[其他]有阶梯扩压器的改进薄膜冷却通道

说明书

本发明与叶型有关，具体有关薄膜冷却型叶。

已经熟知可以把冷却空气从一个内腔，通过若干小通道，向外表面引导，冷却型叶的外表面。从理想上希望能把出自由的空气，带附在型叶表面上的附面层中，在通道的下游尽可能拉长距离，在热主燃气流和型叶表面之间，提供冷空气保护薄膜。通道轴线和型叶表面之间的角度，以及其通道处，与在叶片表面上通过的热燃气流方向的关系，都是影响薄膜冷却有效率的重要因素。薄膜冷却效率的定义，是主燃气流温度（Tg）和冷却剂薄膜温度（Tf）的差，除以主燃气流温度和通道出口冷却剂温度（Tc）的温差，即（Tg-Tf）/（Tg-Tc），薄膜冷却的效率，随离通道出口距离的增大而迅速下降。在尽可能长的距离上的尽可能大的表面积上，保持高薄膜冷却效率，是型叶薄膜冷却的主要目的。

在本技艺领域中已熟知，发动机型必须用最低量的冷却空气冷却，因为冷却空气就是从压缩器中抽出的工作流体，在燃气流路径中的损失，迅速降低发动机的效率。型叶设计者面对用特定的最高冷却气流率，冷却发动机全部型叶的问题。从内腔通过每条冷却通道，进入燃气路径中的流体，由冷却通道的最小截面积（定径面积）控制。定径面积典型设置在通道与内腔相交处。全部冷却通道和通向型叶的孔的总定径面积，控制出自型叶的冷却剂的总流率，假定内、外压力固定，或至少超出设计者能力所及的范围。设计者有责任指定通道尺寸和通道之间的间距，以及通道的形状和方向，将型叶的各种面积，全部保持在从型叶材料性能，最大应力和使用寿命要求等方面所考虑所决定的临界设计温度以下。

从理想上要求用冷却空气薄膜笼罩型叶表面的100%;但是出自通道出口的空气，一般形成冷却薄膜条，宽度不大于或难得大于与燃气流垂直的通道的出口尺寸。对冷却通道的数目，尺寸和间隙受到限制，会造成保护薄膜的间隙，和/或低薄膜冷却效率区，而产生局部性热点。型叶热点是局限发动机运转温度范围的一个因素。

颁发荷瓦尔德（Howald）的美国专利第3，527，543中，使用了有圆截面的渐宽的维形通道，提高一个给定通道排出的冷却剂在附面层中依附。通道还最好在一个纵向伸展的平面中定向，或部分朝向燃气流的方向，把从通道出口排出的冷却剂，在向下游流动时，在纵向上扩散。虽然有这些特点，但是已经通过烟流显形成试验和发动机硬件检查确定，从一个椭圆通道喷出口开始（即荷瓦尔德案），冷却剂向型叶表面上喷射后，其薄膜的纵向宽度，最多仅约为一条通道出口的短直径。这一点，加上通道之间典型纵向间距为直径的三至六倍，造成有纵向间距的通道之间和下游的型叶表面的区域，不从通道行列中接受冷却流。荷瓦尔德第3，527，543号专利中叙述的圆锥形倾斜通道，充其量大约也不能有超过70%的覆盖面（相邻孔开口中线之间，冷却剂覆盖距离的百分数）。

空气脱离冷却通道的速度，取决于其在通道进口的压力，和燃气流在通道出口压力的比率。一般讲，比率越高出口速度也越高。出口速度过高，则造成冷却空气侵入燃气流，没有形成有效的薄膜冷却时便被带走。压力比过低，则使燃气流被吸入冷却通道，使局部型叶冷却完成消失。型叶冷却完全消失通常造成严峻的后果，因此一般要保持一个安全余量，这个留作安全余量的增压，迫使设计倾向提高压力比。允许有高压力比是薄膜冷却设计迫求的一个特点。如上文所讨论的荷瓦尔德专利，将通道作成锥形，对冷却空气流作扩压，有利于提供这种容限，但该专利阐述的窄扩散角度（最大夹角12°），要求有长通道，因此，用厚型叶壁取得降低的出口速度，常被认为在降低苻合压力比的薄膜冷却敏感性的设计所最理想的。关于西顿斯迪克的美国专利第4，197，443号中叙述的梯形扩压通道，也存在了相同的局限性。据该专利阐述：为了保证冷却流不和锥形壁分离，并且当冷却流进入热燃气流时，完全充满通道，最大扩压角在两个互相垂直的平面中，分别为7°和14°。在扩压角上加这种限制，只有用较厚的型叶，并且通道在展向上倾斜，才能产生较宽的通道出口，和通道在纵向上较小的间隙。因此大扩压角将较有利，但不能先有技术的理论取得。

日本专利第55-114806号说明，在其图2及3中（本说明书中作先有技术复印为图18及19），一个空心型叶中有圆柱形直通道，在纵行中布置，向在型叶外表面上形成的纵向槽孔排空。虽然该发明似乎说明，当冷却流体从槽孔中排出，达到型叶表面以前，从相邻通道排出的冷却流已混合，在槽孔的全部长度上，形成厚度均匀的冷却流薄膜，但是我们的试验说明，从圆柱形通道中排出的冷却流向下游流动时，成为宽度基本固定的条状，宽度基本等于通道的直径。假如相邻条状冷却流混合，造成扩散的话，那也是在很低的下游，那里的薄膜冷却的有效性，远远低于大多数型叶设计的要求。