[发明专利]可冷却金属薄板

说明书

本发明与暴露于高温气体的金属薄板有关，具体与有孔的薄金属板有关，通过孔将空气斜向引导，形成薄板的薄膜冷却。

在冷热气态流体之间用多孔薄板作边界层是已知技术。在美其尼斯（Meqinnis）的美国专利第3，864，199号中，一种多孔层压板由两层形成，每层表面上形成有孔眼，而各孔互不对正。外层的内表面上有压印分布，将冷却气流斜向引导，从而形成相当倾斜的排出。在美国专利第3，623，711号中，一种燃烧器里衬在平板上有若干三角形孔，形成一种多孔型结构。在该专利的图1中将孔22的相对尺寸和传统冷却孔18及22作了比较。这种孔如不损坏金属薄板的机械性强度，便难以制造。

一种用燃气轮机作动力的飞机用的二维排气喷管包括静侧壁和喷口活动调节片，该调节片用于按飞行员要求控制排气流的方向和速度。为能耐受高排气温度（达2300℃），将相对低温的压缩空气从发动机向调节片和侧壁引导，向接触热空气的表面上徐放。当然徐放压缩气体会降低发动机效率，因此需要最佳条件选取的冷却气体。

一般而言，侧壁和/或喷口调节片装有给同时流动的冷热气体之间提供分界的金属板。为求功率重量比的最佳化，应用最薄金属片来满足机械和热要求是理想的。这种金属薄板有开孔，通过该孔，将冷却空气按锐角倾斜引导，在板的与热气流接触的表面上，产生一个冷却薄膜。锐角引导与表面接近平行的冷却气体，以将与热气体的混合减至最低量，使薄膜温差在初始时最佳化，并提高长期的冷却效果。在厚度约为0.014英寸的金属平薄板上，试钻锐角倾斜的孔，所产生的椭圆通道不能如理想将冷却气体按锐角倾斜引导，而相反产生垂直气流，椭圆通道形成的增大的开孔面积，使过量冷却气体通过，造成很大的混合（与热气体）。一般斜孔仅在金属板有足够厚度，形成坡形通道时才有效。在喷管组合件中用这种厚板，会很大地增加喷管重量。因此，在本领域中所需要的是一种带有可以精确控制冷却气体的通过量和角度的冷却孔的可冷却薄金属板。

在本发明中，可冷却金属薄板有与热气体接触的热表面，与冷气体接触的冷表面，有使冷气体从板中通过，在热表面上形成薄模冷却的装置。这种装置有若干基本为三角形的凹陷，每一凹陷形成冷表面上的相应的突出部。每一凹陷有一个基本三角形的逐渐倾斜的表面，在热气流的方向上，从一个深洼的平的背斜脊面向齐平的基面伸展。三角形的平背斜脊面与三角形的斜坡表面垂直。有一个通过平表面的孔，由于钻孔是在与平表面垂直的孔时，提供精确的直径控制，气流的角度由平表面的角度控制。逐渐扩大的基本三角形表面将通过孔的冷却气体扩散进入平面，平稳过渡为薄膜状气流。

图1    为一金属薄板，解说典型孔形。

图2    为典型三角形凹陷的放大图，有孔通过平背斜脊面。

图3    为沿图1    3-3线的金属薄板放大剖视图。

图4    为先有技术领域的在平板上形成的垂直孔（A），先有技艺领域的在平板上形成的斜孔（B）），和在三角形凹陷顶点上穿透的垂直孔（C）的薄膜冷却效率比较的曲线图。

图1    表示厚度约为0.014英寸的薄金属板，该种金属板特别适用于以燃气轮机为动力的飞机的排气喷管。在这用途中的薄板，规定其厚度在0.010至0.030英寸之间，有若干三角形的斜坡凹陷2。虽然所示的为三角形凹陷，但熟悉本行业者能理解，在气流方向上具有一个逐渐扩大的表面的基本为三角形的其它凹陷也都可用于本发明。为作说明起见，图示一行中的凹陷的心距约为0.20英寸，行距为0.17英寸。各行参差排列，使冷却气流在热气体表面上均匀分布。为作举例说明，每-3英寸×7英寸的矩形板上约有378个冷却孔。

图2表示说明典型三角形凹陷2的薄板放大图。凹陷2有一个三角形斜坡表面，一个平的背斜脊面4，侧壁5及6和一个齐平基面7。平的背斜脊面4和三角形斜坡表面垂直。一个举例为直径约0.020英寸的孔，用钻，冲或其他方式制作，与各凹陷三角形的背斜脊面垂直，将冷却气流按理想的角度引导，但角度最好在5至20°之间。然后冷却气体被引导，通过上述孔，并分布在三角形的逐渐扩大的斜坡表面上，形成向冷却膜的平稳过渡。