[其他]在空心翼上制造薄膜冷卻槽的方法

無效

• 申請號: 86108855
• 申請日: 1986-12-23
• 公開（公告）號: CN86108855A
• 公開（公告）日: 1987-07-22
• 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: 肖爾剛

本發明涉及翼的制造。

眾所周知，把從一個內腔出發，流經許多小通道的冷卻空氣傳給翼的外表面，可以使翼的外表面得到冷卻。我們所期望的是，離開通道的空氣在通道口順流方向盡可能長的距離上夾帶在翼表面上的附面層中，從而在熱的主氣流和翼表面之間形成一層冷卻空氣保護膜。通道軸線與翼表面的夾角以及它與流經通道出口處翼表面的熱氣流的流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定義為主氣流溫度（Tg）與在順流方向距通道出口距離為X處的冷卻薄膜的溫度（Tf）的差值除以主氣流溫度與通道出口處（即X＝0處）的冷卻介質的溫度（Tc）的差值，則，E＝（Tg-Tf）/（Tg-Tc）。薄膜冷卻效率隨距通道出口的距離X的增加而迅速降低。在盡可能長的距離和盡可能大的表面積上保持高的薄膜冷卻效率是翼的薄膜冷卻的主要目標。

在這項技術中，眾所周知的是：冷卻發動機的翼只能使用極少量的冷卻空氣，因為冷卻空氣是從空氣壓縮機中獲得的工作流體，它在氣流通道中的損失會急劇降低發動機的效率。翼的設計者們面臨的問題是，用規定的最大冷卻流體流量冷卻所有的發動機翼。從一個內腔流經各單個冷卻通道進入氣流通道的流體的量是由冷卻通道的最小橫截面（調節面）控制的。一般都把調節面設在通道與內腔相貫處。假設內部和外部的壓力是不可調的，或者至少是設計者所不能控制的，那么全部冷卻通道以及從翼導出的小孔的調節面的總和就控制著從翼中流出的冷卻介質的流量。設計者的任務就是確定通道的尺寸和通道之間的間距，以及通道的形狀和排列方向，以便使翼的全部表面的溫度都保持在臨界設計溫度以下。這個臨界設計溫度是由翼的材料性能、最大應力和壽命必要條件所決定的。

從理論上說，期望用冷卻空氣的薄膜覆蓋100%的翼表面，然而，離開通道口的空氣所形成的冷卻薄膜帶一般不比或者很難比垂直于氣流方向的通道口尺寸更寬。對冷卻通道的數量、尺寸和間距的限制使得這種保護膜產生了裂縫和/或產生了薄膜冷卻率低的區域，這樣就可能產生局部的熱斑。翼的熱斑是限制發動機工作溫度的一個因素。

霍華爾德（Howald）的美國專利第3，527，543號使用圓形橫截面的、漸擴的錐形通道，以增加附面層中夾帶的來自給定通道的冷卻介質的量。這些通道還最好安排在一個縱向延伸的平面上或者部分地朝著氣流的方向，以使冷卻介質在離開通道順流運動時沿縱向擴散。盡管如此，煙霧流顯形試驗和發動機實物檢則已經表明：從一個橢圓形通道出口（即霍華爾德，Howald）出來的冷卻介質膜的縱向寬度在冷卻介質噴射到翼表面之后最多只在縱向繼續擴展大約一個通道口短徑的長度。由于這一事實，加上通道之間的縱向間距一般是通道口直徑的三至六倍，結果在縱向間隔的通道之間及其順流方向的翼表面就不能接受到那排通道噴出的冷卻流體。在霍華爾德（Howald）的US????3，527，543專利中所述的那種圓錐形的、帶角度的通道所提供的覆蓋范圍可能至多不大于70%（在兩相鄰的噴孔中心之間被冷卻介質覆蓋的距離的百分數）。

脫離冷卻通道的空氣的速度取決于通道進口處空氣的壓力與通道出口處的氣流壓力的比值。一般來說，該壓力比越大，脫離速度就越大。脫離速度太大，會使冷卻空氣進入主氣流被帶走，而不提供有效的薄膜冷卻。壓力比太小將會導致主氣流被吸入冷卻通道而引起該處翼片冷卻的完全喪失。翼片冷卻的完全喪失通常會帶來災難性的后果，由于這一原因，通常要維持一個安全余量。為維持安全余量所需的超額的壓力促使設計向高壓力比的方向發展。對高壓力比的承受能力是薄膜冷卻設計所期望的一個特性。如上面討論過的霍華爾德（Howald）的專利，通過將通道做成錐形來擴散冷卻空氣流，有利于產生這種承受能力，但那里所說的狹小擴散角（最大夾角12°）要求通道長，因而也就要求翼壁厚，這樣才能使脫離速度減小。脫離速度的減小常被認為是最合乎減少薄膜冷卻設計對壓力比的敏感性這一需要的。在西旦斯蒂克（Sidenstick）的美國專利US????4，197，443中所述的那種形狀為不規則四邊形的擴散通道也存在相同的限制。為了保證冷卻流體不與錐形壁發生分離并使其在流入熱主氣流時完全充滿通道，其中所述的最大擴散角度在兩個相互垂直的平面上分別是7°和14°。因為擴散角有如此的限制，所以只有用較厚的翼壁和使通道在翼展方向上有一傾角，才能形成較寬的通道出口并使通道之間的縱向間隔較小。最好改用大擴散角，但用已有的技術，這是做不到的。