CN86108819A - 加工薄膜冷却通道的电极 - Google Patents

Abstract

一个用于制成一个成型的扩散薄膜冷却剂通道的金属板电极有一个跟一个平的中段形成一个锐角的、直的、纵向伸展的前段，中段则从后段即电极的基部伸展。中段包括一对从纵向向后渐扩的边缘并从该边缘伸展的侧壁大致垂直于中段。侧壁的纵向伸展的边缘和前段的下平表面在一个平面，这样由前段这个下表面所形成的通道的表面和由侧壁的纵向伸展的边缘形成的通道的扩散段的表面在一个表面上。

Description

本发明涉及用于电火花加工的电极。

众所周知，叶型的外表面可以通过多个细小的通道将内腔的冷空气引到外表面来冷却。要求从通道出来的空气在叶型表面的附面层内向气路下游传送得越远越好，以提供一个在热燃气主流与叶型表面之间的保护薄膜。通道轴线与叶型表面形成的夹角以及它跟流过叶型表面的热燃气气流的方向在通道出口处的关系是影响薄膜冷却效率的重要因素。薄膜冷却效率E的定义是主燃气流的温度（Tg）与在离通道出口距离为x的下游处的冷却薄膜的温度（Tf）之差除以主燃气流温度与通道出口（即x＝0处）的冷却剂温度（Tc）之差，这样E＝（Tg-Tf）/（Tg-Tc）。薄膜冷却效率随着距通道出口距离x的增加而迅速下降。在尽可能长的距离与尽可能大的表面面积上保持高的薄膜冷却效率是叶型薄膜冷却的主要目标。

本行人熟知，发动机叶型一定要使用最小量的冷却空气来冷却，因为冷却空气是从压缩器取出的工作流体，而它从燃气流通路中损耗将急速降低发动机效率。叶型设计师面对使用一个规定的最大冷却流体流率以冷却所有的发动机叶型的问题。以一个内腔流经每个单独冷却通道进入燃气通路的流体的流量受控于冷却通道的最小的截面积（配量面积）。配量面积一般是指位于通道与内腔相交处之面积。从叶型导出的所有冷却通道与喷孔的总配量面积控制了从叶型流出的冷却剂的总流率，假定内外压力是固定的或者至少是设计师无法控制的。设计师有这个任务来规定通道的大小和通道之间的间距，同时规定通道的形状与取向，使叶型所有的面保持在由对叶型的材料性能、最大应力与寿命要求的考虑所决定的临界设计温度极限以下。

理想的要求是100%的叶型表面被一层冷却空气薄膜所冲洗;但是离开通道出口的空气一般形成一条宽度不超过或很难超过垂直于燃气流的通道出口的尺寸的冷却薄膜带子。对冷却通道数量、大小和间距的限制将导致在保护薄膜内产生缝口与/或薄膜冷却效率低的面，这将产生局部过热点。叶型过热点是限制发动机工作温度的一个因素。

颁发给豪沃尔德的美国专利3，527，543号使用圆形截面的渐扩锥形气路，以增加从一个给定的通道吸入附面层的冷却剂的量。通道还最好取向在一个向纵向或部分朝向燃气流方向伸展的平面上以使冷却剂在它离开通道出口向下游流动时向纵向扩展。尽管有这些特点，但烟流量显形试验及发动机机件检查证实了在冷却剂从一个椭圆形通道出口（即豪沃尔德专利）喷出后冷却剂的纵向宽度在叶型表面上最大只展宽了一个通道出口的短径。这个事实，跟通道之间的典型纵向间距为三个到六个通道直径连在一起，导致叶型表面上在纵向分布通道之间以及其下游有些区域从该排气路得不到冷却流体。在豪沃尔德的专利3，527，543号中所描述的锥形成角度的通道提供最多可能不超过70℃的覆盖率（被冷却剂覆盖的相邻孔出口中心间距离的百分率）。

离开冷却通道的空气的速度决定于在通道入口的空气压力跟在通道出口的燃气流压力之比。一般来说，压力比越高，出口速度越高。出口速度太高会导致冷却空气穿入燃气流而被带走从而不提供有效的薄膜冷却。压力比太低会导致燃气流吸入冷却通道内从而完全丧失了局部叶型冷却。完全丧失叶型冷却往往产生灾难性后果，因此常常保留一个安全裕量。考虑到安全裕量所要求的附加的压力将设计推向高的压力比。有高的压力比的裕量是薄膜冷却设计方案的一个合乎需要的特点。如在上面讨论的豪沃尔德专利中的将通道做成锥度以扩散冷却空气对提供这种裕量是有利的，但其中所教导的窄扩散角（最大夹角为12°）要求长的通道，因此，用厚的叶型壁以降低出口速度常常被认为是降低薄膜冷却设计结构对压力比的敏感度的最可取的办法。同样的界限存在于西顿斯的克的美国专利4，197，443号中所描述的梯形扩散通道中，其中所教导的在两个互相垂直的平面里的最大扩散夹角分别是7°与14°，目的是保证不会发生冷却流体从带锥度的壁上分离，同时保证冷却流体在它的通道出来进入热燃气流里时充满了整个通道。在这些扩散角的界限内，只有厚一些的叶型壁以及通道在叶型叶展方向带角度才可以在纵向上产生较宽的通道出口以及较小的通道间缝口。宽的扩散角是比较好的，但用先有技术的教导则无法实现，尤其对于描述了一块用于电火花加工的具有梯形截面的渐扩锥形薄膜冷却孔的金属板电极的西顿斯的克（Side-nstick）专利。这样的先有技术的电极显示在图1、图2和图2a中，它们分别是西顿斯的克专利的图4、图6和图6a的转载，虽然图2a意欲用“枪筒”视图（内窥图）来显示由图1和图2的金属板电极成形的通道的形状，但是我们使用这样的形状的电极在弧形表面象叶型表面上来加工通道却发现它们加工出来的通道象图2b所示而不是图2a那样。这通道在沿其上游表面的长度上有一个切口，由于这个切口冷却剂就不扩散并且不完全充满扩散区而保持了一般粘附性喷流，这就降低了薄膜的扩散并生成一个窄于通道出口的冷却剂的薄膜。

本发明一个目的是一个形成穿过一个工作件壁的成型通道的改进的电极。

本发明的另一个目的是一个形成穿过一个叶型外壁的渐扩锥形冷却空气通道的金属板电极。

根据本发明，一个金属板电极有一个直的、纵向延伸的前端段，一个平的中间段和一个后段，前段有一个第一平表面和一个面对的第二平表面，中段有一个和上述第一平表面的后缘相连并与之形成一个钝角的第一平表面，中间段具有从前段相对渐扩的侧缘，包括一对侧壁，每一个侧壁和一个侧缘相连，每一个侧壁有一个在第二平表面的平面上纵向向后延伸的边缘，后段和中段的后缘相连并从此向后延伸以连接一个电火花加工机床。

本发明的电极和美国专利4197433号所描述的西顿斯的克电极之不同在于形成通道锥状表面的本发明的电极的中段包括有沿其渐扩缘的长度的侧壁。侧壁确保由该电极形成的通道有一个平的表面从叶型壁（通道扩散段的一部分）的外表面通过配量段而延伸到壁的内表面。

本发明的前述的以及其他的目的，特点与优点按照下面带附图说明的最佳实施例的详细描述就会更明显。

图1、图2和图2a是分别对应于美国专利4197443号的图4、图6和图6a的现有技术的附图。

图2b显示了使用图1和图2所示的电极形成的通道的实际形状。

图3是一个部分剖开、具有本发明的特点的中空的涡轮叶片。

图4是一沿图3线4-4取得的放大的截面图。

图5是沿图4线5-5方向取得的视图。

图6是沿图4线6-6剖线取得的截面图，

图7是一个含有本发明特点的电极的侧视图。

图8是在图7线8-8方向取得的视图。

图9是沿图8线9-9取得的一个截面图。

图10是沿图8线10-10剖线取得的一个截面图。

图11是在图7的11-11方向取得的一个视图。

图12显示了一片金属板的一部分，是沿着实线切割以制出如图7-11的电极的毛坯。

图13是显示本发明的电极的另一个实施例的透视图。

图14是沿图13线14-14取得的截面图。

对照图3，这里展示了一个用于燃气涡轮发动机中涡轮段的叶片100侧视图，叶片100含有一个从叶根104在叶展方向即纵方伸展的中空的叶型102。一个座106位于叶型102的底部。叶型102是中空的并含有多个贯穿叶型壁110的薄膜冷却通道（图4）。为了简单和清楚的目的，在附图中仅仅显示了二列纵向延伸的通道108。一个典型的涡轮段叶型有许多列的通道，一些列位于叶型的压力面，其它的沿叶型的前缘和吸入面布置。在所有情况下通道108和一个位于叶型内的腔室相通，这腔室通过贯穿叶根104的槽道112接受增压冷却剂流体。增压流体经过通道108穿过壁110而流出该腔室，从而冷却壁并且最好在通道出口下游（即在热气流主流流经叶型表面的方向）叶型外表面114上形成一层冷却剂薄膜。冷却剂通道的形状最好根据图4-6来描述。基本上，每一通道108含有一个沿其长度是恒定截面的直的配量段和一个串接的扩散段118，配量段116含有一对由一对平的间隔开的平行端壁124，126互相连接的第一和第二平的间隔开的平行侧壁120、122。这些壁和叶型内部的腔室的内壁表面128相交并且界定了一个通道108和配量段116的入口130以从叶型内的腔内接受一个受控的冷却剂流体流。该配量段的出口132和扩散段的入口重合。扩散段包含有一对由一对间隔开的、相面对的端壁138、140互相连接的间隔开的、相面对的侧壁134、136。扩散段侧壁和端壁跟壁110的外表面114相交以界限定一个出口141。扩散段118的侧表面134和配量段116的侧表面120共面。扩散段118的侧表面136从其相对侧表面134以一个以字母A标示的角度向出口140渐扩。端表面138、140以一个夹角B渐扩。

图7-11显示了一个用于电火花加工具有通道108那样形状的通道的金属板电极200。每一个电极有多个齿202，每一个齿202包含有一个前段206，一个中段208和一个后段210。齿202的后段210共同伸展并形成一个在使用中固定在工具夹持器（未示出）中的电极200的公共基部（以后代号为210）。夹持器接到一个直流电源的负端，而要加工出通道的叶型102则接到一个正端。电极向被加工的工件的壁，例如叶型壁110运动，当电极和叶型表面的间隙足够小时其间将产生电火花以打掉叶型的材料微粒。电极继续向叶型深入直到齿202的前端206完全贯穿壁110达到一个预定的深度为止。在图4中，虚线显示了电极200在其深度顶点的位置。在这个实施例中电极200的基部210没有穿入叶型110中，这样，由电极形成的通道的形状仅仅取决于电极的齿202的前段206中段208的形状以及电极进入叶型的运动方向。

按照本发明，前段206是平的并沿着齿202的轴线212的纵向伸展。前段206有一个垂直于纵向的恒定截面的区域，并且包含一个具有一对在纵向延伸的直的平行的侧缘218的上表面214以及一个连接侧缘的后缘220。中段208包含有一个位于一个和上表面214形成一个内钝角E以及和上表面214的延伸面形成一个锐角C的平面上的上平表面222，上表面222有一个和上表面214的后缘220相重合且同样长度的前缘，上表面222还有一对在轴线212的相对二边的侧缘224，每一侧以一个字母D标示的角度（图11）渐扩展。每一侧缘224还包含有一个沿其长度与之成一体的侧壁226，在这个最佳实施例中，侧壁垂直于两个上表面214、222的平面。每一个侧壁包括一个面背轴线212的外表面228和一个从前段的后缘220向后伸展到基部210的直的下缘230。该下缘230处于前段下表面216的平面内，基部210有一个和每一个中段208的后缘相接的前缘232。在这个实施例中基部210是平行于前段206的。

从附图中可以看到每一电极齿的侧壁226的朝外表面228形成冷却剂通道108的扩散段118的端表面138、140。在这一点上，角D（图11）是冷却剂通道的所要求的夹角B的一半。同样地，中段208的上表面222形成扩散段118的侧表面136，而侧壁226的下缘230和前段206的下表面216一起形成扩散段118的侧表面134。这样，每一电极齿的角度C就实质上被选择为冷却剂通道的角度A。

图12显示了一个可以切出图7-11的电极的一块金属板的部分顶视图。实线和没有阴影线的该块金属板的那部分是可从一大块板中切出并形成本发明的电极的金属平板的形状即毛坯。该块金属板的阴影部分是除去的。虚线是沿着它弯曲金属板成图7-11所显示的电极的线。实际上，金属板是将毛坯在一个具有所要求的完工形状的模具中冲压而形成其完工形状的。

图13和图14显示了本发明的电极的另一种结构图形，其中侧壁300以一光滑弧面和中段的上平表面302相连。这样一个电极产生一个具有半径朝通道出口方向增加的光滑弧形角的冷却剂通道。最好弧形角是斜锥体的形状。这种形状的通道在本人与罗伯特.E.菲尔德共同拥有的题为“带弧形角的改进薄膜冷却通道”的，在同一日期提申请的美国专利申请（档案号为F-5406，申请号未定）中描述更为充份;在此申请中用作引证。虽然本发明是按一个最佳实施例来描述和显示出来的，懂行的人应当理解可以对本发明的形式与细节作出其他不同的变动与删除而不脱离本发明的精袖与范围。

勘误表    CPME864692

Claims (6)

1、一个适合于安装在一个电火花加工机床中的电极，所述电极包括至少一个具有纵向伸展轴线的纵向伸展齿，所述齿由一单片金属板制成并依次包含一个前段、一个中段和一个后段，所述前段有平行的上下表面，所述上表面位于第一平面中并有一对在纵向伸展的直的、平行的侧缘和一个与所述侧缘相连的后缘；

所述中段有一个位于和所述第一平面形成一个内钝角并和所述第一平面的延伸面形成一个锐角的第二平面中的上表面，所述中段的所述上表面有一个前缘，所述前缘和所述前段的所述后缘重合且具同样长度并且所述前缘有所述上表面的平面中在所述纵向伸展轴线的相对二边从所述前缘向后延伸的侧缘，至少一个所述中段的所述侧缘从所述轴线渐扩；

所述中段的每一个所述侧缘有一个沿所述中段的侧缘长度与之成一体的侧壁，每一侧壁有一个面背所述轴线的表面，每一侧壁有一个在所述前段的所述下表面的平面上并从所述前段向后伸展的直下缘；和

所述后段从所述中段向后伸展并使之适合于和一电源相连。

2、根据权利要求的电极，其特征在于二个所述上缘均从所述轴线渐扩开来。

3、根据权利要求1的电极，其特征在于所述后段基本上平行于所述第一段的上表面。

4、根据权利要求1的电极，其特征在于所述侧壁垂直于所述中段的所述上表面。

5、根据权利要求1的电极，其特征在于每一所述侧壁以一光滑弧面和所述中段的所述上表面相连。

6、根据权利要求5的电极，其特征在于所述光滑弧面形成一个锥体的形状。

Images