[发明专利]中空铸造叶片薄膜冷却通道

说明书

本发明涉及薄膜冷却，尤其是涉及薄膜冷却叶片。

大家已经熟悉，叶片的外表面可被冷却，借助于导引的冷却空气，从内部腔室经过许多小通道，引导至外表面。所盼望的是，空气吹出通道，使在通道的尽可能的长度距离内的下游内，仍保持拖带于在叶片外表面上的附面层内，在热的主流气体和叶片表面之间，提供冷却空气保护膜。通道的轴线和叶片表面形成的角度，以及它对流过叶片表面通道涌出口热气流的方向的关系都是重要因素，影响气膜冷却的效率。气膜冷却的效率，被定义为主气流温度（Tg）和位于通道出口的下游气流其距离为X的冷却薄膜的温度（Tf）之间的差值，除于主气流温度和在通道出口处（即位于X＝0）冷却空气温度（Te）的差值，则E＝（Tg-If）/（Tg-Te）。气膜冷却的效率，随着从通道出口处的距离X迅速减小。在尽可能长的距离并复盖尽可能大的表面区域，同时维持高的薄膜冷却效率，是翼片气膜冷却的主要目标。

已为众所周知的技术中，发动机的叶片必须使用最小量的冷却空气来冷却，这是由于冷却空气是从压缩机抽取的工作流体，同时气体流动通路的损失迅速地降低发动机的效率。叶片的设计人员都面临着使用特定的、最大的冷却流体流动速度，来冷却全部发动机叶片的问题。从内腔流经各个分别的冷却通道，进入气体通路的流量，借助冷却通道的最小横切面区域（调节区域）而加于控制。调节区域典型地位于通道与内空腔相交处。全部冷却通道的总的调节区域，和由叶片引出的喷气口，控制来自叶片冷却气体的流速，假定的内部的和外部的压力范围都预先确定的，而且通常是设计人员不能加予控制的。设计人员的任务是规定通道的尺寸和通道之间的间隔，同时包括通道的形状和向位，这样来使叶片全部区域保持低于临界的设计温度，该温度限制决定于叶片材料的性能、最大应力值和适宜的寿命要求。

最理想是希望叶片表面百分之百地浸入冷却空气薄膜内;然而，离开通道出口的空气通常是形成一个冷却薄膜带，不宽于或难宽于垂直于气流的通道出口的大小。冷却通道的数目、大小和间隔的限制，结果在保护薄膜中形成空隙，和/或低薄膜冷却效率的区域，这会出现局部性的热点。叶片热点是限制发动机运行温度的一个因素。

霍华德的美国专利3，527，543号采用了将圆形剖面的通道变成扩张的锥形，来增加从一给定通道的冷却空气拖带于附面层内。通道也最好是定向在沿纵向方向延伸的平面上，或者偏的朝向气体流动方向，从通道当它吹向下游时，依据其出口纵向地吹散冷却空气。任凭有这些特点，由烟流可视觉的试验已确定，以及发动机附件的检测，都说明从椭圆形的通道的发生（即霍华德那种），冷却空气在叶片表面被排出后，冷却气体薄膜其纵向的宽度连续按纵向扩大，它也只是大约是通道最大的短径。这事实，结合通道之间是三至六个直径典型的纵向间隔，导致翼片表面纵向间隔开通道之间和下游的区域，未收到从上述通道排列吹出的冷却流体。锥形的有角度的通道，如霍华德3，527，543号专利所介绍者，提供最好的而不超过70%的复盖率（即相邻涌出孔的被冷却空气所复盖的中心之间距离所占的百分比）。

离开冷却通道空气的速度依赖于它在通道进口的压力与在通道出口流出气体的压力之比率。通常，压力比率越大，流出速度越大。流出速度太大，致使冷却空气穿透燃气流和被带跑，而无提供薄膜冷却的作用。太低的压力比率，将致使燃气流吸入至冷却通道，造成局部叶片完全失去冷却保护。叶片冷却总损失，通常会有灾难性结果，鉴于此安全系数通常被保留。事关安全系数的特大压力，驱使设计方向朝着更高的压力比率。高压力比率的公差是薄膜冷却设计时所希求的性能。依靠通道的偏置，冷却气流漫射，正如上述讨论过的霍华德的专利中，提供这压力比率公差是有益的，但其中谈到的狭窄漫射角（最大包括12°的角度）要求有长的通道，因而，厚的叶片壁得到流出速度降低，常常被认为是最理想的，以降低薄膜冷却的设计相对于压力比率的灵敏度。相同的限制也存在于相关的梯形漫射通道，被介绍于西登斯蒂美国专利4，197，443号中。谈及在两个互相垂直的平面包含的最大漫射角度分别为7°和14°，以保证从斜壁流出的冷却流体的分离不会发生，并且冷却流体当它流出进入热的燃气流时，它整体地充满通道。漫射角度的这种限制，只有更厚的叶片壁和按叶片展向的方向通道转个角度，才可以产生更宽的通道出口和按纵向方向通道之间更小的间隙。最好是采用宽的漫射角度，但是采用现有技术不能作到。