[其他]有階梯擴壓器的改進薄膜冷卻通道

無效

• 申請號: 86108816
• 申請日: 1986-12-23
• 公開（公告）號: CN86108816A
• 公開（公告）日: 1987-07-08
• 發明（設計）人: 羅伯特·尤金·菲爾德
• 申請（專利權）人: 聯合工藝公司
• 主分類號: F01D5/18
• 分類號: F01D5/18
• 代理公司: 中國專利代理有限公司
• 代理人: 蕭爾剛

本發明與葉型有關，具體有關薄膜冷卻型葉。

已經熟知可以把冷卻空氣從一個內腔，通過若干小通道，向外表面引導，冷卻型葉的外表面。從理想上希望能把出自由的空氣，帶附在型葉表面上的附面層中，在通道的下游盡可能拉長距離，在熱主燃氣流和型葉表面之間，提供冷空氣保護薄膜。通道軸線和型葉表面之間的角度，以及其通道處，與在葉片表面上通過的熱燃氣流方向的關系，都是影響薄膜冷卻有效率的重要因素。薄膜冷卻效率的定義，是主燃氣流溫度（Tg）和冷卻劑薄膜溫度（Tf）的差，除以主燃氣流溫度和通道出口冷卻劑溫度（Tc）的溫差，即（Tg-Tf）/（Tg-Tc），薄膜冷卻的效率，隨離通道出口距離的增大而迅速下降。在盡可能長的距離上的盡可能大的表面積上，保持高薄膜冷卻效率，是型葉薄膜冷卻的主要目的。

在本技藝領域中已熟知，發動機型必須用最低量的冷卻空氣冷卻，因為冷卻空氣就是從壓縮器中抽出的工作流體，在燃氣流路徑中的損失，迅速降低發動機的效率。型葉設計者面對用特定的最高冷卻氣流率，冷卻發動機全部型葉的問題。從內腔通過每條冷卻通道，進入燃氣路徑中的流體，由冷卻通道的最小截面積（定徑面積）控制。定徑面積典型設置在通道與內腔相交處。全部冷卻通道和通向型葉的孔的總定徑面積，控制出自型葉的冷卻劑的總流率，假定內、外壓力固定，或至少超出設計者能力所及的范圍。設計者有責任指定通道尺寸和通道之間的間距，以及通道的形狀和方向，將型葉的各種面積，全部保持在從型葉材料性能，最大應力和使用壽命要求等方面所考慮所決定的臨界設計溫度以下。

從理想上要求用冷卻空氣薄膜籠罩型葉表面的100%;但是出自通道出口的空氣，一般形成冷卻薄膜條，寬度不大于或難得大于與燃氣流垂直的通道的出口尺寸。對冷卻通道的數目，尺寸和間隙受到限制，會造成保護薄膜的間隙，和/或低薄膜冷卻效率區，而產生局部性熱點。型葉熱點是局限發動機運轉溫度范圍的一個因素。

頒發荷瓦爾德（Howald）的美國專利第3，527，543中，使用了有圓截面的漸寬的維形通道，提高一個給定通道排出的冷卻劑在附面層中依附。通道還最好在一個縱向伸展的平面中定向，或部分朝向燃氣流的方向，把從通道出口排出的冷卻劑，在向下游流動時，在縱向上擴散。雖然有這些特點，但是已經通過煙流顯形成試驗和發動機硬件檢查確定，從一個橢圓通道噴出口開始（即荷瓦爾德案），冷卻劑向型葉表面上噴射后，其薄膜的縱向寬度，最多僅約為一條通道出口的短直徑。這一點，加上通道之間典型縱向間距為直徑的三至六倍，造成有縱向間距的通道之間和下游的型葉表面的區域，不從通道行列中接受冷卻流。荷瓦爾德第3，527，543號專利中敘述的圓錐形傾斜通道，充其量大約也不能有超過70%的覆蓋面（相鄰孔開口中線之間，冷卻劑覆蓋距離的百分數）。

空氣脫離冷卻通道的速度，取決于其在通道進口的壓力，和燃氣流在通道出口壓力的比率。一般講，比率越高出口速度也越高。出口速度過高，則造成冷卻空氣侵入燃氣流，沒有形成有效的薄膜冷卻時便被帶走。壓力比過低，則使燃氣流被吸入冷卻通道，使局部型葉冷卻完成消失。型葉冷卻完全消失通常造成嚴峻的后果，因此一般要保持一個安全余量，這個留作安全余量的增壓，迫使設計傾向提高壓力比。允許有高壓力比是薄膜冷卻設計迫求的一個特點。如上文所討論的荷瓦爾德專利，將通道作成錐形，對冷卻空氣流作擴壓，有利于提供這種容限，但該專利闡述的窄擴散角度（最大夾角12°），要求有長通道，因此，用厚型葉壁取得降低的出口速度，常被認為在降低苻合壓力比的薄膜冷卻敏感性的設計所最理想的。關于西頓斯迪克的美國專利第4，197，443號中敘述的梯形擴壓通道，也存在了相同的局限性。據該專利闡述：為了保證冷卻流不和錐形壁分離，并且當冷卻流進入熱燃氣流時，完全充滿通道，最大擴壓角在兩個互相垂直的平面中，分別為7°和14°。在擴壓角上加這種限制，只有用較厚的型葉，并且通道在展向上傾斜，才能產生較寬的通道出口，和通道在縱向上較小的間隙。因此大擴壓角將較有利，但不能先有技術的理論取得。

日本專利第55-114806號說明，在其圖2及3中（本說明書中作先有技術復印為圖18及19），一個空心型葉中有圓柱形直通道，在縱行中布置，向在型葉外表面上形成的縱向槽孔排空。雖然該發明似乎說明，當冷卻流體從槽孔中排出，達到型葉表面以前，從相鄰通道排出的冷卻流已混合，在槽孔的全部長度上，形成厚度均勻的冷卻流薄膜，但是我們的試驗說明，從圓柱形通道中排出的冷卻流向下游流動時，成為寬度基本固定的條狀，寬度基本等于通道的直徑。假如相鄰條狀冷卻流混合，造成擴散的話，那也是在很低的下游，那里的薄膜冷卻的有效性，遠遠低于大多數型葉設計的要求。