JP5834876B2 - インピンジ冷却機構、タービン翼及び燃焼器 - Google Patents

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。

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部材に多数のインピンジ孔を形成して、該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号明細書

ところで、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次第に流量が増大する。
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。

本発明のインピンジ冷却機構は、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ことを特徴とするインピンジ冷却機構。

また、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ことが好ましい。

また、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ことが好ましい。

また、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ことが好ましい。

また、前記インピンジ冷却機構において、前記乱流促進部は、バンプ形状であることが好ましい。
また、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ことが好ましい。

本発明のタービン翼は、前記のインピンジ冷却機構を有することを特徴とする。

本発明の燃焼器は、前記のインピンジ冷却機構を有することを特徴とする。

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ので、該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ので、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ものの、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一層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。

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、（ａ）は側断面図、（ｂ）は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図であり、（ａ）、（ｃ）は平面図、（ｂ）、（ｄ）は側面図である。 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、（ａ）は側断面図、（ｂ）は対向壁側から冷却ターゲット側を見た平面図である。 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、（ａ）は側断面図、（ｂ）は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、（ａ）、（ｃ）は平面図、（ｂ）、（ｄ）は側面図である。 本発明のインピンジ冷却機構を備えるタービン翼及び燃焼器を示す模式図であり、（ａ）はタービン翼の断面図、（ｂ）は燃焼器の断面図である。

以下、本発明を図面を参照して詳しく説明する。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。

（インピンジ冷却機構の第１実施形態）
図１（ａ）、（ｂ）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）は側断面図、（ｂ）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１（ａ）、（ｂ）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、該冷却ターゲット２に対向配置される対向壁３（対向部材）とを備え、対向壁３に多数のインピンジ孔４を形成し、冷却ターゲット２に多数の乱流促進体５（乱流促進部６）を形成している。なお、図示しないものの、冷却ターゲット２にはフィルム孔が開口している。

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を冷却するようになっている。また、インピンジ孔４から噴出された冷却ガスＧは、図１（ａ）、（ｂ）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との隙間を流れるようになっており、この冷却ガスＧの流れがクロスフローＣＦとなっている。

インピンジ孔４は、対向壁２を貫通して形成されたもので、円形状の開口を有するものであり、図１（ｂ）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１（ｂ）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、該クロスフロー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は、上流から下流に流れる際、図１（ａ）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、合流するため、下流に向かうに連れて次第に流量を増大する。

乱流促進体５は、本発明に係る乱流促進部６を構成するもので、本実施形態では図２（ａ）、（ｂ）に示すようなバンプ状、すなわち円錐台形状の突起体、あるいは図２（ｃ）、（ｄ）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。これら乱流促進体５は、本実施形態では全て略同じ大きさ・形状に形成されており、図１（ｂ）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。

そして、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１（ｂ）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、下流側に行くに連れ、乱流促進体５の数が増えている。すなわち、クロスフローＣＦの流れ方向に沿うインピンジ孔４の列を下流側に行くと、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、さらに下流側にいくと、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るようになっている。なお、図示しないものの、さらに下流側に行くに連れ、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、次第に乱流促進体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１（ｂ）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ることなく、当該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、縦横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、縦横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。

そして、本実施形態ではこのように同じ位置（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、縦横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、この一つの乱流促進体５によって本発明に係る乱流促進部６が構成され、縦横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、これによってクロスフロー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。

ここで、前記の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くなっている。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くなっている。

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おり、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くなっている。

このように本実施形態のインピンジ冷却機構１にあっては、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を設けているので、該乱流促進部６によってクロスフローＣＦの流れを乱すことにより、このクロスフロー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ので、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くなっている。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ものの、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一層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ので、該インピンジ孔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、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を冷却するようになっている。
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。

（インピンジ冷却機構の第２実施形態）
図３（ａ）、（ｂ）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）は側断面図、（ｂ）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１（ａ）、（ｂ）に示した第１実施形態のインピンジ冷却機構１と異なるところは、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構造１Ａでは、まず、インピンジ孔４の配置が図１（ｂ）に示したインピンジ冷却機構１と異なっている。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たのに対し、本実施形態のインピンジ孔４は、図３（ｂ）に示すように千鳥状に配置されている。

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くなっており、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くなっている。
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、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。

このような構成のもとに乱流促進部６（乱流促進体５）は、その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ようになっている。ここで、乱流促進部６はこれを構成する乱流促進体５の数が下流側に行くに連れて多くなっているので、前記の障害物としての機能も、下流側に行くに連れて高くなっている。

本実施形態のインピンジ冷却機構１Ａにあっては、前記第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とで、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に流されてしまい、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。

（インピンジ冷却機構の第３実施形態）
図４（ａ）、（ｂ）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り、（ａ）は側断面図、（ｂ）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１（ａ）、（ｂ）に示した第１実施形態のインピンジ冷却機構１と主に異なるところは、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構造１Ｂでは、図４（ｂ）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４（ｂ）では、クロスフローＣＦの上流側である紙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）設けられているのに対し、その下流側（紙面中央部）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、さらに下流側（紙面右側）では２個（１個×２列）設けられている。

この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ず、したがって冷却ターゲット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となる。

一方、クロスフローＣＦの流量が多い下流側では、前述したようにもともと冷却ガス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しており、したがって乱流促進部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一層高めている。したがって、この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ても、前述したようにもともと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による冷却が主となっているため、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一層高めることができ、したがって上流側から下流側にかけての全体として冷却効果も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つけているが、例えば個数は同じ（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るようにしてもよい。
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５（ａ）、（ｂ）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、この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つけることができる。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５（ｃ）、（ｄ）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、この乱流促進部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、深さを深くし、又は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つけることもできる。

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。

このような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、当該クロスフロー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、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６は、前記第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）はタービン翼の断面図、（ｂ）は燃焼器の断面図である。

タービン翼３０は、図６（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。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、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。ここで、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に適用できるのはもちろん、曲面状の前縁部３１ｃにも適用することができる。
前記第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より向上す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６（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。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、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。
前記第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より向上す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は、前記第１実施形態のインピンジ冷却機構１に代えて、前記第２実施形態のインピンジ冷却機構１Ａ、あるいは前記第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ことは言うまでもない。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。

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ことを特徴とす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ことを特徴とする請求項１又は２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ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のインピンジ冷却機構。
5. 前記乱流促進部は、バンプ形状であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項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ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のインピンジ冷却機構。
7. 請求項１〜６のいずれか一項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。
8. 請求項１〜６のいずれか一項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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