(57)【要約】【課題】実物またはモデルを製作して実際に試験を行うことなく、様々の形態のインピンジ・ピンフィン複合冷却構造の冷却性能を予測することができるインピンジ・ピンフィン複合冷却構造の冷却性能予測方法を提供する。【解決手段】ターゲット板１、インピンジ板２、及びピン部材３からなり、インピンジ孔２ａからのインピンジ冷却とフィルム冷却孔１ａからのフィルム冷却を併用するインピンジ・ピンフィン複合冷却構造の冷却性能予測方法において、ターゲット板の冷却側伝熱面積Ａｃ，ｅｆｆｎｅｗを、数１の（４）式で表し、【数１】2004353550.tif 000008修正係数Ｆｔ、Ｆｐ、Ｆφが既知の基準形状と未知の新規形状の両方に対してＣＦＤ解析を実施し、両者を相対比較することで修正係数Ｆｔ、Ｆｐ、Ｆφを算出する。【選択図】      図１
2004353550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却対象のターゲット板、ターゲット板の裏側に間隔を隔てたインピンジ板、及びターゲット板とインピンジ板の間に挟持されてその間隔を保持するピン部材からなり、インピンジ板に設けられたインピンジ孔を通過した冷却ガスを衝突させてターゲット板の裏面をインピンジ冷却し、更に冷却ガスをフィルム冷却孔からターゲット板に沿って流して、ターゲット板の表面をフィルム冷却するインピンジ・ピンフィン複合冷却構造の冷却性能予測方法において、
ターゲット板の冷却側伝熱面積Ａｃ，ｅｆｆｎｅｗを、数１の（４）式で表し、
【数１】
2004353550.tif 000006
修正係数Ｆｔ、Ｆｐ、Ｆφが既知の基準形状と未知の新規形状の両方に対してＣＦＤ解析を実施し、両者を相対比較することで修正係数Ｆｔ、Ｆｐ、Ｆφを算出する、ことを特徴とするインピンジ・ピンフィン複合冷却構造の冷却性能予測方法。
【請求項２】
前記ＣＦＤ解析の結果から、数２の（５）〜（８）式より、修正係数Ｆｔ、Ｆｐ、Ｆφを求める、
【数２】
2004353550.tif 000007
、ことを特徴とする請求項１に記載の冷却性能予測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インピンジ・ピンフィン複合冷却構造の冷却性能予測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
タービン翼により高い冷却性能を持つ冷却構造を適用することにより、大幅な冷却空気量の削減を行うことが可能となり、燃料消費率改善に寄与することができる。しかし、従来の冷却構造の延長上の技術では、冷却性能の大幅な向上は期待できない。また、多孔質材を用いたトランスピレーション冷却は飛躍的に高い冷却性能が実現できることが知られているが、孔の大きさのばらつきや、多孔質材であることから強度が不十分であることから実用化されていない。
【０００３】
そこで、強度、耐久性で実績のある金属材料を多層化することによって、疑似的に多孔質に近い構造を実現し、冷却性能要求、構造強度要求を満足し、製造性に優れた図１に示すトランスピレーション冷却構造が提案されている。
【０００４】
このトランスピレーション冷却構造は、冷却対象のターゲット板１、ターゲット板の裏側に間隔を隔てたインピンジ板２、及びターゲット板とインピンジ板の間に挟持されてその間隔を保持する円筒形のピン３からなる。ターゲット板１はフィルム冷却用のフィルム冷却孔１ａを有し、インピンジ板２はインピンジ冷却用のインピンジ孔２ａを有する。この構成により、インピンジ孔２ａを通過した冷却空気がターゲット板１の裏面に衝突してインピンジ冷却を行い、更に冷却空気がフィルム冷却孔１からターゲット板１の表面に沿って流れ、ターゲット板の表面をフィルム冷却することができる。
【０００５】
インピンジ冷却のみの冷却性能は、例えば、非特許文献１に開示されている。また、円筒形のピン（ピンフィンと呼ぶ）のフィン効率φに関して、ピン表面の熱伝達率が一定という仮定の下で、数３の（１）（２）の理論式が確立されている（非特許文献２、参照）。
そこで、上述したトランスピレーション冷却構造におけるターゲット板の冷却側伝熱面積Ａｃは、ピンフィンの影響を加味すると、数３の（３）式のように表すことができる。なお、この式は非特許文献３に開示されている。
【０００６】
【数３】
2004353550.tif 000003
【０００７】
ここで、ｈｃｃｏｒ：経験式から求められるインピンジ冷却の熱伝達率、ｋｍ：熱伝導率、Ａｃ，０：ピンのない場合の冷却側面積、Ｎｐ：単位区画当たりのピン本数、Ａｐ：ピンの断面積、φｔｈ：理論式から求められるフィン効率、Ｓｐ：ピン周長、Ｚ：ピン高さである。
【０００８】
【非特許文献１】
Ｆｌｏｒｓｃｈｕｅｔｚ，Ｌ．Ｗ．，Ｔｒｕｍａｎ，Ｃ．Ｒ．ａｎｄ  Ｍｅｔｚｇｅｒ，Ｄ．Ｅ．，１９８１，“Ｓｔｒｅａｍｗｉｓｅ  Ｆｌｏｗ  ａｎｄ  Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｊｅｔ  Ａｒｒａｙ  Ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ  ｗｏｔｈ  Ｃｒｏｓｓｆｌｏｗ”，ＡＳＭＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ，１０３，ｐｐ．３３７−３４２．
【非特許文献２】
伝熱工学資料、日本機械学会、ｐ２０４
【非特許文献３】
平成１３年度  環境適合型次世代超音速推進システの研究開発  成果報告書  ｐｐ．５４６−５５３
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した数３の（３）式で、トランスピレーション冷却構造におけるターゲット板の冷却側伝熱面積Ａｃが求まれば、主流側の伝熱面積Ａｇは既知であるから、主流側と冷却側の面積比Ａｇ／Ａｃが求まり、これからトランスピレーション冷却構造の冷却効率ηを理論的に求めることができる。
【００１０】
しかし、トランスピレーション冷却構造として、図２に示す基本タイプ（Ｂａｓｉｃ  Ｔｙｐｅ）と微細タイプ（Ｆｉｎｅ  Ｔｙｐｅ）の２種類を製作して試験した結果、ピン密度が低い基本タイプでは、予測通りの冷却性能が得られたが、ピン密度の高い微細タイプでは、目標の冷却性能が得られなかった。
なお、基本タイプは、インピンジ冷却孔とフィルム冷却孔のそれぞれ１ピッチ分で構成される基準区画の中に、直径４ｍｍのピンが１本設置されているものであり、微細タイプは、同一の区画に直径３ｍｍのピンが４本設置されているである。冷却孔は両者とも全く同じ配置である。
【００１１】
そのため、上述した（３）式を用いたインピンジ・ピンフィン複合冷却構造の冷却性能予測方法は、ピン密度の高い微細タイプにはそのまま適用できず、汎用性がない問題点があった。
従って、ピン密度の高いインピンジ・ピンフィン複合冷却構造の冷却性能を確認するには、様々の形態の実物またはモデルを製作して実際に試験を行う必要があり、費用と時間がかかり過ぎる問題点があった。
【００１２】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、実物またはモデルを製作して実際に試験を行うことなく、様々の形態のインピンジ・ピンフィン複合冷却構造の冷却性能を予測することができるインピンジ・ピンフィン複合冷却構造の冷却性能予測方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、冷却対象のターゲット板、ターゲット板の裏側に間隔を隔てたインピンジ板、及びターゲット板とインピンジ板の間に挟持されてその間隔を保持するピン部材からなり、インピンジ板に設けられたインピンジ孔を通過した冷却ガスを衝突させてターゲット板の裏面をインピンジ冷却し、更に冷却ガスをフィルム冷却孔からターゲット板に沿って流して、ターゲット板の表面をフィルム冷却するインピンジ・ピンフィン複合冷却構造の冷却性能予測方法において、
ターゲット板の冷却側伝熱面積Ａｃを、数１の（４）式で表し、
修正係数Ｆｔ、Ｆｐ、Ｆφが既知の基準形状と未知の新規形状の両方に対してＣＦＤ解析を実施し、両者を相対比較することで修正係数Ｆｔ、Ｆｐ、Ｆφを算出する、ことを特徴とするインピンジ・ピンフィン複合冷却構造の冷却性能予測方法が提供される。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記ＣＦＤ解析の結果から、数２の（５）〜（８）式より、修正係数Ｆｔ、Ｆｐ、Ｆφを求める。
【００１５】
上述した本発明の方法によれば、ターゲット面とピン表面の熱伝達率を異なるものとして取り扱い、改良形態での熱伝達率・フィン効率の基本形態からの相対変化をＣＦＤ解析により見積もることにより、高密度なピン配置の冷却構造に対しても高精度に冷却性能を予測できることが後述する実施例で確認された。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１７】
【実施例】
１．冷却性能試験結果の再検討
非特許文献３において、図２に示す単位区画あたりピン１本の「基本タイプ」と、単位区画あたりピン４本の「微細タイプ」の試験片を用いて冷却性能試験を実施し、予測した冷却性能が得られるかどうかを確認した。その結果、基本タイプは旧予測方法（フィン効率を用いた簡易解析手法：上述した（３）式）で予測された冷却性能が得られたが、微細タイプでは予測を下回った。そのため改良設計を行うには、微細タイプで冷却性能が上がらなかった原因を明らかにし、高ピン密度冷却構造についても冷却性能を予測できるように予測方法を改良する必要がある。
【００１８】
非特許文献３で評価した冷却性能は、試験片表面に溶接した熱電対１点の計測値から求めたものである。しかし、冷却性能は試験片表面の面積平均温度で評価するべきであるので、そこで、この実施例ではサーモカメラで計測した２次元温度分布データから表面平均温度を算出し冷却効率を再評価した。
【００１９】
再評価した冷却性能試験結果と旧予測方法による冷却効率予測値を図３に示す。図３には熱電対の計測温度で評価した試験結果および予測値も示してある。熱電対温度での評価では基本タイプと微細タイプの計測結果にほとんど差が見られなかったが、サーモカメラの面積平均温度で評価した場合、基本タイプと微細タイプの計測結果には若干だが明らかな差が現れ、ピン密度増加の効果は確かに現れていることが確認された。しかし、面積平均温度で評価した場合も、やはり微細タイプの冷却効率は予測ほど上がらないという結果は変わらなかった。
【００２０】
２．ＣＦＤ援用による予測方法
旧予測方法では、次の２つの仮定がなされている。
（１）冷却空気が吹き付けられるターゲット面の平均熱伝達率がＦｌｏｒｓｃｈｕｅｔｚらの経験式（非特許文献１）で予測できる。
（２）ターゲット面の平均熱伝達率とピン表面の平均熱伝達率が等しい。
基本タイプについては過去の研究で上述の２つの仮定が成り立つことを試験により確認しており、非特許文献２の冷却性能試験結果が予測と一致したことと整合している。
【００２１】
しかし、微細タイプで試験結果が予測を下回ったことから、これらの仮定がピン密度の高い構造では成立していない可能性が考えられる。そこでこれらの仮定を排除し、ターゲット面とピン表面を個別に取り扱い、各々経験式や理論式で求められる熱伝達率とフィン効率を修正するファクター（修正係数）を導入した、より一般的な予測方法を創案した。この予測方法では有効伝熱面積は数４の（４）式で求める。
【００２２】
【数４】
2004353550.tif 000004
【００２３】
ここに、Ｆｔ：Ｆｌｏｒｓｃｈｕｅｔｚらの経験式から求められる値を修正するファクター、Ａｃ，０：ピンのない場合の冷却側面積（ｍ２）、Ｎｐ：単位区画当たりのピン本数、Ａｐ：ピンの断面積、Ｆｐ：Ｆｌｏｒｓｃｈｕｅｔｚらの経験式から求められる値を修正するファクター、Ｆφ：円柱フィン効率の理論式から求められる値を修正するファクター、φｎｅｗ：理論式から求められるフィン効率、Ｓｐ：ピン周長（ｍ）、Ｚ：ピン高さ（ｍ）である。
【００２４】
この方法では、冷却特性のわからない新規形状に対して修正係数Ｆｔ、Ｆｐ、Ｆφをいかにして求めるかが問題となる。そこで試験により冷却特性が確認されており修正係数Ｆｔ、Ｆｐ、Ｆφが既知の基準形状（例えば、Ｆｔ，Ｎ、Ｆｐ，Ｎ、Ｆφ，Ｎがそれぞれ１であることが確認されている）と新規形状に対してコンピュータを用いてターゲット板の冷却側のＣＦＤ解析を実施し、その解析結果を基に両者を相対比較することで修正係数Ｆｔ、Ｆｐ、Ｆφを算出する方法を創案した。
【００２５】
この方法では、ＣＦＤ解析結果から数５の（５）〜（７）式からｈｃ，ｔｎｕｍ、ｈｃ，ｐｎｕｍ、φｎｕｍを求め、次に、修正係数Ｆｔ、Ｆｐ、Ｆφを数５の（８）式で算出する。
【００２６】
【数５】
2004353550.tif 000005
【００２７】
ここに、Ｑｔ；ターゲット面での総熱流量（Ｗ）、Ａｔ：ターゲット面の面積（ｍ２）、Ｔｔ：ターゲット面の平均温度（Ｋ）、Ｔｃ，ｉｎ：冷却空気入口温度（Ｋ）であり、
Ｑｐ：ピン表面での総熱流量（Ｗ）、Ｎｐ：計算区画当たりのピン本数、Ａｐｓ：ピンの表面積（ｍ２）、Ｔｐ：ピン表面の平均温度（Ｋ）であり、
ｈｃｃｏｒ；Ｆｌｏｒｓｃｈｕｅｔｚらの経験式により算出されるインピンジ冷却の熱伝達率（Ｗ／（ｍ２Ｋ））であり、添え字Ｎ，Ｂはそれぞれ新規形状、基準形状を表す。
【００２８】
（８）式の分母は、基準形状のＣＦＤ解析値と経験式・理論式で算出される値の比で、ＣＦＤ解析誤差を補正するものである。
本方法は、ピン配置やピン密度が異なる新規形状の伝熱特性の基準形状からの変化率をＣＦＤ解析で予測することを特徴とする、汎用的なトランスピレーション構造の冷却性能予測方法である。
【００２９】
３．ＣＦＤ援用冷却性能予測方法の評価
創案したＣＦＤ援用冷却性能予測方法を、基本タイプを基準形状として微細タイプの試験結果で検証した。ＣＦＤ解析から得られた熱流束分布を図４に、ターゲット面のみの熱流束分布を図５に示す。図４から、微細タイプでは基本タイプに比べてピン表面の熱流束の高い領域がターゲット面側に寄った形で狭くなっていることがわかる。図５から、インピンジ孔位置のターゲット面に高い熱流束が現れているが、微細タイプではピンが邪魔になり、基本タイプに比べて高熱流束域が狭くなっている様子が見て取れる。
【００３０】
微細タイプについて算出された修正係数Ｆｔ、Ｆｐ、Ｆφを図６に示す。微細タイプではＦｔおよびＦｐ×Ｆφは１よりも小さく、旧予測方法よりも冷却効率が低く予測されることを示している。なお図３では、Ｗｃ／Ｗｇ（主流流量に対する冷却空気流量比）０．１５まで冷却性能試験結果が示されているが、図から読み取れるように、冷却空気流量の増加に対して冷却効率の上昇が顕著なのはＷｃ／Ｗｇ＜０．０６の範囲であり、通常この範囲で冷却設計を行う。よって、ＣＦＤ解析はＷｃ／Ｗｇ≦０．０６で実施した。ＣＦＤ援用冷却性能予測方法で予測した微細タイプの冷却効率と試験結果を図７に示す。Ｗｃ／Ｗｇ＞０．０６の領域の予測には、Ｗｃ／Ｗｇ＝０．０６での修正係数Ｆｔ、Ｆｐ、Ｆφを用いた。
【００３１】
冷却設計上興味のあるＷｃ／Ｗｇ≦０．０６の領域では予測結果は試験結果と良く一致していた。Ｗｃ／Ｗｇ＞０．０６の領域では解析精度が悪くなっているが、これは修正係数Ｆｔ、Ｆｐ、ＦφをＷｃ／Ｗｇ＝０．０６の値と仮定したことに起因する誤差と考えられ、冷却空気流量が多い条件でＣＦＤ解析を実施して正しい修正係数Ｆｔ、Ｆｐ、Ｆφを求めれば、解析精度は上がると考えられる。
以上より、ＣＦＤ援用冷却性能予測方法により高密度なピン配置の冷却構造に対して高精度に冷却性能を予測できることが確認できた。
【００３２】
図７に示したように、従来方法に比較し、本発明により予測精度が大幅に上がった。また、本発明の方法では、基本形態の試験結果から形状変更した改良形態の冷却性能を予測できるので、設計変更の際、冷却性能確認試験の回数を大幅に削減可能、時間と費用を大幅に削減できる。
【００３３】
なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００３４】
【発明の効果】
上述したように、ピン密度が高い構造（高ピン密度冷却構造）の冷却性能を予測するために、本発明では冷却構造内部の熱伝達予測にＣＦＤ解析を用いたＣＦＤ援用冷却性能予測方法を創案し、かつ高ピン密度冷却構造の試験結果で検証し有効性を確認した。
【００３５】
すなわち、本発明のインピンジ・ピンフィン複合冷却構造の冷却性能予測方法は、実物またはモデルを製作して実際に試験を行うことなく、様々の形態のインピンジ・ピンフィン複合冷却構造の冷却性能を予測することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】インピンジ・ピンフィン複合冷却構造の模式図である。
【図２】試験片の形態図である。
【図３】冷却効率と冷却空気量の関係図である。
【図４】冷却構造内部の熱流束と速度分布を示すＣＦＤ解析結果である。
【図５】ターゲット面の熱流束分布と速度分布を示すＣＦＤ解析結果である。
【図６】基本タイプに対する微細タイプの熱伝達率およびフィン効率の比率を示す図である。
【図７】本発明の方法による微細タイプ冷却効率の予測結果である。
【符号の説明】
１  ターゲット板、１ａ  フィルム冷却孔、
２  インピンジ板、２ａ  インピンジ孔、３  ピン
【図１】
2004353550.tif 000009
【図２】
2004353550.tif 000010
【図３】
2004353550.tif 000011
【図４】
2004353550.tif 000012
【図５】
2004353550.tif 000013
【図６】
2004353550.tif 000014
【図７】
2004353550.tif 000015