CN1010332B - 具有涡流扩散器的叶片的叶型部分的冷却剂通道 - Google Patents

Abstract

涡轮机空心叶型壁的外表面上具有纵向的冷却剂出口缝，它沿其长度与壁内的纵向圆柱形槽相交。配重通道从叶型的内表面伸展至圆柱形槽并将配量的冷却剂导入槽内。当流体在槽内扩散时一般作旋涡运动。冷却剂即从槽经外表面上的缝喷射如一个在叶型外表面上沿缝长度的薄膜。圆柱形槽内流体的旋涡有助于流体的扩散，使出口缝完全充满冷却剂，并在缝的下游叶型表面上沿缝之全长产生个冷却剂薄膜。

Description

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。

比尔（Beer）等人的美国专利介绍了用一叠蚀刻薄膜块制成的叶型。精加工的叶型包括具有多条纵向间隔分布，从内腔导向公共的纵缝的几个区，据称冷却空气从缝流出以在叶型的整个外表面形成一个冷却空气薄膜。从图看来似乎每条通道从其入口聚到与缝相交的最小截面区。在图的另一实施方案中，似乎通道的尺寸且恒定并通入相当宽的缝。两种结构如同日本专利所论，似乎具有同样的缺点，这就是冷却流体在进入主气流之前不能均匀地充满缝，在缝下游薄膜的作用范围几乎明显地小100%。

有关叶型外表面薄膜冷却的其他出版物有：美国专利2，149，510，2，220，420，2，489，683以及“飞行与飞机工程师”3/16/56，第69卷，第2460期，第292-295页。它们介绍应用纵槽冷却或叶型的前缘或压力面和吸力面。所示的缝完全穿过叶型面以与内腔直接相通。这些缝从结构强度来考虑是不希望有的，而且它们也要求特大的流率。

美国专利4，303，374表示一种冷却叶型后缘暴露的和截短表面的结构。该结构包括多个在后缘内纵向分布的扩散通道。相邻的通道在其出口端会合以形成一个在截短表面之上连续的冷却空气薄膜。

由T.F欧文（Irvine）和JR.和J.P.哈特尼特（Hartntt）编辑，学术出版社（纽约1971）出版的期刊“传热的进步”（Advances    in    Heat    Transfer”）第7卷中有一篇理查德J，戈尔茨坦（Richard    J.Goldstin）所著，载于321-379页，题为“薄膜冷却”的文章，它对薄膜冷却技术作了评述。该文章展示了完全穿过冷却壁的不同形状的加长缝，以及穿过壁的圆截面通道。

日本专利申请公开说明书No.51-143116中公开了一种叶型的薄膜冷却剂通道。其中包括有一个冷却壁，它具有一个暴露于热气流之下的外表面;热气流在下游方向流经上述外表面;还包括有一个构成冷却剂室的一部分以在压力下接收冷却剂的内表面。在冷却壁内形成有一条冷却剂排出通道;一个扩散槽，其中心线沿垂直于下游方向的第一方向伸展，和用来控制进入排出通道的冷却剂流率的配置通道。然而其中的扩散槽的截面为大致矩形或椭圆形。很显然，这种结构不利于使冷却剂产生涡流运动。另外，其冷却剂排出通道为一个个小圆柱形的排出通道而不是象本发明所提出的长形缝结构的排出通道。

本发明的一个目的是改进热气流在上面流过的叶型的壁的冷却方法。更具体地说是在作为冷却剂排出通道的缝的出口获得均匀的冷却剂流。

根据本发明，在待冷却壁的第一侧是冷却流体，而在其第二侧是热气流，该壁包括一个其中心线沿第一方向的圆柱形扩散槽;一个自壁的冷却流体侧伸展并与槽的圆柱形表面相交以引导配量冷却流体入槽的配量通道;以及一个沿第一方向伸长，其一端基本上与圆槽的全长相交以形成缝的入口，其另一端与壁的第二侧表面相交以形成缝的出口的缝;配量通道将冷却流体导入圆槽并使流体作旋涡运动，而缝将冷却流体导出缝的出口以在壁第二侧的表面形成一个薄膜。

圆槽起扩散器和旋涡器的作用，它使气流在离开配量部分后形成湍流;冷却剂离槽经缝的入口扩散并在离缝的出口前充满整个缝，再变成 一个连续的位于壁表面沿缝全长的薄膜。可以认为，旋涡和湍流使槽内的冷却流体扩散并帮助冷却剂充满整个并产生沿缝长度的连续冷却剂薄膜以获得最大冷却效率。

本发明特别适用于冷却空心叶型的壁，诸如用于燃气涡轮发动机的涡轮段。叶型壁有一个冷却剂室，它接收来自发动机某处有压力的冷却流体。缝基本具有一对相隔很近并从缝的入口至出口平行的壁，或者在靠近缝入口处平行而到出口处偏斜。缝最好是在叶型的展向伸长。向圆槽供气的配量通道的数目取决丁缝的长度，而缝基本上与圆槽等长。配量通道最好在将冷却流体导入槽内时与槽的表面基本上成切线方向，或多少使流体绕槽中心线作旋涡运动。缝壁与叶型的热外表面以小角度相交以将缝中的冷却剂顺热气流方向通过表面（即下游方向），使冷却剂夹带于叶型外表面上的附面层，并在缝出口的下游保持夹带相1一段距离。冷却剂因此在叶型表面和热气之间提供了一个隔热层。

通过以下对推荐实施方案的详述及对附图的解释，对本发明的上述和其他目的、特点和优点将更为清楚。

图1是一个部分剖开的涡轮机空心叶片，它体现了本发明的特点。

图2是图1中沿2-2线的剖面图。

图3是图2中标明3-3部分的放大图。

图4是图3中沿404线的剖面图。

图5是图1中叶型的相邻两薄板部分的分解示意图，它说明本发明的冷却通道。

图6是类似图3所示的图，表示本发明冷却剂通道的另一种形式。

图7是图2中标明7-7区域的放大图。

图8是图1中叶型的相邻两薄板部分的分解示意图，它说明图7中的冷却通道。

图9-11表示用以同本发明作比较的原始冷却剂通道结构。

图12是用来比较采用本发明冷却剂通道结构的薄膜冷却产效率和图中原始结构的曲线图。

图13和图14是先有技术日本专利55-114806中图2和图3的翻印。

作为本发明的实施例，图1中的涡轮机叶片参考号10代表。参考图1和图2，叶片10包括一个空心的叶型12，它从根部的14沿展向或纵向伸展并与根部制成一体。平板16位于叶型12的底部。叶型12包括具有一个外表面20和一个内表面的壁。内表面形成一个纵向伸展的内腔，它又被纵向伸展的肋30、32分成数个相邻的纵向伸展的室24，26和28相通。当叶片10在某种场合，如燃气涡轮发动机的涡轮段工作时，来自适当气源诸如压缩机分供气的冷却剂压力被输入导孔34，36，使室24，26和28增压。

由于一些清楚看出的原因，叶型12由多个沿弦向伸展的薄板38组成。每块薄板具有叶型的外形以及孔、切口、槽及类似部分，因此当这些薄板叠在一起并互相粘结后就构成具有一整条槽和腔的叶型12。用此种薄板制造的叶片和叶型已是公知技术的。例三3如比尔等人（Beer    et    al）的美国专利3，301，526介绍过，二者在此用作参考。

图中箭头40代表在叶型表面上热气的流动方向（即流线）。为了叙述本发明，不论是在压力还是吸力侧表面的热气流动方向都作为下游方向。因此在叶型吸力或压力侧表面的任何一点上，下游方向是叶型表面的切线方向，除了靠近产生乱流的平板并紧挨叶型尖或叶型底之处，下游方向基本上是垂直于叶型的展向。

根据本发明的一个实施方案，叶型12包括位于叶型壁18吸气侧沿纵向伸展的缝42。缝42基本上是在叶型的整个展向长度上伸展，而在下述的本发明另一个实施方案中则无此要求。从图3、4和5中可以最清楚地看到，缝42包括一对平行的，相隔很近的，对置的，沿纵向伸展的表面44，46，它们与叶型的外表面20相交以构成一个纵向伸展的缝出口48。壁18内有圆槽，其中心线平行于缝42的长度方向，而且基本上与缝42等 长。壁44，46槽50的表面54相交以构成配量通道出口62。通道58使冷却剂室26和槽50之间相通。

在图5的分解图中，表示具有缝42和相应的槽50的两块相邻薄板，缝和槽贯穿每块薄板的全厚。在相邻薄板的相对表面上构成半个配量通道58，当薄板结合在一起时就构成整个的配量通道。并非每个界面都需要配量通道58，图4中所示情况仅是为了说明。

图3最清楚地表示，配量通道58把室26的冷却剂基本上与槽壁54成切线方向导入槽50内以使流体绕槽的中心线作旋涡运动。由于槽50的体积是将冷却剂输入槽内的配量通道总体积的数倍，故空气离开配量通道后即扩散。扩散时冷却剂的旋涡因增加了其与槽接触的表面面积而改善了其热传导性能。

缝42在下游方向将冷却剂导出其出口48。表面44，46与叶型外表面20相交的夹角最好不超过40°，而最佳是30°或更小。它使冷却剂流在垂直于叶型外表面方向对热气流的穿透减至最小。过份的穿透会造成冷却剂从叶型表面20很快偏转而不是与叶型表面保持接触并在缝出口48的下游形成一个冷却剂薄膜。为继续介绍并考虑到其相互间的位置和下游方向40，以下槽表面44将称为下游表面44，而槽表面46将称为上游表面46。

冷却剂在槽50内产生旋涡运动是本发明的一个重要方面。其重要就在于配量通道58的中心线基本上不在槽的平面上。如果它们对准，来自通道58的冷却剂将笔直流入缝42。流体进入和经过缝时其主要部分保持圆截面的内聚流状态。在离开缝出口48时流体在缝出口长度上的集聚变窄。最佳的是配量通道58和缝42相对圆槽50的方向不但使冷却剂在槽50内形成旋涡（图3中箭头51所示之方向），而且在槽50内被迫剧烈改变方向进入缝入口56。可以相信，旋涡、改向和湍流的综合有助于将配量通道58中的相对小量的空气膨胀，并完全充满缝42的较大体积。这对于在 缝出口48下游叶型表面上形成的冷却剂薄膜在缝的全长上必须连续是很重要的。

图6表示本发明冷却剂通道结构的另一实施方案。图6中与图3中的构件和特点相对应采用图3中相同的参考号并以句撇来注明。在此实施方案中，配量通道被移至另一可行的方向。另外，虽然缝表面44′，46在离缝入口56′的一小段平行，下游表面44′然后偏离表面46′一个小的，最好是10°或以下的角度θ。降低空气在缝出口处相对于下游喷气的角度有助于冷却剂接触缝出口下游的壁。

本发明的另一个实施方案可最清楚地参照图1，7和8来叙述。如图1所示，叶型12也包括一排纵向间隔分布的由室24供维冷却剂的缝70。每个缝70与圆槽72相通，槽的中心线平行于缝70只需单个的配量通道74。缝的截面面积可件意定值以使薄膜冷却效率最佳。

如图8所示，在相邻薄板38的对接结合表面上具有相对的、一半的缝70、槽72和圆形配量通道74。当薄板结合在一起时，缝70、72和通道74的两半对准并构成从室24伸展至叶型外表面的整个冷却通道。

为明了起见，图1和图2所示的叶型已经大大简化了。一个实际的涡轮机叶型应该包括如缝48的若干缝，如缝70的若干排缝，或为本技术领域所公知的其他设计中的展向排冷却剂通道。这些缝和冷却剂通道，包括本发明的缝和通道，既可位于叶型的压力侧，又可位于吸力侧。因此图中所叶型只是用来举例而非限制。

为了进行比较，把开有本发明冷却通道的一块平板和示于图9至11（下称“原始”结构）的一排冷却剂通道（亦开于板内）进行对比试验。图9至11中的通道类似西登斯蒂克（Sidenstick）的美国专利4，197，443所述的成形孔，除了它的偏离角为10°之外。图12中的曲线表示试验结果。图12中之横轴是一个无因次参数P，其值是自冷却通道出口的距离X（出口上面的主气流方向）同与冷却气排出通道时质量流率直接有关的 数字之比。纵轴是在通道出口下游X距离处测量的薄膜冷却效率E（如上所述）。最大可能的冷却效率为1.0。这些试验，曲线上的每个点是取之于多次温度测量的平均值，它既可沿成排孔200的全长取之，也可沿缝的全长取之，根据情况而定。因为P直接与自通道出口的距离有关，而且由于在试验中出口下游的距离是唯一可变的，P可以认为是通道出口下游的距离的尺寸。

A曲线代表由图9-11所示在试验板202上的一排原始成形孔200的试验结果。每个通道的面积比Ae/Am是3.6，其中Ae（排出面积）是在图9中Ae平面测量的通道出口的截面面积，而Am（配量面积）是在Am平面测量的配量段204（图9）的截面面积。节距与直径之比p/d是6.58，其中P（图10）是相邻两配量段的中心距，而d是配量段的有效直径，即为具有横截面积Am的圆的直径。

曲线B代表根据本发明开在一块长约17英寸，宽约1.6英寸，厚约0.75英寸试验平板内的冷却剂通道（板厚等于要冷却的壁厚）的试验结果。圆柱和与槽相交的缝长16.3英寸或者基本上是平板的全长。平板垂直于圆槽中心线的截面完全如图6所示。角α为90°，角θ为10°，角γ′为20°，面积比Ae/Am为8.2，而节距直径比p/d为5.48。Ae在图6中注明Ae的平面上量得，该平面垂直于表面46′。Am为图6中在Am平面量得所有配量通道58′横截面积之总和。节距p为配量通道58′之间的中心距，而直径d是配量通道的有效直径，也是横截面积与配量通道相同的一个圆的直径。在本试验中配量通道的横截面为圆形而有效直径约为0.16英寸。圆槽中心线与出口平面Ae之间的距离S约为0.45英寸。

本发明对薄膜冷却效率E的改善比起原始形孔是显著的，而且可以从图12中之曲线容易地看到。例如，在P＝20和P＝100时原始形孔的冷却效率较本发明所作的试验约低0.05。在P＝1000时差约0.03。正确地估计，假定通道出口处的冷却剂温度为1200°F，而主流气温度为2600°F，冷却 效率提高0.02使质量流率相同的冷却剂温度约降低28°F。

虽然本发明已予说明并用推荐的实施方案叙述，精通本技术者将会理解，在不背离本发明精神和范围的前提下，可对其形式和细节作其他各种改变和去舍。

Claims (6)

1、具有涡流扩散器的叶片的叶型部分的薄膜冷却剂通道，该叶型包括有一个冷却壁，它具有一个暴露于热气流之下的外表面，热气流在下游方向流经上述外表面；以及一个构成冷却剂室以在压力下接收冷却剂的内表面：

在上述壁内形成有一条冷却剂排出通道，一个扩散槽其中心线沿垂直于上述下游方向的第一方向伸展，和至少一条用来控制进入上述排出通道的冷却剂流率的配量通道，上述配量通道与上述壁的内表面相交以构成上述配量通道之入口，并且与上述扩散槽的表面相交以构成上述配量通道的出口，其特征在于

上述冷却剂排出通道是一条缝，它具有一个在上述第一方向上延伸的长形出口和一个入口，上述缝包括一对分开的面对的侧表面，该侧表面与上述外表面以小角度相交以构成上述缝出口；

上述扩散槽具有圆柱形的表面，上述缝侧表面的总长基本上与上述圆柱形表面相交以构成上述缝入口；和

上述配量通道定向成使冷却剂流体在导入上述扩散槽时产生绕上述扩散槽中心线的旋涡运动。

2、根据权利要求1的具有涡流扩散器的叶片的叶型部分的薄膜冷却剂通道，其特征在于上述扩散槽和上述缝基本上等长。

3、根据权利要求1的具有涡流扩散器的叶片的叶型部分的薄膜冷却剂通道，其特征在于在上述第一方向分布着多个配量通道。

4、根据权利要求2的具有涡流扩散器的叶片的叶型部分的薄膜冷却剂通道，其特征在于上述冷却壁内有多个上述缝和相应的扩散槽，上述缝在上述第一方向上间隔排列以及上述扩散槽在上述第一方向上间隔排列，上述配量通道中至少有一个与上述扩散槽的一个相交。

5、根据权利要求1的具有涡流扩散器的叶片的叶型部分的薄膜冷却剂通道，其特征在于上述壁包括多个弦向薄板，它们在上述第一方向叠合并结合在一起。

6、根据权利要求1的具有涡流扩散器的叶片的叶型部分的薄膜冷却剂通道，其特征在于只有一个配量通道与上述每个扩散槽相交。

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