[发明专利]具有涡流扩散器的叶片的叶型部分的冷却剂通道

说明书

本发明涉及薄膜冷却，特别是薄膜冷却的叶型。

众所用知，叶型的外表面可利用从内腔经多个小通道传到外表面的冷却空气冷却。希望从通道出来的空气夹带在叶型表面上的附面层并使通道下游距离尽量长以在热主流气和叶型表面之间产生一层冷却空气保护膜。通道轴线与叶型表面之间的角度及其与通道开口处热气流经叶型表面方向的关系是影响薄膜冷却效率的重要因素。薄膜冷却效率E是这样确定的，即在通道出口下游的一段距离X上主气流温度（Tg）与冷却剂薄膜温度（Tf）之差除以通道出口处（即X＝0）主气流温度（Tg）与冷却剂温度（Tc）之差，即E＝（Tf-Tf）/（Tg-Tc）。薄膜冷却效率从通道出口至x的一段距离急降。保持高的薄膜冷却效率，使距离尽量长甚于表面面积尽量大是叶型薄膜冷却的首要任务。

在本技术领域里，众所周知，发动机叶型必须用最少量的冷却空气进行冷却。因为冷却空气是从压缩机抽取的工作流体，气流的损失会急剧降低发动机的效率。叶型设计师面临着以特定和最大的冷却流体率冷却发动机所有叶型的问题。流体从内腔进入气体路径流经每条单独冷却通道的流量由冷却通道的最小横截面积（配量面积）控制。配量面积通常位于通道与内腔相交之处。假定内外压力固定或至少超出设计师的控制，叶型上冷却剂的总流率由叶型上所有冷却通道和孔口的总配量面积控制。设计师的工作是确定通道尺寸和通道的间距，以及通道的形状和位置，使叶型所有的面积保持在由叶型材料性能、最大应力和寿命要求所决定的极限设计温度之下。

理论上希望叶型表面100%被冷却空气薄膜包住，然而离开通道出口的空气总是形成一条不宽于或难宽于垂直于气流的通道出口尺寸的冷却薄膜带。冷却通道在数量、尺寸和间隔上的限制造成了保护薄膜的缝隙和/或低薄膜冷却效率的区域，从而产生了局部的过热点。叶型过热点是限制发动机工作温度的一个因素。

霍威德（Howald）的美国专利3，527，543采用了圆截面的扩张型锥形通道以增加附面层上来自某个通道的冷却剂的夹带。通道也最好位于纵向平面或部分朝向气流方向以从通道出口向其下游散播冷却剂。且不论这些特点，烟流显形试验和发动机机件检查已经证明，在冷却剂喷射到叶型表面后，其从椭圆通道出口处（即霍威德）的纵向宽度继续纵向膨胀，约为通道出口的最大短径。此种情况加上通道之间为直径3至6倍的纵向间隔，造成纵向分布的通道之间和卜游的叶型表面区域得不到来自该排通道的冷却流体。霍威德的3，527，543所述锥斜通道的作用范围（被冷凶却剂覆盖的相邻孔开口处的中心距的百分比）在最佳时也几乎不超过70%。

空气离开冷却通道的速度取决于通道进口处的压力与通道出口处的气流压力之比。通常压力比越高，出口速度就越大。出口速度太高会使冷却空气突破气流并被带走而无法进行有效的薄膜冷却。压力比太低又造成冷却通道吸入气流致使局部的叶型冷却完全丧失。叶型冷却总的损失一般十分巨大，并因此要维持一个安全系数储备。根据安全系数的额外压力促成了高压力比的设计。高压力比容限是薄膜冷却的一个理想特性。如上述霍威德专利所讨论的，冷却气流靠锥形通道扩散角（最大夹角12°）要求长的通道以及厚的叶型壁以降低出口速度，它通常被认为在降低薄膜冷却对压力比的敏感度方面是最理想的。同样的限制也存在于西登斯蒂克（Sidenstck）的美国专利4，197，443中的梯形扩压通道。其所说的在两个相互垂直的平面上的最大扩散夹角分别是7c和14°，用以保证冷却流体不从锥形壁分离，并在进入热气流时完全充满通道。由于扩散角的这种限制，只是较厚的叶型壁和斜角的通道在叶型展向能够成较宽的通道出口和在纵向通道之间的较小间隙。扩散角以宽为好，但采用先有技术无法达到。

日本专利55-114806在其图2和图3（本文翻印作为先有技术的图13和图14）中表示具有排成纵排的直筒形通道并流入叶型表面纵缝的空心叶型。该发明似乎说明当冷却气排出缝并到达叶型表面时，从相邻通道出来的冷却气流沿缝之全长形成一个厚度均匀的冷却流体薄膜，我们的试验结果表明，冷却剂从圆筒形通道向下游移动时是实质上等宽并基本等于通道直径的一条。从远至下游，扩散会导致相邻却剂的混合，位于该点的薄膜冷却效率肯定在大部分叶型所要求的之下。