JPH07103801B2 - エ−ロフオイルの冷却される壁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、膜冷却に係り、更に詳細には膜冷却されるエ
ーロフォイルに係る。

従来の技術 内部キャビティより複数個の小通路を経て外面へ冷却空
気を導くことにより、エーロフォイルの外面を冷却する
ことはよく知られている。通路より流出する空気は、高
温のメインガス流とエーロフォイルの表面との間に冷却
空気の保護膜を形成するよう、通路の下流側へできるだ
け長い距離に亙りエーロフォイルの表面上の境界層中に
留まることが好ましい。通路の軸線がエーロフォイルの
表面となす角度及び通路の開口に於てエーロフォイルの
表面上を流れる高温のガス流の方向に対する通路の軸線
の関係は、膜冷却の有効性に影響を及ぼす重要な因子で
ある。膜冷却の有効性Ｅは、メインガス流の温度（Tg）
と通路の出口より下流側方向へ距離ｘの位置に於ける冷
却流体膜の温度（Tf）との間の温度差を、メインガス流
の温度と通路の出口に於ける冷却流体の温度（Tc）との
間の温度差にて除算した値として定義される。即ちＥ＝
（Tg−Tf）／（Tg−Tc）である。膜冷却の有効性は通路
の出口よりの距離ｘの増大と共に急激に低下する。でき
るだけ広い面積に亙りできるだけ長い距離に亙って膜冷
却の有効性を高い値に維持することがエーロフォイルの
膜冷却の主たる目標である。

当技術分野に於ては、冷却空気が圧縮機より抽出された
作動流体であり、それがガス流路より失われることによ
りエンジンの効率が急激に低下するので、エンジンのエ
ーロフォイルはできるだけ少量の冷却空気を用いて冷却
されなければならないことがよく知られている。エーロ
フォイルの設計者は或る特定の最小の流量の冷却流体流
量を使用してエンジンの全てのエーロフォイルを冷却し
なければならないという問題に直面している。内部キャ
ビティより個々の冷却流体通路を経てガス流路内へ流れ
る冷却流体の量は、冷却流体通路の最小断面領域（計量
領域）により制御される。計量領域は典型的には通路が
内部キャビティと交差する位置に設けられる。内外の圧
力が一定又は少なくとも設計者の制御の範囲を越えてい
るものと仮定すれば、エーロフォイルの内部より通ずる
全ての冷却流体通路及びオリフィスの計量領域の全体が
エーロフォイルよりの冷却流体の全流量を制御する。設
計者は、エーロフォイルの全ての領域がエーロフォイル
の材料の能力、最大応力、及び寿命の要件の点から考慮
しなければならない点により決定される臨界設計温度限
界以下に維持されるよう、通路の大きさ、通路間の間
隔、通路の形状及び方向を特定しなければならない。

理想的にはエーロフォイルの表面の100％を冷却空気の
膜にて覆うことが望ましいが、通路出口より流出する空
気は一般にガス流に垂直な通路出口の寸法よりも広くは
ないか又は殆ど広くはない冷却膜の帯を形成する。冷却
流体通路の数、大きさ、及び間隔に対する制限により、
保護膜の間に隙間が生じ、また膜冷却の有効性が低い領
域が生じ、これにより局部的なホットスポットが発生す
る。エーロフォイルのホットスポットはエンジンの運転
温度を制限する一つの因子である。

米国特許3,527,543号に於ては、或る与えられた通路よ
りの冷却流体が境界層内により一層良好に留まるよう、
断面円形の末広テーパ状の通路が使用されている。また
通路は、長手方向に又は或る程度ガス流方向へ向けて延
在する平面内に於ては、冷却流体が通路より流出して下
流側方向へ移動する際に冷却流体を長手方向に拡散させ
るよう配向されていることが好ましい。かかる構造に拘
らず、煙流による可視化試験及びエンジンのハードウェ
アの検査により楕円形の通路開口（米国特許第3,527,54
3号）よりの冷却流体膜の長手方向の幅は、冷却流体が
エーロフォイルの表面に放出された後には、精々一つの
通路出口の短軸の長さ程度にしか長手方向に膨張しない
ことが解った。かかる事実及び通路間の長手方向の間隔
が直径の３〜６倍であることにより、エーロフォイルの
表面には長手方向に互いに隔置された通路の間の領域及
びその下流側の領域にその列の通路よりの冷却流体を受
けない部分が生じる。米国特許第3,527,543号に記載さ
れた円錐形の傾斜された通路によっても、精々70％以下
のカバー率（隣接する通路開口の中心間距離のうち冷却
流体により覆われる部分のパーセンテージ）しか得られ
ない。

冷却流体通路より流出する空気の速度は、通路出口に於
けるガス流の圧力に対する通路入口に於ける空気の圧力
の比に依存している。一般にこの圧力比が高くなればな
る程出口速度が高くなる。出口速度が高すぎると、冷却
空気がガス流中を貫流し、有効な膜冷却を行うことなく
ガス流により持去られる。逆に圧力比が小さすぎると、
冷却流体通路内へガス流が侵入し、エーロフォイルの冷
却が局部的に完全に行われなくなる。エーロフォイルの
冷却が完全に行われなくなると一般に有害な結果が生
じ、そのため一般に安全のための余裕が設けられる。こ
の安全の余裕のための余分の圧力により設計は高い圧力
比にならざるを得ない。高い圧力比の余裕は膜冷却構造
の一つの好ましい特徴である。前述の米国特許第3,527,
543号に記載されている如く通路をテーパ状とすること
によって冷却空気の流れを拡散させることはかかる余裕
を与える点で有益なものであるが、この米国特許に記載
されている如く拡散角度を小さくすると（最大12°の角
度）、圧力比に対する膜冷却構造の感受性を低減するた
めに最も好ましいと考えられている値に出口速度を低減
するためには、通路が長くなり、従ってエーロフォイル
の壁の厚さが大きくなる。これと同一の制限が米国特許
第4,197,443号に記載された台形状の拡散通路に於ても
存在する。この米国特許に記載された二つの互いに垂直
な平面内に於ける最大の拡散角度は、テーパ状の壁より
冷却流体が剥離することがなく、また冷却流体がそれが
通路より高温のガス流中へ流出する際に通路を完全に充
填することを確保すべく、それぞれ７°及び14°に設定
されている。拡散角度にはかかる制限があるので、エー
ロフォイルの壁を厚くし、またエーロフォイル内の通路
をスパン方向へ傾斜させることによってのみ幅の広い通
路出口を形成し、また通路間の長手方向の間隔を小さく
することができる。拡散角度が大きいことは好ましいこ
とではあるが、従来技術によってはこのことを達成する
ことはできない。

特開昭55−114806号の第２図及び第３図には、長手方向
に延在する列として設けられた直線円筒状の通路であっ
てエーロフォイルの外面に形成された長手方向に延在す
る溝に通ずる通路を有する中空のエーロフォイルが記載
されている。この出願に於ては、隣接する通路よりの冷
却流体の流れが互いに混ざり合い、冷却流体が溝より流
出してエーロフォイルの表面に到達する時点までに溝の
全長に亙り均一な厚さの冷却流体の膜を形成することが
記載されているが、本願発明者等が行った試験によれ
ば、円筒形通路よりの冷却流体は実質的に一定の幅（実
質的に通路の直径に等しい）の帯として下流側へ移動す
ることが解った。冷却流体の互いに隣接する帯が混ざり
合うことにより生じる拡散は遥かに下流側に於て生じる
ので、その点に於ける膜冷却の有効性は多くのエーロフ
ォイルの構造に必要とされる有効性よりも遥かに低い。

米国特許第3,515,499号には、エッチングされたウエハ
の積層体よりなるエーロフォイルが記載されている。完
成したエーロフォイルは、その外面に冷却空気の膜を形
成するよう冷却空気を放出する共通の長手方向に延在す
る溝まで内部キャビティより延在する複数個の長手方向
に隔置された通路を有する幾つかの領域を含んでいる。
この米国特許の第１図に於て、各通路はその入口よりそ
れが溝と交差する最小断面積の領域まで先細状をなして
いる。またこの米国特許の第９図の他の一つの実施例に
於ては、通路は小さい一定の大きさを有し、かなり幅の
広い溝に通じている。これら何れの構造も上述の特開昭
55−114806号について説明した欠点と同一の欠点を有し
ており、冷却流体はそれがメインガス流中へ流入する前
に溝を均一には充填せず、溝の下流側に於ける膜のカバ
ー率は100％よりもかなり低い値である。

米国特許第4,384,823号には、エーロフォイルの壁を貫
通して延在する一定の円形断面の通路であって、エーロ
フォイルの表面に冷却流体の膜を噴射する湾曲した冷却
流体通路を有する中空のエーロフォイルが記載されてい
る。

エーロフォイルの外面を膜冷却することに関する他の刊
行物としては、米国特許第2,149,510号、同第2,220,420
号、同第2,489,683号、1956年３月16日に出版された
「フライト・アンド・エアクラフト・エンジニア（Flig
ht and Aircraft Engineer）」No.2460、Vol.69（292〜
295頁）があり、これらはリーディングエッジ又はエー
ロフォイルの圧力側面及び吸入側面を冷却するために長
手方向に延在する溝を使用することを開示している。こ
れらの刊行物に記載された溝は内部キャビティと直接連
通するようエーロフォイルの壁を完全に貫通して延在し
ている。これらの溝は構造的強度の観点からは好ましく
なく、またこれらの溝によれば流量が非常に大きくな
る。

米国特許第4,303,374号には、エーロフォイルのトレー
リングエッジの切下げられた露呈面を冷却するための構
造が記載されている。この構造にはトレーリングエッジ
内の複数個の長手方向に隔置された末広通路が含まれて
いる。隣接する通路はそれらの出口端部に於て互いに近
接しており、切下げられた面上に冷却空気の連続的な膜
を形成する。

1971年にアメリカ合衆国ニューヨーク州のアカデミック
・プレス（Academic Press）より出版された「アドバン
シーズ・イン・ヒート・トランスファー（Advances in
Heat Transfer）」（ティ・エフ・アーヴィン・ジュニ
ア（T.F.Irvine,Jr.）及びジェイ・ピー・ハートネット
（J.P.Hartnett）編集）の第７巻の321〜379頁には、膜
冷却の技術の概略を示すリチャード・ジェイ・ゴールド
スタイン（Richard J.Goldstein）により著わされた
「フィルム・クーリング（Film Cooling）」と題する記
事が記載されている。この記事には、冷却されるべき壁
を完全に貫通して延在する種々の形状の細長い溝、及び
壁を貫通して延在する円形断面の通路が記載されてい
る。

米国特許第2,477,583号、同第3,303,645号、同第3,447,
318号、同第3,995,422号、同第4,267,698号、1952年１
月16日付にて公告された英国特許明細書第665,155号に
は、燃焼室装置内へその内面上に膜として冷却流体を導
く冷却流体通路手段を壁内に有する燃焼室装置が記載さ
れている。

発明の開示 本発明の一つの目的は、高温のガス流に近接する壁を冷
却するための改良された装置を提供することである。

本発明の他の一つの目的は、中空のエーロフォイルの壁
を貫通する冷却流体通路であって、エーロフォイルの通
路出口よりも下流側の表面上に冷却流体の一様な膜を形
成する通路を有するエーロフォイルを提供することであ
る。

本発明の更に他の一つの目的は、中空のエーロフォイル
の壁を貫通する冷却流体通路であって、エーロフォイル
の通路出口よりも下流側の外面上の広い領域に亙り幅の
広い膜として一様に少量の冷却流体を拡散させることの
できる冷却流体通路を有するエーロフォイルを提供する
ことである。

本発明によれば、冷却されるべき壁は、その第一の側に
於ては冷却流体の供給源を有し、その第二の側に於ては
外面に対し接線方向に且外面の平面内に於ては長手方向
に対し垂直な方向に下流側方向へ高温のガスが流れるよ
う構成され、前記壁はそれを貫通して延在し冷却流体の
供給源と連通する冷却流体通路を有し、該冷却流体通路
はその通路を流れる冷却流体の流量を制御する計量部
と、壁の外面に於ける通路出口へ向けて流路断面積が増
大する拡散部と、長手方向には末広状をなし且長手方向
に垂直な平面内に於ては通路出口へ向けて先細状をなす
ノズル部とを含んでおり、前記通路は外面に対し小さい
角度にて実質的に下流側方向へ冷却流体を導くよう配向
される。

中空のエーロフォイルの壁を貫通する通路であって、通
路出口より下流側の外面上に冷却流体の膜を形成する通
路の如き従来の冷却流体通路は、一般に二つの型式のも
のがある。その第一の型式の通路はその全長に亙り一定
の断面を有している。第二の型式の通路は通常その入口
に近接して設けられる計量部を有し、高温の表面に於け
る出口まで断面積が増大している。下流側方向が高温の
表面に対し接線方向であり、また長手方向が下流側方向
に対し垂直であって高温の表面の平面内にあるものと仮
定すれば、従来の第二の型式の通路の壁面は長手方向及
び長手方向に垂直な平面内の両方に於て末広状をなして
いる。かかる従来の構造に於ては、冷却流体が通路より
流出する際の冷却流体の速度プロフィールは出口の長手
方向長さに沿って一様ではなく、出口の長手方向端部へ
向けてテーパ状をなす通路出口の中心近傍に於て速度が
最大である。出口に於ける流体の温度か実質的に一様で
あるものとすれば、流体の速度は質量流量に正比例する
ので、通路より流出する冷却流体の質量は通路出口の長
手方向範囲全体に亙り均一ではない。

本発明の通路の壁面は従来技術の通路の場合と同様、長
手方向の平面内に於ては出口まで末広状をなしている。
しかし本発明の通路の壁面は長手方向に垂直な平面内に
於ては出口へ向けて先細状をなしており、これにより冷
却流体が出口へ向けて移動する際には冷却流体が通路の
長手方向端部へ向けて移動せしめられる。その結果出口
の長手方向範囲全体に亙り質量流量がより一層均一にな
る。また流れ可視化試験に於て、本発明によれば、冷却
流体はそれが出口より流出する際に通路の長手方向の幅
以上に拡散し、これにより更に表面冷却流体が覆う表面
積が増大することが認められた。更に冷却流体が通路よ
り流出する際には、その外面に垂直な方向の速度成分が
低減されるが、その下流側方向の速度成分は増大される
ものと考えられる。これらの幾つかの効果の結果とし
て、冷却流体はそれが通路より流出する際に外面により
一層近接するようになる。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

発明を実施するための最良の形態 本発明の一つの例示的実施例として、符号10にて全体的
に示された第１図のタービンブレードについて説明す
る。第１図及び第２図に於て、ブレード10は中空のエー
ロフォイル12を含んでおり、該エーロフォイルはそれと
一体をなすルート14よりスパン方向、即ち長手方向に延
在している。エーロフォイル12のベース部にはプラット
フォーム16が設けられている。エーロフォイル12は外面
20及び内面22を有する壁18を含んでいる。内面22は長手
方向に延在する内部キャビティを郭定しており、該キャ
ビティは長手方向に延在するリブ30及び32により互いに
隣接し長手方向に延在する複数個のコンパートメント2
4、26、28に分割されている。ルート14内に設けられた
通路34及び36はコンパートメント24、26、28と連通して
いる。ブレード10がガスタービンエンジンのタービンセ
クションの如きその所期の環境に於て作動される場合に
は、圧縮機のブリード空気の如き適当な供給源よりの加
圧された冷却流体が通路34及び36内へ供給され、これに
よりコンパートメント24、26、28内が加圧される。

この実施例に於ては、エーロフォイル12は翼弦方向に延
在する複数個のウエハ38にて形成されているが、このこ
とは本発明にとって必須ではない。各ウエハはエーロフ
ォイル形の外部形状を有しており、複数個のウエハが互
いに積層され且互いに接合されると、それらが全ての所
要のチャンネル及びキャビティを有するエーロフォイル
12を形成するよう、各ウエハには孔、切欠き、チャンネ
ル等が形成されている。かかる型式のウエハにて形成さ
れたブレードやエーロフォイルは当技術分野に於てよく
知られている。例えばかかるブレードやエーロフォイル
は米国特許第3,515,499号や本願出願人と同一の譲受人
に譲渡された米国特許第3,301,526号に記載されてい
る。

添付の図に於て、矢印40はエーロフォイルの表面上を流
れる高温のガスの流れ方向（即ち流線）を示している。
本発明を説明する目的で、エーロフォイルの圧力側面又
は吸入側面上を流れる高温ガスの流れ方向は下流側方向
と見做される。かくしてエーロフォイルの吸入側面又は
圧力側面の任意の点に於ては、下流側方向はエーロフォ
イルの表面に対し接線方向であり、不規則な流れが発生
されるエーロフォイルの先端やプラットフォーム16に近
いエーロフォイルのベース部を除き、下流側方向はエー
ロフォイルのスパン方向に対し実質的に垂直である。

本発明の一つの実施例によれば、エーロフォイル12はそ
の壁18の吸入側部分を貫通して長手方向に延在する一列
の互いに隔置された冷却流体通路42を含んでいる。明瞭
化及び簡略化の目的で、これらの冷却流体通路のみが図
示されているが、膜冷却される実際の中空のタービンエ
ーロフォイルは、吸入側及び圧力側側壁、リーディング
エッジ、及びトレーリングエッジを貫通する幾つかの列
の冷却流体通路を含んでいる。これらの通路は本発明に
従って構成されてよく、また当技術分野に於て周知の他
の形状を有していてもよい。またエーロフォイルは静止
ベーン及び回転するブレードの一部であってよい。かく
して図に示されたエーロフォイルは、本発明を説明する
ためのものであり、本発明の範囲を限定するものではな
い。

第３図乃至第７図に最もよく示されている如く、各通路
42は計量部44と、拡散部46と、ノズル部48とを直列の流
れ関係にて含んでいる。計量部44は直線状をなしてお
り、その中心軸線50に対し垂直な断面の面積は一定であ
る。軸線50は断面の幾何学中心を通っている。この実施
例に於ては、軸線50は長手方向に垂直な平面内に存在し
ているが、この軸線は米国特許第3,527,543号（第６図
〜第８図）及び1985年12月23日付にて出願され本願出願
人と同一の出願人に譲渡された米国特許出願第812,099
号に記載された通路の如く長手方向に傾斜されていてよ
い。またこの実施例に於ては、計量部44は実質的に長方
形の断面形状を有しており、壁18の内面22に設けられた
通路42への入口52を経て冷却流体コンパートメント26と
連通している。また計量部44は通路42の最小流路断面積
の部分を含んでおり、通路42内を流れる流体の流量を制
御する。通路42の長さはその通路の所望の計量領域を明
確に郭定するに十分な長さを少なくとも有していなけれ
ばならない。計量領域の断面形状は本発明にとって重要
ではない。

計量部44の出口は拡散部46への入口と一致している。拡
散部46も中心軸線50に垂直な断面で見て実質的に長方形
をなしている。この拡散部46は下流側へ面し長手方向に
延在する実質的に平坦な上流側面56と、実質的に上流側
へ面し長手方向に延在する実質的に平坦な下流側面58と
を含んでいる。上流側面56はその面の全長に亙り中心軸
線50に平行である。下流側面58は中心軸線50及び上流側
面56より離れる方向へ通路44の出口60へ向けて末広状を
なしている。この末広角度が記号Ａにて示されており、
この角度は５〜10°であることが好ましい。

第７図に最もよく示されている如く、拡散部46は互いに
隔置された実質的に平坦な一対の端面62を含んでおり、
これらの端面は出口60へ向けて長手方向に中心軸線50よ
り互いに離れる方向へ末広がり状をなしている。この実
施例に於ては、端面62は拡散部の入口54よりそれらがエ
ーロフォイルの外面20に交差するまで末広がり状をなし
ている。記号Ｂは端面62の中心軸線50よりの末広角度を
示すために使用されている。

通路42のノズル部48は互いに隔置され互いに対向する端
面64を含んでおり、これらの端面は長手方向の断面に於
ては外面20までの全長に亙り互いに離れる方向へ末広状
をなしている。この実施例に於ては、端面64は対応する
端面62と同軸であり且同一平面状をなしている。第３図
に最もよく示されている如く、ノズル部48は長手方向に
延在し互いに隔置され且互いに対向する上流側面66及び
下流側面68を含んでいる。下流側面68は拡散部の下流側
面と同一平面状態にて延在しており、拡散部より外面20
まで延在しており、通路の出口60の長手方向に延在する
下流側エッジ69（第５図参照）を郭定している。上流側
面66は長手方向に対し垂直な平面（第３図の紙面の平
面）内に於ては拡散部より実質的に出口60まで下流側面
68へ向けて先細状をなしている。かくしてノズル部48は
長手方向に垂直な平面内に於ては出口60へ向けて先細状
をなし、これと同時に長手方向の断面に於ては出口60へ
向けて末広状をなしている。通路42内を流れる冷却流体
は面68へ向けて実質的に下流側方向へ導かれ、これと同
時にそれが出口60へ向けて移動する際に強制的に長手方
向に拡散される。これにより冷却流体の外面20に垂直な
方向の速度成分は低減されるが、下流側方向40の速度成
分は増大される。かくして流体の質量は流体が通路より
流出する際に出口60の長手方向により一層均一に分配さ
れる。外面20に垂直な速度成分が小さいことにより、流
体が出口60の下流側へ流れる際にその流体が境界層内に
留まることが補助される。

この実施例に於ては、面66はリップ部70の内面である。
面66は軸線50に沿って計量部44を見ることができないよ
う面56より面68へ向けて十分に延在していることが好ま
しい。このことにより、計量部44より流出する流体が軸
線50に平行な直接的な経路に沿って通路42より流出しな
いことが確保される。このことにより外面20に垂直な方
向の冷却流体の平均速度が低減される。軸線50に沿って
計量部44をある程度見ることができる構造の場合にも、
本発明の利点の幾つかが得られるものと考えられる。

中心軸線50と外面20との間の角度Ｃ（中心軸線50と下流
側方向40との間の角度に等しい）は、約40°以下、好ま
しくは30°又はそれ以下の比較的小さい角度であること
が好ましい。角度Ａは少なくとも約５°であることが好
ましいので、面66は約35°以下の角度Ｄにて外面20と交
差していることが好ましい。一般に、通路の壁面は、外
面に対する角度が約40°以下の比較的小さい角度にて出
口より下流側方向へ冷却流体を導くよう配向されなけれ
ばならない。

第６図の拡大分解斜視図に示されている如く、各通路42
の互いに対向する半分の部分は、隣接するウエハ38が互
いに接合されると通路42の対応する半分の部分が互いに
整合されて完全な冷却流体通路42を形成するよう、隣接
するウエハ38の互いに当接し互いに接合される表面に形
成されている。尤もエーロフォイル12は必ずしもウエハ
にて形成される必要はない。エーロフォイルは鋳造によ
り一つの部材として形成されてもよく、また例えば一方
の半体がエーロフォイルの吸入側であり、他方の半体が
圧力側である二つの長手方向に延在する半体にて形成さ
れてもよい。通路42はエーロフォイルの壁に鋳造により
或いは放電加工の如き機械加工により形成されてよい。

第８図及び第９図は通路42の他の一つの形状を示すそれ
ぞれ第３図及び第５図に対応する解図である。尚これら
の図に於て、第３図及び第５図に示された部材と実質的
に同一の部材には同一の符号が付されている。第８図及
び第９図の実施例に於ては、通路42′は円筒状の計量部
44′とこれに連続する円錐形の拡散部46′とを含んでい
る。中心軸線50′は円錐形の軸線である。ノズル部48′
はリップ部70′により形成されており、リップ部は円錐
形の端部の実質的な部分を閉ざしており、楕円形の一部
の形状をなす出口60′を形成している。リップ70′の平
坦な内面66′は、長手方向に垂直な平面内に於てはノズ
ル部48′の上流側へ面する湾曲面102へ近づく方向に出
口60′へ向けて先細状をなしており、また通路は長手方
向の断面に於ては末広状をなしている。

第13図に於て、横軸は通路より流出する冷却空気の質量
流量に直接関係する数に対する冷却流体通路の出口より
の距離ｘ（出口を越えて流れるメインガス流の方向、即
ち下流側方向への距離）の比である無次元のパラメータ
Ｐである。また縦軸は冷却流体通路の出口より距離ｘ下
流側の位置に於ける上述の如く定義される膜冷却の有効
性Ｅの測定値である。可能な最大の冷却の有効性は1.0
である。Ｐは通路の出口よりの距離に直接関係してお
り、また出口より下流側方向への距離がこれらの試験に
於ける唯一の変量であるので、Ｐは通路の出口より下流
側方向への距離の指標と見做されてよい。

曲線Ａは第10図乃至第12図に示されている如き試験プレ
ート202を貫通する一列のベースライン（基準）冷却流
体通路200についての曲線である。このベースライン形
状は比較の目的で使用されており、末広角度が10°であ
る点を除き米国特許第4,197,443号に記載された冷却流
体通路と同様である。第10図に於て平面Aeに於て測定さ
れた通路の出口の断面積をAe（出口面積）とし、平面Am
に於て測定された計量部204の断面積をAm（計量面積）
とすれば、各通路の面積比Ae/Amは3.0であった。また互
いに隣接する計量部204の中心間距離をｐとし（第11図
参照）、計量部の有効直径（断面積がAmである円の直
径）をｄとすれば、直径に対するピッチの比p/dは4.0で
あった。

曲線Ｂは本発明による冷却流体通路についての曲線であ
る。この場合通路は上述の試験片のベースライン通路の
上流側部分上に或る長さのテープを貼着することにより
形成された。このテープが第10図乃至第12図に於て仮想
線にて示されており、符号300が付されている。このテ
ープにより第３図に於ける面68が形成された。出口面積
Ａ′ｅが計量部204の中心軸線に垂直であり且テープ300
の下流側端部に位置する平面Ａ′ｅに於て測定された。
この場合の面積比Ａ′e/Amは２であり、直径に対するピ
ッチの比p/dは4.0の同一の値であった。試験の他の全て
の条件はベースライン形状についての試験の条件と同一
であった。

ベースライン形状の孔と比較した場合に於ける本発明に
より得られる膜冷却の有効性Ｅの改善は大きく、第13図
のグラフより容易に理解される。例えばＰ＝20に於て
は、ベースライン形状の孔は本発明の試験形状の場合よ
りも小さい約0.18の冷却の有効性を有していた。Ｐ＝10
0に於ては両者の差異は約0.04であった。通路の出口に
於ける冷却流体の温度が1200゜F（649℃）であり、メイ
ンガス流の温度が2600゜F（1427℃）であるものと仮定す
れば、冷却の有効性が0.02増大することにより、冷却流
体の質量流量が同一である場合について見て冷却流体膜
の温度が約28゜F（15.5℃）低下する。

以上に於ては本発明を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他の種々の実施例が可能である
ことは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従って構成された冷却流体通路を有す
る中空のタービンブレードをその一部を破断して示す正
面図である。 第２図は第１図の線２−２に沿う断面図である。 第３図は第２図の線３−３にて示された領域の拡大部分
図である。 第４図は第３図の線４−４に沿う断面図である。 第５図は第３図の線５−５に沿う矢視図である。 第６図は第１図のエーロフォイルの二つの互いに隣接す
るウエハの一部の分解斜視図であり、本発明の冷却流体
通路を示している。 第７図は第３図の線７−７に沿う断面図である。 第８図は本発明の冷却流体通路の他の一つの形状を示す
第３図と同様の解図である。 第９図は第８図の線９−９に沿う矢視図である。 第10図乃至第12図は本発明との比較を行なうための冷却
流体通路のベースライン形状を示す解図である。 第13図は本発明の冷却流体通路の形状の膜冷却の有効性
を第10図乃至第12図に示されたベースライン形状の有効
性と比較するために使用されてよいグラフである。 10…ブレード,12…エーロフォイル,14…ルート,16…プ
ラットフォーム,18…壁,20…外面,22…内面,24、26、28
…コンパートメント,30、32…リブ,34、36…通路,38…
ウエハ,42…冷却流体通路,44…計量部,46…拡散部,48…
ノズル部,52、54…入口,56…上流側面,58…下流側面,60
…出口,62、64…端面,66…上流側面,68…下流側面,69…
下流側エッジ,70…リップ部,200…冷却流体通路,202…
試験プレート,204…計量部,300…テープ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−32903（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−216022（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−172407（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−165501（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷却される壁にして、冷却流体コンパート
   メントの一部を郭定する内面及び下流側へ向けて流れる
   高温のガスが接続的に接して流れる外面と、該壁を貫通
   して延在し前記コンパートメントより冷却流体を受ける
   べく前記コンパートメントと連通する入口と前記外面に
   開口する出口とを有する冷却流体通路とを有し、前記冷
   却流体通路は該通路内を流れる冷却流体の流量を計量す
   る一定の流路断面積の部分を含む計量部と、前記出口へ
   向かう方向に流路断面積が増大する拡散部と、前記出口
   に於て終わるノズル部とを冷却流体の流れ方向に沿って
   この順に含み、前記ノズル部は冷却流体を前記外面上へ
   実質的に下流側へ向かう方向に流出させるよう前記外面
   に対し鋭角に配向された流路を郭定する壁面を含んでお
   り、前記冷却流体流路は前記外面に平行な断面で見て前
   記出口へ向けて末広状に拡大しており又前記断面に垂直
   で且冷却流体の流れ方向に沿う断面で見て前記出口へ向
   けて先細状をなしており、前記出口はエーロフォイルの
   長手方向に細長く形成された冷却される壁。