JP2013100765A - インピンジ冷却機構、タービン翼及び燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】インピンジ冷却機構による冷却効率をより向上させる。
【解決手段】冷却ターゲット１０と対向部材２０との隙間におけるクロスフローＦの流れ方向における開口幅Ｄ１が、クロスフローＦの流れ方向と直交する方向における開口幅Ｄ２よりも大きく設定された扁平インピンジ孔２を有する。
【選択図】図１

Description

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ものである。

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させるためにインピンジ冷却機構を備えることがある。
例えば、特許文献１には、冷却ターゲットに対向配置される対向配置される対向部材に形成される複数の円形のインピンジ孔を有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号明細書

ところで、冷却ターゲットとインピンジ孔が形成される対向部材との隙間を流れるクロスフローは、インピンジ孔から当該隙間に供給される冷却ガスが加わることによって、下流に向かうに連れて流量が増大する。
このため、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当該クロスフローに流されてしまい、熱伝達率を高めることが難しい。

本発明は、上述する問題点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させることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、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上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、いずれかあるいは全ての上記インピンジ孔として、上記冷却ターゲットと上記対向部材との隙間におけるクロスフローの流れ方向における開口幅が、上記隙間におけるクロスフロー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設定された扁平インピンジ孔を有するという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記扁平インピンジ孔の最大開口幅方向が上記冷却ターゲットと上記対向部材との隙間におけるクロスフローの流れ方向と平行とされているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記冷却ターゲットと上記対向部材との隙間におけるクロスフローに晒されて配置される乱流形成手段を備えるという構成を採用する。

第４の発明は、上記第３の発明において、上記乱流形成手段が、上記扁平インピンジ孔に対向配置されて上記冷却ターゲットに固定される突起部または陥没部であるという構成を採用する。

第５の発明は、タービン翼であって、上記第１〜第４いずれかの発明であるインピンジ冷却機構を有するという構成を採用する。

第６の発明は、燃焼器であって、上記第１〜第４いずれかの発明であるインピンジ冷却機構を有するという構成を採用する。

本発明によれば、インピンジ孔として、冷却ターゲットと対向部材との隙間におけるクロスフローの流れ方向における開口幅が、隙間におけるクロスフロー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設定された扁平インピンジ孔を有する。
このような扁平インピンジ孔においては、冷却ターゲットと対向部材との隙間におけるクロスフローの流れ方向における開口幅が大きいため、同一の流量の冷却ガスを噴出する円形のインピンジ孔よりも、当該クロスフロー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、冷却ターゲットと対向部材との隙間におけるクロスフローと扁平インピンジ孔から噴出された冷却ガス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、冷却ガス流れに対するクロスフローの影響を小さくすることができる。
したがって、本発明によれば、扁平インピンジ孔から冷却ガスを噴出することにより、円形のインピンジ孔から冷却ガスを噴出する場合よりも多くの冷却ガスを冷却ターゲットに到達させることができる。
よって、本発明によれば、熱伝達効率を高め、冷却効率を向上させることが可能となる。

本発明の第１実施形態におけるインピンジ冷却機構の概略構成を示す模式図である。 本発明の第１実施形態におけるインピンジ冷却機構が備える扁平インピンジ孔の変形例を示す平面図である。 本発明の第２実施形態におけるインピンジ冷却機構の概略構成を示す模式図である。 本発明の第２実施形態におけるインピンジ冷却機構が備える乱流形成手段の変形例を示す模式図である。 本発明の第２実施形態におけるインピンジ冷却機構が備える乱流形成手段の変形例を示す模式図である。 本発明の第２実施形態におけるインピンジ冷却機構が備える乱流形成手段の変形例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態におけるインピンジ冷却機構の効果を検証するためのシミュレーションに用いた解析モデルの概念図である。 本発明の第１実施形態におけるインピンジ冷却機構の効果を検証するためのシミュレーションに用いた解析モデルのパターンを説明するための説明図である。 本発明の第２実施形態におけるインピンジ冷却機構の効果を検証するためのシミュレーションに用いた解析モデルの概念図である。 本発明の第２実施形態におけるインピンジ冷却機構の効果を検証するためのシミュレーションに用いた解析モデルのパターンを説明するための説明図である。 本発明の第１実施形態におけるインピンジ冷却機構を備えるタービン翼及び燃焼器を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るインピンジ冷却機構、タービン翼、燃焼器の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

（インピンジ冷却機構の第１実施形態）
図１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り、（ａ）が側面断面図、（ｂ）が対向壁の平面図であり、（ｃ）が扁平インピンジ孔の拡大図である。
これらの図に示すように、インピンジ冷却機構１は、冷却ターゲット１０に対向配置される対向壁２０（対向部材）に形成される複数の扁平インピンジ孔２を有している。
そして、インピンジ冷却機構１は、扁平インピンジ孔２から冷却ターゲット１０に冷却ガスを噴出することによって冷却ターゲット１０を冷却する。

扁平インピンジ孔２は、図１（ｂ）に示すように、対向壁２０に対して、均等間隔で複数設けられている。
各扁平インピンジ孔２は、図１（ｃ）に示すように、開口形状が、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に設定されている。

また、扁平インピンジ孔２は、図１（ｃ）に示すように、長軸が冷却ターゲット１０と対向壁２０との隙間におけるクロスフローＦの流れ方向と平行となるように姿勢設定されており、これによって最大開口幅方向がクロスフローＦと平行とされている。

そして、上述のように姿勢設定された扁平インピンジ孔２は、長軸がクロスフローＦの流れ方向を向き、短軸がクロスフローＦの流れ方向と直交する方向を向くことで、クロスフローＦの流れ方向における開口幅Ｄ１が、クロスフローＦの流れ方向と直交する方向における開口幅Ｄ２よりも大きく設定されている。

このような扁平インピンジ孔２は、従来用いられていた円形のインピンジ孔１００と開口面積が同一となるように大きさが設定されている。この結果、図１（ｃ）に示すように、扁平インピンジ孔２の開口幅Ｄ２は、従来の円形のインピンジ孔１００の直径Ｄａよりも狭くなっている。

なお、扁平インピンジ孔２の開口幅Ｄ１と開口幅Ｄ２との比率は、製造限界等によって設定される。
例えば、開口幅Ｄ１が広くなりすぎると、クロスフローＦの流れ方向に隣合う扁平インピンジ孔２と干渉して、扁平インピンジ孔２の形状を保てなくなるため、開口幅Ｄ１は、クロスフローＦの流れ方向に隣合う扁平インピンジ孔２と干渉しない範囲に設定する必要が生じる。そして、開口幅Ｄ１が決定すれば、従来用いられた円形のインピンジ孔１００と同一の開口面積とするための開口幅Ｄ２が一義的に決定し、開口幅Ｄ１と開口幅Ｄ２との比率が決定する。
なお、クロスフローＦの流れ方向における扁平インピンジ孔２の配置ピッチが狭く、開口幅Ｄ１を十分に広く確保できない場合には、扁平インピンジ孔２を千鳥配置とすることによって開口幅Ｄ１を広く確保することが可能となる。

このような構成を有する本実施形態のインピンジ冷却機構１によれば、インピンジ孔として、冷却ターゲット１０と対向壁２０との隙間におけるクロスフローＦの流れ方向における開口幅Ｄ１が、クロスフローＦの流れ方向と直交する方向における開口幅Ｄ２よりも大きく設定された扁平インピンジ孔２を有する。
このような扁平インピンジ孔２においては、クロスフローＦの流れ方向における開口幅Ｄ１が大きいため、同一の流量の冷却ガスを噴出する円形のインピンジ孔よりも、当該クロスフローＦ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、クロスフローＦと扁平インピンジ孔２から噴出された冷却ガス流れＧ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、冷却ガス流れＧに対するクロスフローＦの影響を小さくすることができる。
したがって、本実施形態のインピンジ冷却機構１によれば、扁平インピンジ孔２から冷却ガスを噴出することにより、円形のインピンジ孔から冷却ガスを噴出する場合よりクロスフローＦにより曲げられる影響を受けにくくなる。よって、熱伝達効率を高め、冷却効率を向上させることが可能となる。

なお、本実施形態のインピンジ冷却機構１においては、全てのインピンジ孔が扁平インピンジ孔２である構成を採用した。
しかしながら、必ずしも全てのインピンジ孔を扁平インピンジ孔２とする必要はない。例えば、クロスフローＦの冷却ガスへの影響は、当該クロスフローＦの流量が増大する下流側において大きくなる。このため、クロスフローＦの下流側のみを扁平インピンジ孔２としても良い。このような場合には、円形のインピンジ孔よりも加工コストが増大する扁平インピンジ孔２の数を減少させることができ、インピンジ冷却機構１の製造コストを低減させることができる。

また、本実施形態のインピンジ冷却機構１においては、扁平インピンジ孔２の開口形状がレーストラック形状である構成について説明した。
しかしながら、クロスフローＦの流れ方向における開口幅が、クロスフローＦ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設定されていれば、本発明における扁平インピンジ孔の開口形状は、必ずしもレーストラック形状である必要はない。
例えば、図２（ａ）に示すような、開口形状が楕円の扁平インピンジ孔２Ａを採用することも可能である。また、図２（ｂ）に示すような、開口形状が長方形の扁平インピンジ孔２Ｂを採用することもできる。また、図２（ｃ）に示すような、先端がクロスフローＦの下流側を向く二等辺三角形の扁平インピンジ孔２Ｃを採用することもできる。また、図２（ｄ）に示すような、先端がクロスフローＦの上流側を向く二等辺三角形の扁平インピンジ孔２Ｄを採用することもできる。また、図２（ｅ）に示すような、ひし形の扁平インピンジ孔２Ｅを採用することもできる。

（インピンジ冷却機構の第２実施形態）
次に、本発明のインピンジ冷却機構の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、上述のインピンジ冷却機構の第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図３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り、（ａ）が側面断面図、（ｂ）が冷却ターゲットの平面図である。
これらの図に示すように、インピンジ冷却機構１Ａは、クロスフローＦに晒されて配置される突起部３（乱流形成手段）を複数備えている。
この突起部３は、扁平インピンジ孔２に対向配置されて冷却ターゲット１０に固定されており、冷却ターゲット１０と対向壁２０との間の隙間に乱流を形成するものである。

このような構成を有する本実施形態のインピンジ冷却機構１によれば、突起部３によって冷却ターゲット１０と対向壁２０との間の隙間に乱流が形成され、熱伝達効率を高め、冷却効率を向上させることができる。

なお、本実施形態のインピンジ冷却機構１Ａにおいては、本発明の乱流形成手段が、扁平インピンジ孔２ごとに設けられた突起部３である構成を採用した。
しかしながら、本発明の乱流形成手段は、冷却ターゲット１０と対向壁２０との間の隙間に乱流を形成できるものであれば良い。
例えば、図４（ａ），（ｂ）に示すように、扁平インピンジ孔２ごとに設けられたディンプル３Ａを本発明の乱流形成手段として用いることも可能である。また、図５（ａ），（ｂ）に示すように、クロスフローＦの流れ方向と直交する方向に延在する溝部３Ｂを本発明の乱流形成手段として用いることも可能である。また、図６（ａ），（ｂ）に示すように、クロスフローＦの流れ方向と直交する方向に延在する突起部３Ｃを本発明の乱流形成手段として用いることも可能である。

（インピンジ冷却機構のシミュレーション結果）
上述の第１実施形態のインピンジ冷却機構１の効果を検証するためのシミュレーションを行った。
本シミュレーションにおいては、図７に示すように、インピンジ孔の配列方向下流側に排出孔を設け、さらに排出孔の外側領域にて主流ガスの流路を有する解析モデルを用いた。
さらに、本シミュレーションでは、図８に示すように、インピンジ孔を、開口形状が円形の従来のインピンジ孔としたもの（Ａ−１）と、開口形状がレーストラック形状でかつ長軸がクロスフローと平行とされた扁平インピンジ孔（上記第１実施形態の扁平インピンジ孔２に相当）としたもの（Ａ−２）と、開口形状がレーストラック形状でかつ長軸がクロスフローと直交とされた扁平インピンジ孔としたもの（Ａ−３）と、開口形状がレーストラック形状でかつ長軸がクロスフローに対して４５°で交差する扁平インピンジ孔としたもの（Ａ−４）とについて解析を行った。

この結果、表１に示すように、平均熱伝達率については、Ａ−２が最も優位であることが確認された。つまり、上記第１実施形態の扁平インピンジ孔を用いることによって従来の円形のインピンジ孔よりも熱伝達率を向上できることが確認された。
さらに、Ａ−２が最も優位であることから、最大開口幅方向がクロスフローの流れ方向と平行とされていることが平均熱伝達率の向上に大きく寄与することが分かる。したがって、扁平インピンジ孔は、長軸がクロスフローの流れ方向と平行となるように姿勢設定することが平均熱伝達率の観点から好ましい。

次に、上述の第２実施形態のインピンジ冷却機構１Ａの効果を検証するためのシミュレーションを行った。
本シミュレーションでは、図９に示すように、図７に示す解析モデルに対して突起部を付加した解析モデルを用いて解析を行った。
また、本シミュレーションでは、インピンジ孔を全て開口形状がレーストラック形状でかつ長軸がクロスフローと平衡とされた扁平インピンジ孔とし、図１０に示すように、冷却ガスの噴射方向から見てインピンジ孔を突起部の間に配置したもの（Ｂ−１）と、Ｂ−１の配置位置からさらに突起部の配列方向から外したもの（Ｂ−２）と、冷却ガスの噴射方向から見てインピンジ孔を突起部に重ねて配置されたもの（Ｂ−３）とについて解析を行った。

この結果、表２に示すように、平均熱伝達率については、Ｂ−３が最も優位であることが確認された。つまり、冷却ガスの噴射方向から見て扁平インピンジ孔を突起部に重ねて配置されたもの、すなわち突起部が扁平インピンジ孔に対向配置された構成が平均熱伝達率の観点から好ましい。

（タービン翼及び燃焼器）
図１１は、上述の第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を示す模式図であり、（ａ）がタービン翼断面図、（ｂ）が燃焼器断面図である。

タービン翼３０は、図１１（ａ）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。そして、外壁３１が上述の冷却ターゲット１０に相当し、内壁３２が上述の対向壁２０に相当し、内壁３２に設けられた扁平インピンジ孔を有するインピンジ冷却機構１を備えている。
上記第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向上させることができるため、このような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ものとなる。

燃焼器４０は、図１１（ｂ）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。そして、インナライナ４１が上述の冷却ターゲット１０に相当し、アウタライナ４２が上述の対向壁２０に相当し、アウタライナ４２に設けられた扁平インピンジ孔を有するインピンジ冷却機構１を備えている。
上記第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向上させることができるため、このような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ものとなる。

なお、タービン翼３０及び燃焼器４０が、上記第１実施形態のインピンジ冷却機構１に換えて上記第２実施形態のインピンジ冷却機構１Ａを備える構成を採用することも可能である。

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、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上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。

１，１Ａ……インピンジ冷却機構、２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ……扁平インピンジ孔、３……突起部（乱流形成手段）、３Ａ……ディンプル（乱流形成手段）、３Ｂ……溝部（乱流形成手段）、３Ｃ……突起部（乱流形成手段）、１０……冷却ターゲット、２０……対向壁（対向部材）、Ｄ１……クロスフロー方向における開口幅、Ｄ２……クロスフロー方向と直交する方向における開口幅、Ｆ……クロスフロー、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

Claims (6)

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、
   いずれかあるいは全ての前記インピンジ孔として、前記冷却ターゲットと前記対向部材との隙間におけるクロスフローの流れ方向における開口幅が、前記隙間におけるクロスフロー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設定された扁平インピンジ孔を有することを特徴とするインピンジ冷却機構。
2. 前記扁平インピンジ孔の最大開口幅方向が前記冷却ターゲットと前記対向部材との隙間におけるクロスフローの流れ方向と平行とされていることを特徴とする請求項１記載のインピンジ冷却機構。
3. 前記冷却ターゲットと前記対向部材との隙間におけるクロスフローに晒されて配置される乱流形成手段を備えることを特徴とする請求項１または２記載のインピンジ冷却機構。
4. 前記乱流形成手段は、前記扁平インピンジ孔に対向配置されて前記冷却ターゲットに固定される突起部または陥没部であることを特徴とする請求項３記載のインピンジ冷却機構。
5. 請求項１〜４いずれかに記載のインピンジ冷却機構を有することを特徴とするタービン翼。
6. 請求項１〜４いずれかに記載のインピンジ冷却機構を有することを特徴とする燃焼器。

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