[其他]带配量气流的薄膜冷却槽

说明书

本发明涉及薄膜冷却，特别是薄膜冷却叶型。

人所熟知，叶型的外表面可以通过多个细小的通道将内腔的冷空气引到外表面来冷却。要求从通道出来的空气在叶型表面的附面层内向气路下游传送得越远越好，以提供一个在热燃气主流与叶型表面之间的保护薄膜。通道轴线与叶型表面形成的夹角以及它跟流过叶型表面的热燃气气流的方向在通道出口处的关系是影响薄膜冷却效率的重要因数。薄膜冷却效率E的定义是主燃气流的温度（Tg）与在离通道出口距离为x的下游处的冷却薄膜的温度（Tf）之差除以主燃气流温度与通道出口（即x＝0处）的冷却剂温度（Tc）之差，这样E＝（Tg-Tf）/（Tg-Tc）。薄膜冷却效率随着距通道出口距离x的增加而迅速下降。在尽可能长的距离与尽可能大的表面面积上保持高的薄膜冷却效率是叶型薄膜冷却的主要目标。

本行人熟知，发动机叶型一定要使用最小量的冷却空气来冷却，因为冷却空气是从压缩器取出的工作流体，而它从燃气流通路中损耗将急速降低发动机效率。叶型设计师面对使用一个规定的最大冷却流体流率以冷却所有的发动机叶型的问题。以一个内腔流经每个单独冷却通道进入燃气通路的流体的流量受控于冷却通道的最小的截面积（配量面积）。配量面积一般是指位于通道与内腔相交处之面积。从叶型导出的所有冷却通道与喷孔的总配量面积控制了从叶型流出的冷却剂的总流率，假定内外压力是固定的或者至少是设计师无法控制的。设计师有这个任务来规定通道的大小和通道之间的间距，同时规定通道的形状与取向，使叶型所有的面保持在由对叶型的材料性能、最大应力与寿命要求的考虑所决定的临界设计温度极限以下。

理想的要求是100%的叶型表面被一层冷却空气薄膜所冲洗;但是离开通道出口的空气一般形成一条宽度不超过或很难超过垂直于燃气流的通道出口的尺寸的冷却薄膜带子。对冷却通道数量、大小和间距的限制将导致在保护薄膜内产生缝口与/或薄膜冷却效率低的面，这将产生局部过热点。叶型过热点是限制发动机工作温度的一个因素。

颁发给豪沃尔德的美国专利3，527，543号使用圆形截面的渐扩锥形气路，以增加从一个给定的通道吸入附面层的冷却剂的量。通道还最好取向在一个向纵向或部分朝向燃气流方向伸展的平面上以使冷却剂在它离开通道出口向下游流动时向纵向扩展。尽管有这些特点，但烟流量显形试验及发动机机件检查证实了在冷却剂从一个椭圆形通道出口（即豪沃尔德专利）喷出后冷却剂的纵向宽度在叶型表面上最大只展宽了一个通道出口的短径。这个事实，跟通道之间的典型纵向间距为三个到六个通道直径连在一起，导致叶型表面上在纵向分布通道之间以及其下游有些区域从该排气路得不到冷却流体。在豪沃尔德的专利3，527，543号中所描述的锥形成角度的通道提供最多可能不超过70℃的覆盖率（被冷却剂覆盖的相邻孔出口中心间距离的百分率）。

离开冷却通道的空气的速度决定于在通道入口的空气压力跟在通道出口的燃气流压力之比。一般来说，压力比越高，出口速度越高。出口速度太高会导致冷却空气穿入燃气流而被带走从而不提供有效的薄膜冷却。压力比太低会导致燃气流吸入冷却通道内从而完全丧失了局部叶型冷却。完全丧失叶型冷却往往产生灾难性后果，因此常常保留一个安全裕量。考虑到安全裕量所要求的附加的压力将设计推向高的压力比。能耐受高的压力比是薄膜冷却设计方案的一个合乎需要的特点。如在上面讨论的豪沃尔德专利中的将通道做成锥度以扩散冷却空气对提供这种耐受力是有利的，但其中所教导的窄扩散角（最大夹角为12°）要求长的通道，因此，用厚的叶型壁以降低出口速度常常被认为是降低薄膜冷却设计结构对压力比的敏感度的最可取的办法。同样的界限存在于西顿斯的克的美国专利4，197，443号中所描述的梯形扩散通道中，其中所教导的在两个互相垂直的平面里的最大扩散夹角分别是7°与14°，目的是保证不会发生冷却流体从带锥度的壁上分离，同时保证冷却流体在它的通道出来进入热燃气流里时充满了整个通道。在这些扩散角的界限内，只有厚一些的叶型壁以及通道在叶型叶展方向带角度才可以在纵向上产生较宽的通道出口以及较小的通道间缝口。宽的扩散角是比较好的，但用先前技术的教导则无法实现。