JPH07103805B2 - エ−ロフオイルの冷却される壁 - Google Patents

エ−ロフオイルの冷却される壁

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JPH07103805B2
JPH07103805B2 JP61307579A JP30757986A JPH07103805B2 JP H07103805 B2 JPH07103805 B2 JP H07103805B2 JP 61307579 A JP61307579 A JP 61307579A JP 30757986 A JP30757986 A JP 30757986A JP H07103805 B2 JPH07103805 B2 JP H07103805B2
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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,
543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（本願に於てそ
れぞれ第14図及び第15図に再現されている）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。
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ら
ざるを得ない。
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。
発明の開示 本発明の一つの目的は、高温のガス流が隣接して流れる
壁を冷却するための改良された膜冷却通路構造を提供す
ることである。
本発明の他の一つの目的は、短い拡散距離にてエーロフ
ォイルの外面の広い領域に亙り少量の冷却流体を膜とし
て拡散させることのできるエーロフォイルの膜冷却通路
構造を提供することである。
本発明によれば、冷却されるべき壁を貫通する膜冷却通
路は、高温のガスが隣接して流れる壁の外面に位置する
通路の出口まで延在する拡散部と直列の流れ関係をなす
計量部を有し、拡散部は該拡散部内を流れる冷却流体の
流れに対し垂直な断面で見て実質的に長方形をなしてお
り、互いに隔置され且互いに対向する末広状の側壁を有
しており、該側壁は拡散部の上流側面をこれに対向する
拡散部の下流側面に接続しており、前記側壁は大きい半
径の滑らかな曲面としてそれらの全長に亙り前記下流側
面と接続されている。
本明細書に於て、拡散部の「下流側面」とは通路の出口
を越えて流れる高温のガスの流れ方向に対し実質的に上
流側方向に面する拡散部の面である。下流側面は冷却さ
れるべき壁の外面に交差してこれ以降通路の出口の下流
側エッジと呼ばれるエッジを郭定している。
本明細書の従来技術の説明の欄に於て上述した如く、従
来技術の目標は冷却されるべき壁の低温側より少量の冷
却流体を取出し、その冷却流体を壁の高温側のできるだ
け広い領域に薄い膜として拡散させることであった。こ
のことを行うためには、冷却流体通路の出口を該出口に
於て壁の表面を越えて流れる高温のガスの流れ方向に垂
直な方向にできるだけ長くすることが望ましく、そうす
れば冷却流体はそれが出口の長さと同程度の幅を有する
冷却流体の膜を出口の下流側に形成するよう出口に於て
通路全体を一様に（理想的な場合）充填する。小さい面
積の入口又は計量部より大きい面積の出口まで冷却流体
の流れを拡散させるに際しては、冷却流体が末広状の壁
より剥離することを阻止し、これにより冷却流体が出口
に於ても通路を充填することを確保するためには、比較
的小さい拡散角度（即ち７°以下）を採用する必要があ
ることが従来技術に示されている。拡散角度が小さい値
に制限されれば、通路の出口の寸法を大きくするために
は通路の長さを大きくすることが必要になる。冷却され
るべき壁が中空のタービンエーロフォイルの壁の如く薄
い場合には、通路の最大長さは厳しく制限される。通路
の長さが制限されることに加えて、製造上の制限や空間
上の制限により、従来技術に於ては通路の出口の間の間
隔を比較的大きくせざるを得ず、そのため通路により形
成される冷却流体膜の間隔も大きくなる。
本発明によれば、驚くべきことに、拡散部の側壁が拡散
部の下流側面と接続される部分に於ける従来の小さい半
径（即ち鋭敏な隅部）を比較的大きい半径の隅部に置換
えることにより比較的大きい末広角度の側壁を採用する
ことができ、即ち丸い内側隅部により溝全体が冷却流体
にて充填されることが補助され、また大きい末広角度が
採用される場合にも冷却流体の流れた側壁より剥離する
ことを回避し得ることが解った。本発明に従って構成さ
れた通路を用いて行われた試験の結果、30°までの拡散
角度（60°までの頂角）が有効であることが解った。
通路の出口近傍に於ける隅部の湾曲の直径は、今問題に
している位置に於ける拡散部の上流側面と下流側面との
間の距離と同程度でなければならない。上流側面及び下
流側面が通路の出口へ向けて末広状をなす典型的な場合
に於ては、隅部の半径は拡散部への入口近傍に於ては比
較的小さく、通路の出口に於ける最大の半径にまで次第
に増大している。一つの実施例に於ては、各隅部は傾斜
した円錐形の一部を構成している。
丸い隅部はその全長に亙り逆方向に回転する渦流を発生
し、このことにより凝集性のある中央コアより冷却流体
が引張られ、該流体がそれが通路の拡散部を流れて出口
へ向けて移動する際に側壁へ向けて導かれる。かくして
従来技術の通路に於て採用されている値よりもかなり大
きい拡散角度の場合にも冷却流体の流れが側壁より剥離
することが回避され、これにより比較的短い通路長さに
よっても大きい拡散角度を有する通路が完全に充填され
ることが可能になる。
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。
第１図及び第２図に示されている如く、エーロフォイル
12は吸入側に設けられた通路38、エーロフォイルのリー
ディングエッジの近傍に設けられた通路42、圧力側に設
けられた通路44の如く、長手方向に延在する複数列の冷
却流体通路を含んでいる。各通路38、42、44はエーロフ
ォイルの内面22に位置する入口より外面20に位置する出
口まで延在している。これらの通路は一つの列内に於
て、また列相互間に於て互いに同一である必要はない。
また吸入側の外面20は長手方向に延在する溝40を含んで
おり、該溝は内面22まで延在する長手方向に互いに整合
された複数個の通路41により冷却流体が供給されるよう
になっている。第１図及び第２図に示されたエーロフォ
イルは明瞭化の目的で簡略化されており、図示の通路の
列の数、各列内の通路の数、列間の間隔は本発明を説明
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。
冷却流体通路は任意の好適な手段により形成されてよ
い。一つの好ましい方法は、形成されるべき通路の形状
を有する電極を用いて行われる周知の放電加工（EDM）
である。第７図に示されている如き櫛形の電極を用いて
複数個の通路を同時に形成することができ、第７図に示
された電極は互いに隣接する複数個の歯45を含み、各歯
は形成されるべき通路の形状を有し且共通のベース部47
にて互いに連結された単純な電極である。本発明の通路
を形成するために使用されてよい他の一つの櫛形電極が
本願出願人と同一の出願人により本願と同日付にて出願
された特願昭61−307577号）に記載されている。通路を
形成する方法は本発明の一つの特徴をなすものではな
い。
添付の図に於て、矢印50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
と見倣される。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。
本発明の改良された冷却流体通路は、スパン方向の列と
して配列されエーロフォイルの吸入側の壁を貫通して延
在する通路38として図示されており、第３図乃至第６図
に於ては大きく拡大されている。図に於ては、本発明の
冷却流体通路は吸入側の冷却流体通路として示されてい
るが、エーロフォイルの吸入側に限定されるものではな
い。本発明は、壁の一方の側に比較的低温の流体を貯容
する加圧されたコンパートメント、即ち室を有し、冷却
されるべき領域に於ては冷却流体よりも圧力の低い高温
の流体が壁の他方の側の表面上に流れる任意の比較的薄
い壁を冷却するのに有用である。
第３図乃至第６図に於て、通路38は計量部52とこれに連
続する拡散部56とを直列の流れ関係にて含んでいる。こ
の実施例に於ては、計量部52の断面形状は実質的に長方
形であるが、その断面形状は本発明にとって重要ではな
く、例えば円形や楕円形であってもよい。計量部52は冷
却流体通路38のうち、該通路内を流れる流体の流れ方向
（計量部52の断面の幾何学的中心を通って延在する通路
の中心線39に沿う方向）に垂直な断面積が最も小さい部
分である。通路38の長さＢは中心線39が面20及び22と交
差する点の間に於ける中心線39の長さである。尚本明細
書に於ては、中心線39に沿う流れ方向を「軸線方向」と
呼ぶこととする。
計量部52はそれより流出する冷却流体の質量の凝集性を
低減すべく長さの短いものであることが好ましい。計量
部の断面の有効直径の約３倍未満の長さが好ましい。計
量部領域が良好に形成される限り、長さが短ければ短い
ほど好ましい。計量部52への入口58はコンパートメント
26（第２図参照）の内面22に位置する通路38への入口60
と連通しており、コンパートメント26より冷却流体の流
れを受けるようになっている。
計量部52の出口62は拡散部56への入口と一致している。
拡散部56は互いに隔置された一対の平坦面66及び68を有
している。平坦面68はエーロフォイルのスパン方向、即
ち長手方向に平行であり、また中心線39に対し平行であ
る。
平坦面66及び68は実質的に下流側方向へ延在しており、
それぞれ角度γ１、γ２にてエーロフォイルの外面20と
交差している（第３図参照）。これらの角度は、冷却流
体の流れがエーロフォイルの外面に垂直な方向に高温の
ガス流中へ貫流することを低減するためには、約40°以
下、特に30°以下の比較的小さい角度であることが好ま
しい。冷却流体の過剰な貫流が生じると、冷却流体は通
路の出口の下流側に於て冷却流体の膜としてエーロフォ
イルの表面に付着した状態に留まるのではなく、エーロ
フォイルの表面より離れてすぐに拭い去られてしまう。
平坦面66及び68が外面20と交差することにより、それぞ
れ通路の出口71の下流側エッジ73及び上流側エッジ75が
郭定されており、かかる位置関係より、平坦面66及び68
をそれぞれ下流側面及び上流側面と呼ぶこととする。下
流側面66は実質的に上流側へ面しており、上流側面68は
実質的に下流側へ面している。後に説明する大きい湾曲
した隅部のための余裕を与えるためには、下流側面66は
通路の出口71へ向けて中心線39より離れる方向に末広状
をなしていることが必要である。下流側面66は５〜10°
の角度にて上流側面68より離れる方向へ末広状をなして
いることが好ましい。このことにより角度γ１が低減さ
れ、望ましい。
第４図乃至第６図に最もよく示されている如く、拡散部
56は互いに対向し面66と68との間に延在する側面70及び
72を含んでいる。各側面は計量部の出口より通路の出口
まで直線状の経路に沿って延在しており、角度βにて軸
線方向より離れる方向へ拡散している（第６図参照）。
試験の結果、拡散角度βは30°までの値であることが好
ましいことが認められ、その場合には通路の出口の全幅
に実質的に等しい幅を有する冷却流体膜が形成され、こ
のことは通路がフルに冷却流体を流したことを意味す
る。但し40°までの良好に調整された拡散角度が採用さ
れてよいものと考えられる。
第12図及び第13図に解図的に示されている如く、側面70
及び72は凸状に湾曲していてもよく（70′、72′）、又
はそれぞれ前の直線部よりも大きい角度にて軸線方向よ
り離れる方向へ拡散する複数個の直線部（70″又は7
2″）よりなっていてもよい。各場合の有効拡散角度は
それぞれβ′、β″である。
第4a図乃至第4c図に於て、各側面70及び72は鋭敏な隅部
や小さい曲率半径（後に説明する第８図乃至第10図参
照）とは対照的に滑らかな曲面としてその長手方向に沿
って符号74及び76にて示された位置に於て下流側面66に
接続されている。通路38の出口に於ける湾曲した隅部
（第4a図参照）の直径は、出口に於ける面66と68との間
の距離程度であることが好ましい。隅部の直径は拡散部
の入口へ向かうにつれて先細状をなすよう漸次低減され
ている。隅部は拡散部の長手方向に沿って傾斜した円錐
形の一部をなしていることが好ましく、円錐形の頂点は
点Ｃ（第３図及び第4a図参照）に位置していることが好
ましい。
第８図乃至第10図に示されている如き従来の通路に於て
は、冷却流体の流れは境界層内に於ける粘性による剪断
力により拡散部の末広面110及び112に沿って導くことが
困難な比較的凝集性の高い一方向の塊に留まる。本発明
の通路の滑らかに湾曲した隅部は逆方向に回転する渦を
発生し、このことにより拡散部を冷却流体にて均一に充
填することが補助され、これにより従来より使用されて
いる通常の小さい曲率半径の隅部や鋭敏な隅部により可
能である拡散角度よりも大きい拡散角度βを採用するこ
とが可能になる。本発明の通路によれば、その拡散角度
が大きいので、通路の長さＢ（第３図）及び計量部の断
面積が同一である従来の通路の場合に比して、等量の冷
却流体をかなり広い領域に亙り拡散させることができ
る。このことにより計量部の有効直径（Ｄ）に対する長
さ（Ｂ）の比が小さい冷却流体通路を採用することがで
き、このことは冷却されるべき壁が非常に薄い場合に特
に有利である。
物理的制約により全ての冷却流体通路の計量部の断面積
の合計が制限され、また各計量部の最小寸法が制限され
る壁の厚さの小さい（例えば0.030inch（0.76mm）エー
ロフォイルの場合には、本発明によれば、従来の通路が
採用される場合に比してスパン方向の列の複数個の通路
の出口を互いにより一層近づけることができる。
第１図、第16図、第17図、第18図に示されている如き本
発明の他の一つの実施例によれば、上述の通路38と同様
の形状を有する冷却流体通路41をそれらの側面100がエ
ーロフォイルの外面20の内側に於て交差し、これにより
長手方向に延在する溝40を郭定し得るよう、十分に互い
に近づけて配置することができる。かかる構成によれ
ば、各通路41よりの冷却流体はエーロフォイルの表面下
にて溝40内に於て更に拡散し、溝の長手方向に沿って連
続的な膜として流出する。このことにより、上述の実施
例の通路38の如くエーロフォイルの表面に於て互いに独
立した出口として開口する長手方向に隣接する通路の間
に於て一般に発生する冷却流体膜の間の間隙が完全に排
除される。
比較の目的で、本発明による冷却流体通路がこれ以降ベ
ースライン（基準）形状と呼ばれる第８図乃至第11図に
示された形状の一列の通路との対比に於て試験された。
この形状の通路は拡散角度が10°である点を除き、米国
特許第4,197,443号に記載された通路と同様である。後
に説明する試験に於ては、これらの通路はフルに冷却流
体を流し、前述の米国特許に於ては最大の拡散角度が７
°であることが提案されているにも拘らず、通路の出口
と実質的に同一の幅の冷却流体膜を形成した。
第11図のグラフはこの試験の結果を示している。第11図
に於て、横軸は冷却流体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流れ方
向、即ち下流側方向）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倣されてよい。
曲線Ａは第８図乃至第10図に示されている如く試験プレ
ート202を貫通して設けられた一列のベースライン冷却
流体通路200についての曲線である。第８図に於て平面A
eに於て測定された通路の出口の断面積をAeとし、平面A
mに於て測定された計量部204（第８図参照）の断面積を
Amとすれば、各通路の面積比Ae/Amは3.6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９
図参照）、計量部の有効直径（断面積がAmであるる円の
直径）をｄとすれば、直径に対するピッチの比p/dは6.5
であった。
曲線Ｂは第１図及び第16図乃至第18図との関連で上述し
た通路41及び溝40により形成された冷却構造と同様の平
坦な試験プレートに形成された冷却構造についての曲線
である。第16図及び第17図に於ける角度βは25°であ
り、角度θは10°であり、角度γは40°であった。面積
比Ae/Amが13.3であり、直径に対するピッチの比p/dは5.
77であった。面積Ae及びAmはそれぞれ通路の中心軸線に
垂直な第17図の平面Ae及びAmに於て測定された。試験プ
レートの側面に形成され冷却流体を受ける溝40は複数個
の通路41と交差し、各通路の末広状の側面は高温ガスの
流れに接する表面の直下に於て隣接する通路の側面と交
差していた。かくしてこれらの通路は第１図に示された
溝40と同様、試験プレートの高温側の面に沿って長手方
向に延在する溝を形成していた。
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11図のグラフより容易に理解される。例えばＰ＝
50に於ては、本発明の通路はベースライン形状の通路の
冷却の有効性よりも約0.03高い冷却の有効性を有してい
る。またＰ＝200に於ては、冷却の有効性の差は0.02で
ある。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（142
7℃）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。
また冷却流体は試験プレートの高温側の表面に隣接する
通路の出口に於ては長手方向に延在する溝を完全に充填
したので、本発明の試験された構造は第一の通路と最後
の通路との間の長手方向距離の100％を覆う冷却流体の
膜を形成したことが解る。曲線Ａにより示された構造は
54％程度のカバー率（最初の通路と最後の通路との間の
長手方向距離に対する冷却流体により覆われた距離の割
合）しか示さなかった。
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図は本発明が組込まれた中空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Ａ−Ａにより示された領域を示す拡
大部分断面図であり、本発明による冷却流体通路を示し
ている。 第4a図、第4b図、第4c図はそれぞれ第３図の線4a−4a、
4b−4b、4c−4cに沿う断面図である。 第５図は第３図の線５−５に沿う断面図である。 第６図は第4a図の線６−６に沿う断面図である。 第７図は第３図乃至第６図に示された冷却流体通路と同
様の一連の互いに隣接する冷却流体通路を同時に形成す
るために使用されてよい電極を示す斜視図である。 第８図乃至第10図は本発明との比較を行うためのベース
ライン形状の冷却流体通路の構造を示している。 第11図は本発明の冷却流体通路の構造の膜冷却の有効性
を第８図乃至第10図に示されたベースライン形状の構造
の膜冷却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。 第12図及び第13図は本発明による冷却流体通路の他の実
施例を示す第６図と同様の断面図である。 第14図及び第15図はそれぞれ特開昭55−114806号の第２
図及び第３図を再現する図である。 第16図は第１図の線Ｂ−Ｂにより示された領域を示す拡
大部分図である。 第17図は第16図の線17−17沿う断面図である。 第18図は第17図の線18−18に沿う矢視図である。 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…
通路,39…中心線,40…溝,41…通路,42、44…通路,45…
歯,47…ベース部,52…計量部,56…拡散部,58、60、62…
入口,66…平坦面（下流側面）,68…平坦面（上流側
面）,70…側面,71…出口,72…側面,73…下流側エッジ,7
5…上流側エッジ,100…側面,110、112…面,200…冷却流
体通路,202…試験プレート,204…計量部

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】下流側方向へ流れる高温のガス流に曝され
    る外面と、加圧された冷却流体を受ける冷却流体コンパ
    ートメントの一部を郭定する内面とを有する冷却される
    壁にして、前記壁内に形成され前記外面に出口を有する
    冷却流体通路を有し、該冷却流体通路は互いに直列的な
    流れ関係にある計量部と拡散部とを含み、前記拡散部は
    入口及び出口を有し、前記計量部は前記冷却流体コンパ
    ートメントより冷却されており、前記拡散部は上流側の
    第一の面とこれより下流側に隔置され且該第一の面に対
    向する第二の面とを含み、前記第一及び第二の面は互い
    に他に対し平行又は前記外面へ向けて互いに離れる方向
    へ末広状に偏向しており且鋭角にて前記壁の前記外面と
    交差して前記冷却流体通路の出口を郭定しており、前記
    冷却流体通路は冷却流体の流れが下流方向への速度成分
    を有するように前記冷却流体通路の前記出口より冷却流
    体の流れを導くよう配向されていて前記流体通路の出口
    より下流側の前記外面上に冷却流体の膜を形成するよう
    になっており、前記第一の面は前記外面と交わる位置に
    前記冷却流体通路の出口の上流側エッジを郭定してお
    り、前記第二の面は前記外面と交わる位置に前記冷却流
    体通路の出口の下流側エッジを郭定しており、前記拡散
    部は互いに対向し且前記第一及び第二の面を接続し且前
    記拡散部の前記出口へ向けて互いに離れる方向へ末広状
    に偏向した側面を含んでおり、前記側面の各々はその実
    質的全長にわたって前記第二の面と接続された位置に於
    て前記第一の面と前記第二の面との間の距離の大きさに
    実質的に等しい直径を有する滑らかな曲面として形成さ
    れている冷却される壁。
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