにも適用することができる。
 第1実施形態のインピンジ冷却機構1によれば、熱伝達率を高めて冷却効率をより向上することができる。このため、インピンジ冷却機構1を備えるタービン翼30は優れた耐熱性を有する。
 燃焼器40は、図6Bに示すように、インナライナ41とアウタライナ42とを備える二重殻構造を有している。インナライナ41が前述の冷却ターゲット2に相当し、アウタライナ42が前述の対向壁3に相当している。そして、燃焼器40は、アウタライナ42に設けられたインピンジ孔、及びインナライナ41に設けられた乱流促進部を有する、インピンジ冷却機構1を備えている。
 第1実施形態のインピンジ冷却機構1によれば、熱伝達率を高めて冷却効率をより向上することができる。このため、インピンジ冷却機構1を備える燃焼器40は優れた耐熱性を有する。
 なお、タービン翼30及び燃焼器40は、第1実施形態のインピンジ冷却機構1に代えて、第2実施形態のインピンジ冷却機構1A、あるいは第3実施形態のインピンジ冷却機構1Bを備える構成を採用することもできる。
 以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されない。前述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
 本発明によれば、インピンジ孔から供給される限られた流量の冷却ガスを有効に活用し、インピンジ冷却による冷却効果をより向上することができるインピンジ冷却機構、タービン翼、及び燃焼器を得ることができる。
 1…インピンジ冷却機構、2…冷却ターゲット、3…対向壁(対向部材)、4…インピンジ孔、5…乱流促進体、6…乱流促進部、30…タービン翼、31…外壁、32…内壁、40…燃焼器、41…インナライナ、42…アウタライナ、G…冷却ガス、CF…クロスフロー

Claims (8)

  1.  冷却ターゲットに対向配置される対向部材に形成される複数のインピンジ孔から前記冷却ターゲットに向けて冷却ガスを噴出するインピンジ冷却機構であって、
     前記インピンジ孔から噴出された後の前記冷却ガスによって形成される流れであるクロスフローの流路中に乱流促進部が設けられ、
     前記乱流促進部は、前記クロスフローの上流側から下流側に向けて乱流が促進されるように構成されているインピンジ冷却機構。
  2.  前記乱流促進部は、前記インピンジ孔に対して、前記クロスフローにおける上流側に配置されている請求項1に記載のインピンジ冷却機構。
  3.  前記インピンジ孔の単位面積あたりの個数は、前記クロスフローの上流側において相対的に多く、下流側において相対的に少なくなるように設けられている請求項1に記載のインピンジ冷却機構。
  4.  前記乱流促進部は、前記冷却ターゲット側に設けられている請求項1に記載のインピンジ冷却機構。
  5.  前記乱流促進部は、バンプ形状である請求項1に記載のインピンジ冷却機構。
  6.  冷却ターゲットにフィルム孔が開口している請求項1に記載のインピンジ冷却機構。
  7.  請求項1に記載のインピンジ冷却機構を有するタービン翼。
  8.  請求項1に記載のインピンジ冷却機構を有する燃焼器。
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