(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外面が高温ガスで加熱される高温部品の内面を高温ガスより低温度の冷却ガスで冷却する高温部品の内面冷却構造であって、
隙間を隔てて対向しその間に前記冷却ガスが流れる１対又は複数対の内面と、
該各内面に設けられ熱伝達率を高めるように配置された熱伝達促進部材と、を備え、
前記熱伝達促進部材は、前記各内面に設けられたディンプル、バンプ、及びリブからなり、
ディンプルは、前記冷却ガスの流れ方向及びこれに直交する方向にそれぞれ一定のピッチで配置され、
バンプは、前記ディンプルに対して千鳥配置に前記流れ方向及びこれに直交する方向にそれぞれ一定のピッチで配置され、
リブは、前記流れ方向に直交する方向に延びかつ前記バンプ間を連結して配置されており、
互いに対向する内面の一方のディンプルと他方のバンプが整合し、または前記流れ方向及びこれに直交する方向において１／２ピッチ以内で整合しており、
前記バンプは、切頭円錐形状であり、その底部直径が頂部直径より大きく、高さが内面間の隙間の１／２未満である、ことを特徴とする高温部品の内面冷却構造。
【請求項２】
前記ディンプルは、内面形状が球面の凹部であり、その直径がバンプの底部直径と同一またはそれより大きく、その深さがバンプの高さより低い、ことを特徴とする請求項１に記載の高温部品の内面冷却構造。
【請求項３】
前記リブは、矩形の棒状部材であり、その高さがバンプの高さより低い、ことを特徴とする請求項１に記載の高温部品の内面冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空用または産業用のガスタービンにおける動翼や静翼のような高温部品の内面冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空用または産業用のガスタービンにおける動翼や静翼のような高温部品は、運転中に外面が高温ガス（例えば１０００℃以上）に曝されるため、高温部品の過熱を防ぐため、その内側に冷却ガス（例えば冷却用空気）を流し高温部品を内側から冷却する場合がある。
そこでこのような内面冷却構造の性能を把握しその冷却性能を高めるため、多くの研究が従来から行われている（例えば、特許文献１，２、非特許文献１，２）。
【０００３】
特許文献１の内面冷却構造は、図７に示すように、内側部分５１と外側部分５２を有する少なくとも１つの壁５３と、壁の内側部分と外側部分の間に延び複数の流路５４からなるメッシュ冷却構造５５を形成する複数のピン５６と、内側部分と外側部分の少なくとも一方に設けられた複数の乱流発生部５７とからなるものである。
【０００４】
特許文献２の翼冷却構造は、図８に示すように、静翼６４の負圧側面を形成する背側壁部６６と正圧側面を形成する腹側壁部６７との間に設けられ、背側壁部６６及び腹側壁部６７の熱を冷却空気Ｙに伝達するピンフィン６１と、背側壁部内面６９に設けられると共にピンフィン６１から放射状に設けられ冷却効率を促進するリブ６２とを備えたものである。
【０００５】
非特許文献１は、対向面にディンプル（凹部）と凸部を有する流路の熱伝達に関する研究報告である。
非特許文献２は、ディンプル（凹部）と凸部（角、丸）を有するメッシュ冷却構造の熱伝達に関する研究報告である。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６９８４１０２号明細書、“ＨＯＴ  ＧＡＳ  ＰＡＴＨ  ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ  ＷＩＴＨ  ＭＥＳＨ  ＡＮＤ  ＴＵＲＢＵＬＡＴＥＤ  ＣＯＯＬＩＮＧ”
【特許文献２】特開２００６−２４２０５０号公報、「ガスタービンの翼冷却構造」
【０００７】
【非特許文献１】Ｇａｚｉ  Ｉ．  Ｍａｈｍｏｏｄ  ａｎｄ  ｏｔｈｅｒｓ，  “Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｉｎ  ａ  Ｃｈａｎｎｅｌ  ｗｉｔｈ  Ｄｉｍｐｌｅｓ  ａｎｄ  Ｐｒｏｔｒｕｓｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｏｐｐｏｓｉｔｅ  Ｗａｌｌｓ”，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｓｉｃｓ  ａｎｄ  Ｈｅａｔ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ，Ｖｏｌ．１５，  Ｎｏ．３，  ２００１
【非特許文献２】Ｒｏｎａｌｄ  Ｓ．  Ｂｕｎｋｅｒ  ａｎｄ  ｏｔｈｅｒｓ，  “ＩＮ−ＷＡＬＬ  ＮＥＴＷＯＲＫ  （ＭＥＳＨ）  ＣＯＯＬＩＮＧ  ＡＵＧＭＥＮＴＡＴＩＯＮ  ＯＦ  ＧＡＳ  ＴＵＲＢＩＮＥ  ＡＩＲＦＯＩＬＳ”，  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＡＳＭＥ  Ｔｕｒｂｏ  Ｅｘｐｏ  ２００４，２００４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、従来の内面冷却構造は、高温側の熱を低温側に伝熱するため、あるいは両方から内部に熱を伝熱するために高温側と低温側を直接連結する伝熱部材（上述の例では、ピン１８、ピンフィン４１など）を用いていた。しかし、そのため高温部品の内部の空洞部分が少なく、軽量化が困難であった。
また、特に翼（動翼及び静翼）の後縁部は翼面の中でも温度が高くなる部分であり、高い冷却性能が求められるが、厚みが薄くかつ両面から高温ガスで加熱されるため、内部に冷却壁を設けることができない。そのため従来は、ピンフィンやリブなどで乱流促進による冷却強化を実施しており、この部分の温度をメタル許容値以下に抑えるという条件で冷却空気流量が決まっていた。従って、従来以上に冷却空気流量を低減するには、さらに冷却効果の高い構造を当該部に適用する必要があり、高性能冷却構造の研究が盛んに実施されていた。
【０００９】
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、翼の後縁部のような薄肉部分も効果的に冷却することができ、内部の空洞部分が多く、軽量化が可能であり、かつ従来と比較して冷却空気量を削減することができる高温部品の内面冷却構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、外面が高温ガスで加熱される高温部品の内面を高温ガスより低温度の冷却ガスで冷却する高温部品の内面冷却構造であって、
隙間を隔てて対向しその間に前記冷却ガスが流れる１対又は複数対の内面と、
該各内面に設けられ熱伝達率を高めるように配置された熱伝達促進部材と、を備え、
前記熱伝達促進部材は、前記各内面に設けられたディンプル、バンプ、及びリブからなり、
ディンプルは、前記冷却ガスの流れ方向及びこれに直交する方向にそれぞれ一定のピッチで配置され、
バンプは、前記ディンプルに対して千鳥配置に前記流れ方向及びこれに直交する方向にそれぞれ一定のピッチで配置され、
リブは、前記流れ方向に直交する方向に延びかつ前記バンプ間を連結して配置されており、
互いに対向する内面の一方のディンプルと他方のバンプが整合し、または前記流れ方向及びこれに直交する方向において１／２ピッチ以内で整合しており、
前記バンプは、切頭円錐形状であり、その底部直径が頂部直径より大きく、高さが内面間の隙間の１／２未満である、ことを特徴とする高温部品の内面冷却構造が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
上記本発明の構成によれば、隙間を隔てて対向しその間に冷却ガスが流れる１対又は複数対の内面に、熱伝達率を高めるように熱伝達促進部材が配置されているので、冷却ガスと各内面との間の熱伝達率を高めることができる。
【００１４】
また、この熱伝達促進部材をディンプル、バンプ及びリブで構成し、それぞれ一定のピッチで様々な冷却構造を併用するこことで、内面の全面にわたって高い冷却性能を発揮できる。
また、互いに対向する内面を直接連結する伝熱部材（例えばピン）を用いないので、高温部品の内部の空洞部分が多く、軽量化が可能である。
さらに、互いに対向する内面の一方のディンプルと他方のバンプが整合し、または流れ方向及びこれに直交する方向において１／２ピッチ以内で整合する構成により、冷却ガスが内面に沿って流れるだけでなく、内面に直交する流れ成分を有するので、膜冷却やインピンジ冷却を併用することができ、熱伝達率を一層高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施形態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、重複した説明は省略する。
【００１６】
図１は本発明による内面冷却構造を構成する高温部品の内面を示す図であり、図２は図１のＡ部の拡大図、図３は図２のＢ−Ｂ断面図である。
本発明を構成する高温部品の内面１０は、熱伝達促進部材としてディンプル１２、バンプ１４及びリブ１６をその表面に有する。
ディンプル１２は、凹部であり、冷却ガス１（この例では冷却空気）の流れ方向（図１，２で左右方向）及びこれに直交する方向（図１，２で上下方向）にそれぞれ一定のピッチｐ１，ｐ２で配置されている。なお、冷却ガス１は、冷却空気に限定されず、高温ガスより低温度の冷却ガスであればよい。
バンプ１４は、突起部であり、ディンプル１２に対して千鳥配置に冷却空気１の流れ方向及びこれに直交する方向にそれぞれ一定のピッチｐ１，ｐ２で配置されている。
リブ１６は、冷却空気１の流れ方向に直交する方向に延びかつバンプ１４間を連結して配置されている。
【００１７】
この例において、ディンプル１２は、直径ｄ、深さｈ、曲面の直径Ｄの凹部であり、後述の例では、ｈ＝０．１６７ｄ、Ｄ＝１．６６７ｄ、ｐ１＝１．６６７ｄ、ｐ２＝１．６６７ｄである。
バンプ１４は、底部直径ｄ１、頂部直径ｄ２、高さｈ１の切頭円錐形状であり、後述の例では、ｄ１＝ｄ、ｄ２＝０．７３３ｄ、ｈ１＝０．１３３３ｄ、ｐ１＝１．６６７ｄ、ｐ２＝１．６６７ｄである。
リブ１６は、バンプ１４間を連結する高さｈ２の矩形の棒状部材であり、後述の例では、ｈ２＝０．０８３３ｄである。
なお、本発明はこれらの寸法に限定されず、任意に変更することができる。また、この例ではバンプ１４はディンプル１２に対して１／２ピッチずれた千鳥配置であるが本発明はこれに限定されず、１／２ピッチ以外のピッチでずれた配置であってもよい。
【００１８】
図４は、本発明の内面冷却構造の第１実施形態を示す図である。この図において、（Ａ）は冷却空気の流れ方向のディンプル１２の中心位置に沿った断面図であり、（Ｂ）はバンプ１４の中心位置に沿った断面図である。
また、図５は図４の構成における空気流路の形状を示す斜視図である。
【００１９】
図４、図５の内面冷却構造について、流路のレイノルズ数Ｒｅを約１０４に設定し、内面と流体間のヌセルト数ＮｕをＣＦＤを用いて解析した結果、平板の場合に較べて約１．３２倍の値が得られた。
従って、図４、図５の内面冷却構造は少なくとも平板同士より高い熱伝達性能を有することが確認された。
【００２０】
図６は、本発明の内面冷却構造の第２実施形態を示す図である。この例では、互いに対向する内面の一方のディンプル１２と他方のバンプ１４が面全体で同一位置に整合している。
この例では、ディンプル１２とバンプ１４の位置が一致しているので、この部分で冷却空気が内面に沿って流れるだけでなく、内面に直交する流れ成分を有する。従って、膜冷却やインピンジ冷却に似た冷却構造を併用することができ、熱伝達率を第１実施形態よりも一層高めることができる。
なお、本発明はこの構成に限定されず、ディンプル１２とバンプ１４の位置が、流れ方向及びこれに直交する方向において１／２ピッチ以内で整合してもよい。
【００２１】
上述した本発明の構成によれば、隙間Ｈを隔てて対向しその間に冷却ガス１（冷却空気）が流れる１対又は複数対の内面１０に、熱伝達率を高めるように熱伝達促進部材（ディンプル１２、バンプ１４及びリブ１６）が配置されているので、冷却空気１と各内面１０との間の熱伝達率を高めることができる。
【００２２】
また、この熱伝達促進部材をディンプル１２、バンプ１４、及びリブ１６で構成し、それぞれ一定のピッチｐ１、ｐ２で様々な冷却構造を併用するこことで、全面にわたって高い冷却性能を発揮できる。
また、互いに対向する内面１０を直接連結する伝熱部材（例えばピン）を用いないので、高温部品の内部の空洞部分が多く、軽量化が可能である。
さらに、互いに対向する内面１０の一方のディンプル１２と他方のバンプ１４が整合し、または流れ方向及びこれに直交する方向において１／２ピッチ以内で整合する構成により、冷却空気が内面に沿って流れるだけでなく、内面に直交する流れ成分を有するので、膜冷却やインピンジ冷却を併用することができ、熱伝達率を一層高めることができる。
【００２３】
なお、本発明は、上述した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に変更することができることは勿論である。
例えば、上述した例と相違し、以下の構成であってもよい。
（１）バンプはディンプルよりも径が小さくてもよい。
（２）バンプの上底径（頂部直径）と下底径（底部直径）の比率、リブとバンプの高さ比率、バンプと２枚の板の隙間間隔の比率、ディンプルの径とピッチの比率は、いずれも上述した例に限定されない。
（３）第１実施形態と第２実施形態の中間的な配置であってもよい。つまり、２枚の冷却構造構成要素の対向のさせ方において、流れと垂直方向のずらし量が、０ピッチ、０．５ピッチ以外の構造であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明による内面冷却構造を構成する部材内面を示す図である。
【図２】図１のＡ部の拡大図である。
【図３】図２のＢ−Ｂ断面図である。
【図４】本発明の内面冷却構造の第１実施形態を示す図である。
【図５】図４の構成における空気流路の形状を示す斜視図である。
【図６】本発明の内面冷却構造の第１実施形態を示す図である。
【図７】特許文献１の内面冷却構造の模式図である。
【図８】特許文献２の翼冷却構造の模式図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  冷却ガス（冷却空気）、１０  内面、
１２  ディンプル、１４  バンプ、
１６  リブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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