[其他]經改善的具有圓角的氣膜冷卻通道

無效

• 申請號: 86108864
• 申請日: 1986-12-23
• 公開（公告）號: CN86108864A
• 公開（公告）日: 1987-08-19
• 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: 章社杲,李曉舒

本發明和氣膜冷卻、尤其和氣膜冷卻葉型有關。

眾所周知，葉型的外表面的冷卻可以經許多小通道從內腔引導冷卻空氣來進行。離開通道的空氣，在通道下游盡可能長的距離內，繼續處于被夾帶在機翼表面上的附面層中，以便在熱燃氣主流氣體和葉型表面之間形成一冷空氣保護膜，這是所希望之事。在通道出口處通道軸線和葉型表面形成的角度以及它與流過葉型表面的熱燃氣主流方向的關系是影響氣膜冷卻效率的重要因素。氣膜冷卻效率E被定義為在通道出口下游X距離處，主燃氣流溫度（Tg）和冷卻氣膜溫度（Tf）之差除以通道出口處（即在X＝0處）主燃氣流溫度和冷卻劑溫度（Tc）之差。因而，E＝（Tg-Tf）/（Tg-Tc）。氣膜冷卻效率隨著離通道出口的距離而迅速減降。在盡可能大的表面上，在盡可能長的距離內，保持高的氣膜冷卻效率乃是葉型氣膜冷卻的主要目的。

在該技術中眾所周知，發動機的葉型必須用最少量的冷卻空氣來冷卻，因為該冷卻空氣乃是工作流體，它從壓氣機取出，因此它從燃氣流通道中流損會迅速降低發動機的效率。葉型設計師們面臨著采用一種特定的最大的冷卻流體流率來冷卻所有發動機葉型的問題。從一內腔流經每個分離的冷卻通道進入燃氣通道的流量是受冷卻通道的最小橫斷面積（配量面積）控制的。該配量面積通常位于該通道和內腔交界處。在假定內、外壓力是固定的，或者最低限度超出了設計師的控制的情況下，從葉型引出的所有冷卻通道和孔口的總配置面積控制了來自葉型的冷卻劑的總流率。設計師的任務是確定通道尺寸和通道間的間隔以及通道的形狀與方位，使葉型的全部區域處于由葉型材料性能、最大應力和要求的壽命所考慮的問題決定的臨界設計溫度極限之下。

理想來說，希望葉型表面100%地被一層冷卻空氣薄膜所浴洗，然而，離開通道出口的空氣通常形成一冷卻氣膜條帶，其寬度不大于或剛剛不大于垂直于燃氣流的通道出口的尺寸。冷卻通道數量、尺寸和間隔的限制會引起保護氣膜間斷和（或）出現低氣膜冷卻效率區，它會形成局部過熱點。葉型過熱點是限制發動機運轉溫度的一個因素。

豪沃爾德的美國專利3，527，543號采用了具有圓形橫斷面的漸擴錐形通道以增加從給定通道夾帶入附面層中的冷卻劑。該通道也最好定向在縱向延伸或部分朝燃氣流方向延伸的平面內，以便當冷卻劑向下游流動時將其縱向鋪開在通道的出口上。盡管有這些特性，由煙流顯形試驗和發動機機件檢驗確定，在冷卻劑噴到葉型表面上后，從橢圓形通道出口（即，豪沃爾德專利）流出的冷卻劑薄膜的縱向寬度繼續縱向延伸，最大僅僅展寬大約一個通道出口的短徑。這一事實，結合典型的通道間的3至6倍直徑的縱向間隔，便使葉型表面上在縱向間隔通道之間及其下游有些區域從該排通道中得不到冷卻流體。如豪沃爾德在專利3，527，543號中所述的錐形的、帶角度的通道充其量或許能達到不大于70%的復蓋率（在冷卻劑復蓋相鄰孔出口中心間距離的百分率）。

空氣離開冷卻通道的速度取決于通道進口處空氣壓力和通道出口處燃氣流壓力之比。通常其壓力比愈高，其出口速度愈高。出口速度過高會使冷卻空氣穿透到燃氣流中去，在沒有提供有效的氣膜冷卻的情況下被帶走。壓力比太低會將燃氣流吸入到冷卻通道中，使葉型完全喪失局部冷卻。葉型全部喪失冷卻通常造成災難性的后果，基于這點，總保持一安全裕量。作為安全裕量的這一額外壓力使設計趨向于高壓力比。能耐受高壓力比是氣膜冷卻結構設計可取的特點。如同在上述的豪沃爾德專利中那樣，通過把通道做成斜錐形來使冷卻空氣流擴散，這對于提供耐受力是有好處的，但其中所說的窄擴散角（最大夾角12°）要求長的通道，因此，用厚的葉型壁以降低其出口速度通常被認為是降低氣膜冷卻結構設計對壓力比的敏感度是最可取的辦法。對于在西頓斯的克的美國專利4，197，443號中所述的梯形擴散通道也存在同樣的界限。為了確保冷卻流體不從錐形壁上發生分離，并確保在它進入熱燃氣流時冷卻流體完全充滿該通道，在兩個相互垂直的平面中，其中所述的最大擴散夾角分別為7°和14°。在對擴散角如此限制的情況下，僅僅較厚的葉型壁和在葉型葉展方向帶角度的通道能在縱向構成較寬的通道出口以及較小的通道間間隙。最好代之以寬的擴散角，但采用所述的現有技術是不能達到的。