[其他]具有渦流擴散器的薄膜冷卻劑通道

無效

• 申請號: 86108821
• 申請日: 1986-12-23
• 公開（公告）號: CN86108821A
• 公開（公告）日: 1987-07-08
• 發明（設計）人: 詹姆斯·斯圖爾特·菲利普斯;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: 宋敏

本發明涉及薄膜冷卻，特別是薄膜冷卻的葉型。

眾所周知，葉型的外表面可利用從內腔經多個小通道傳到外表面的冷卻空氣冷卻。希望從通道出來的空氣夾帶在葉型表面上的附面層并使通道下游距離盡量長以在熱主流氣和葉型表面之間產生一層冷卻空氣保護膜。通道軸線與葉型表面之間的角度及其與通道開口處熱氣流經葉型表面方向的關系是影響薄膜冷卻效率的重要因素。薄膜冷卻效率E是這樣確定的，即在通道出口下游的一段距離X上主氣流溫度（Tg）與冷卻劑薄膜溫度（Tf）之差除以通道出口處（即X＝0）主氣流溫度（Tg）與冷卻劑溫度（Tc）之差，即E＝（Tg-Tf）/（Tg-Tc）。薄膜冷卻效率從通道出口至x的一段距離急降。保持高的薄膜冷卻效率，使距離盡量長甚于表面面積盡量大是葉型薄膜冷卻的首要任務。

在本技術領域里，眾所周知，發動機葉型必須用最少量的冷卻空氣進行冷卻。因為冷卻空氣是從壓縮機抽取的工作流體，氣流的損失會急劇降低發動機的效率。葉型設計師面臨著以特定和最大的冷卻流體率流率冷卻發動機所有葉型的問題。流體從內腔進入氣體路徑流經每條單獨冷卻通道的流量由冷卻通道的最小橫截面積（配量面積）控制。配量面積通常位于通道與內腔相交之處。假定內外壓力固定或至少超出設計師的控制，葉型上冷卻劑的總流率由葉型上所有冷卻通道和孔口的總配量面積控制。設計師的工作是確定通道尺寸和通道的間距，以及通道的形狀和位置，使葉型所有的面積保持在由葉型材料性能、最大應力和壽命要求所決定的極限設計溫度之下。

理論上希望葉型表面100%被冷卻空氣薄膜包住，然而離開通道出口的空氣總是形成一條不寬于或難寬于垂直于氣流的通道出口尺寸的冷卻薄膜帶。冷卻通道在數量、尺寸和間隔上的限制造成了保護薄膜的縫隙和/或低薄膜冷卻效率的區域，從而產生了局部的過熱點。葉型過熱點是限制發動機工作溫度的一個因素。

霍威德（Howald）的美國專利3，527，543采用了圓截面的擴張型錐形通道以增加附面層上來自某個通道的冷卻劑的夾帶。通道也最好位于縱向平面或部分朝向氣流方向以從通道出口向其下游散播冷卻劑。且不論這些特點，煙流顯形試驗和發動機機件檢查已經證明，在冷卻劑噴射到葉型表面后，其從橢圓通道出口處（即霍威德）的縱向寬度繼續縱向膨脹，約為通道出口的最大短徑。此種情況加上通道之間為直徑3至6倍的縱向間隔，造成縱向分布的通道之間和下游的葉型表面區域得不到來自該排通道的冷卻流體。霍威德的3，527，543所述錐斜角通道的作用范圍（被冷卻劑覆蓋的相鄰孔開口處的中心距的百分比）在最佳時也幾乎不超過70%。

空氣離開冷卻通道的速度取決于通道進口處的壓力與通道出口處的氣流壓力之比。通常壓力比越高，出口速度就越大。出口速度太高會使冷卻空氣突破氣流并被帶走而無法進行有效的薄膜冷卻。壓力比太低又造成冷卻通道吸入氣流致使局部的葉型冷卻完全喪失。葉型冷卻總的損失一般十分巨大，并因此要維持一個安全系數儲備。根據安全系數的額外壓力促成了高壓力比的設計。高壓力比容限是薄膜冷卻的一個理想特性。如上述霍威德專利所討論的，冷卻氣流靠錐形通道擴散有利于提供這種容限，但是其所說的窄的擴散角（最大夾角12°）要求長的通道以及厚的葉型壁以降低出口速度，它通常被認為在降低薄膜冷卻對壓力比的敏感度方面是最理想的。同樣的限制也存在于西登斯蒂克（Sidenstick）的美國專利4，197，443中的梯形擴壓通道。其所說的在兩個相互垂直的平面上的最大擴散夾角分別是7°和14°，用以保證冷卻流體不從錐形壁分離，并在進入熱氣流時完全充滿通道。由于擴散角的這種限制，只是較厚的葉型壁和斜角的通道在葉型展向能夠成較寬的通道出口和在縱向通道之間的較小間隙。擴散角以寬為好，但采用先有技術無法達到。

日本專利55-114806在其圖2和圖3（本文翻印作為先有技術的圖13和圖14）中表示具有排成縱排的直筒形通道并流入葉型外表面縱縫的空心葉型。該發明似乎說明當冷卻氣排出縫并到達葉型表面時，從相鄰通道出來的冷卻氣流沿縫之全長形成一個厚度均勻的冷卻流體薄膜，我們的試驗結果表明，冷卻劑從圓筒形通道向下游移動時是實質上等寬并基本等于通道直徑的一條。從遠至下游，擴散會導致相鄰冷卻劑帶的混合，位于該點的薄膜冷卻效率肯定在大部分葉型所要求的之下。