本发明涉及薄膜冷却，特别是薄膜冷却叶型。 人所熟知，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数。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。能耐受高的压力比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耐受力是有利的，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，但用先前技术的教导则无法实现。
日本专利55-114806号的图2与图3（在这里作为先前技术转载成图15与图16）示出一个空心的叶型，它具有排成纵行而排空入一个形成在叶型外表面上向纵向伸展的槽里的，直的圆柱形通道。该专利好象要讲明从相邻通道出来的冷却流体流在它流出槽外到达叶型表面时，掺和成一层布满槽的全部长度的均匀厚度的冷却流体薄膜，但我们的试验经验表明从圆柱形通道出来的冷却剂流体向下游流动成一条宽度基本上跟通道直径一样的固定宽度的带子。任何导致相邻的冷却剂流体带掺和的扩散发生在下游这么远的地方，远至使该点的薄膜冷却效率大大低于绝大多数翼型结构设计的要求。
颁发给比尔等的美国专利3，515，499号描述一个用堆叠的蚀刻的薄膜制成的叶型。制成的叶型包括几个区域，它具有多个纵向间隔排列的通道从一个内腔引向一个公共的纵向伸展的槽，冷却空气据文中说是以此流出形成一层覆盖翼型外表面的冷却空气薄膜。在其图1中每一个通道看起来像是以它的入口收缩到一个跟槽相交的最小截面积。在其图9上的另一实施例方案，通道看起来像具有一个小的尺寸而进入一个相当宽的槽里。两个结构都很可能有跟讨论日本专利时提出的同样的缺点;就是，冷却流体不会在它流入主燃气流前均匀地充满槽子，而且在槽的下游薄膜覆盖率很可能比100%低相当多。
关于薄膜冷却叶型外表面的其他公布文献是：美国专利2，149，510号，2，220，420号，2，489，683号;“飞行与飞机工程师”（Flight and Aircraft Engineer第2460号，卷69，3/16/56，292页至295页;所有这些都显示使用纵向伸展槽来冷却前缘或压力面和吸入面叶型表面。其中所显示的槽伸展全部穿过叶型壁直接跟内腔沟通。这些槽以结构强度的观点来看是不合乎要求的，同时还要求非常大的流率。
美国专利4，303，374号显示一个用来冷却一个叶型后缘的外露缩小部分的表面的结构。该结构包括多个纵向间隔排列在后缘的渐扩通道。相邻通道在出口端会合形成一个冷却空气的连续薄膜流过缩小部分的表面。
一本由学院出版社（N.Y.1971）出版的，由T.F.小欧文及J.P.哈特纳德所编的期刊“热传递的进展”（Advances in Heat transfer），卷7中包含一篇标题为“薄膜冷却”（Film Cooling）的专题论文，作者为理查.J.高尔斯坦，在321至379页上提出了一个对薄膜冷却技术的评述。该评述显示伸展完全穿透被冷却壁的不同形状的细长槽，还显示了伸展穿过壁的圆截面的通道。
本发明的一个目的是改进冷却热燃气流流过的壁的装置。
按本发明，一个要被冷却的壁包括一个细长的槽在其中，该槽在壁内有一个底部以及至少在热燃气流过的表面上有一个出口，在槽内至少有一个配量通道从壁的对面冷却剂流体源处伸展到槽里并与槽的一个表面在其底部相交成一个锐角，这导致从配量通道出来的冷却剂流体冲击槽的对面表面使得冷却流体基本上充满了整个槽，这个槽的取向是要形成一层冷却剂薄膜贴近热燃气流过的壁表面。
本发明特别适合用于冷却空心翼型的薄壁，如在燃气涡轮发动机涡轮段所用的叶型。叶型的壁界定一个冷却剂室在其内，这个室从发动机的别的地方接受加压冷却剂流体。这个槽基本上是由一对相距很近的，可能是平行的也可能稍为张开一些的壁组成的，这个槽并不伸展完全穿透被冷却的壁。这个槽最好朝叶型叶展方向延伸。一个或多个配量通道从冷却剂室向槽伸展并与槽在槽底部相交。这些配量通道具有比较小的截面面积以控制流入槽里的冷却剂流率。
每一个配量通道的取向是要与槽壁之一相交并引导一股冷却剂流体以锐角撞击对面的槽壁以产生对槽壁的湍流的冲击冷却，并将冷却剂流体在槽内扩展。槽壁最好跟叶型热的外表面相交成一个过40°或小一些的小角度30°或再小一些则更好，这样来从这槽引导冷却剂流体朝着热燃气流的方向使冷却剂在叶型外表面上的附面层内被传送到槽的下游的一段相当大的距离，因而冷却剂在叶型表面与热燃气之间提供一个热屏障。
每个槽中的配量通道数量取决于槽的长度、槽出口的截面面积以及配量通道的截面面积。槽的大小和取向以及配量通道的大小和间距是这样来选定以能保证出口的整个长度范围内贴着热表面。参数还要这样来选定使得使用最小量的冷却剂来冷却最大量的表面面积。
本发明还可以用来冷却叶片座。在座上做出一个其出口在表面上的槽，这平面是暴露在燃气流里的。配量的通道从在座下面的一个冷却剂室伸展到与槽表面相交。冷却剂冲击另一个槽表面并离开该槽，在座表面上形成一层薄膜。
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是一个燃气涡轮发动机转子组件一部分的透视图。
图2是图1转子的一个空心涡轮叶片的侧立面图，部分剖开。
图3是沿图2上3-3线切开的剖面图。
图4是图3的4-4范围内的放大图，示出一个按本发明一个实施例构造的冷却通道。
图5是沿图4上5-5线切开的剖面图。
图6是沿图5上6-6线切开的剖面图。
图7是图3的7-7范围内的放大图，示出按本发明另一个冷却剂通道的实施例。
图8是沿图7上8-8线切开的剖面图。
图9是大体沿着图1上9-9线切开的剖面图，示出本发明用在冷却叶型座的冷却剂通道。
图10是沿图9上10-10线切开的剖面图。
图11至13示出一些用来跟本发明作比较的基本的冷却剂通道结构图形。
图14是一个曲线图，用来比较本发明的冷却剂通道结构和图11至13的基本结构两者的薄膜冷却效果。
图15与16是先前技术日本专利55-114806号图2与3的各自转载图。
以图1作为本发明的一个示范实施例，它是一个燃气涡轮发动机一个涡轮组的部分的简化透视图。涡轮组包含一个有多个叶片14固定在其上的盘12。在此实施例中每一片叶片14包含一个空心叶型16，它从与它构成整体的根部18朝叶展方向或纵向伸展。一个座20配置在叶型16的底部并与它构成整体。叶型是大体上垂直于座的。在此实施例中，根部18具有常规的纵树形状，并装配在盘12边缘的一个对应的纵树状槽22内。侧板或其他合适的装置可紧靠着叶片14及盘12的轴向端表面来将叶片夹持在盘里并控制通过室26（形成在座的底面28与盘的边缘30之间）的，以及通过在每个根部18的下面轴向伸展的槽道32的穿过涡轮级的冷却剂流体的气流。图1示出一块配置在涡轮组10下游边的侧板34。这些侧板以及其他的跟涡轮组10相互作用的燃气涡轮发动机元件及部件（未示出）以一种本行熟悉的方式来控制在室26及槽道32内冷却剂流体的压力与流量。
参看图2，示出一个从盘12取下的叶片14的侧视图。从图2和3看得很清楚，叶型14包含一个具有外表面36与内表面38的壁34。内表面38界定一个由纵向伸展的肋片46、48分隔成多个相邻的纵向伸展的隔间40、42、44的纵向伸展内腔。在根部18内有一通道50跟隔间40沟通，另有一通道52跟隔间42与44沟通。在发动机工作期间，加压冷却剂流体从槽道32（图1）供给通道50与52。这流体可能是，例如压缩回引出的空气。
按照本发明的一个实施例，叶型16包括一个在叶型壁34吸入边的纵向伸展槽54。这槽54基本上在叶型的整个叶展长度内伸展，虽然这不是一个必要条件。也参看图4与图5，槽54由一个底部55和一对相距很近的、相对面的、纵向伸展的表面56、58组成，这一对表面跟叶型外表面36相交形成一个纵向伸展的槽出口59。在壁34内有多个配量通道60跟表面56在靠近槽54底部56处相交形成配量通道出口62。每个通道60的另一端跟叶型16的内表面38相交以界定配量通道入口64。通道60沿着槽54的长度纵向间隔排列并从隔间42供给一个配量的冷却剂流体的气流进入槽内。虽然图示的这个实施例的通道60具有圆形截面，但本发明对截面形状的要求并不严格。
通道60的取向最好能引导冷却剂流体从通道出口62以锐角撞击槽的对面表面58以产生对壁的冲击冷却并将冷却剂流体在槽内扩展。在这最佳实施例中，通道60引导冷却剂流体以90°的角度撞击表面58。这角度最好不小于60°，最好将流体引导朝向槽的底部55而不是朝向槽的出口。
在整个说明书及权利要求书内，朝下游方向被看作是热燃气或工作介质流过叶型外表面的方向。这个方向在图上用箭头35表示。槽54的取向是使以槽里出来的冷却剂流体在下游方向有较大的速度分量。这就要求槽表面56、58跟叶型外表面36以小角度相交，在图4中这相交角以希腊字母θ与θ表示。这些角最好不大于约40°，不大于30°更好。在这实施例中，表面56、58以槽底55开始是平行的，一直到刚过了配量通道出口62的一点，表面56就相对于表面58以一个小角度α外扩，这角度最好在50°到10°之间。这就进一步扩展了冷却剂流并有助于将此气流导向更贴近在槽出口下游的叶型表面。
槽54及通道60可以用任何合适的方法制造。制造这些部件的最合乎需要的方法决定于几个因素，如制造叶片14的方法，叶片的材料以及其部件的大小，特别是配量通道60的大小，在有些应用情况下，配量通道的直径可能需要小到0.010英寸那么小。如果叶片是一件铸件单件，要铸出非常小的直径的配量通道是很难的而且是要花费很大的。一种在叶片铸出后形成这种通道的方法最好参考着图6来描述。槽54可以有铸叶片铸在翼型内，或者是在叶型铸件里加工，如用电火花加工（EDM）或其在他合适的技术来加工。从叶型外面加工合适尺寸的配量通道60，使它完全穿透壁34的厚度，如用激光打孔、电火花加工或其他合适的技术来加工。把一个用小棒制成的塞子66用钎焊、焙焊或其他方法连接定位到在槽表面58前面的那部分加工好的通道里。另一方案，也可以用表面焙焊的方法在外表面将通道封闭。甚至在叶型的外表面上涂上一层陶瓷热屏障涂层就足以填塞该段通道。
如前面所提到的，槽的叶展方向长度以及相关于配量通道出口截面面积的槽的出口截面面积，和其他因素一道，是决定配量通道60的最合适数量的因素。作为一个极端情况的例子，图2的叶型16包括一排槽子68，每个槽在叶展方向上具有一个比较短的长度。每个槽68包括一个相距离很近的、纵向伸展的、相互面对的表面70、72。在此实施例中，表面70、72从槽底74一直到出口76相互平行。每个槽68只有一个配量通道78供气，这通道以90°角与表面70相交形成配量通道出口80。配量通道入口81与腔40沟通。在此另一方案的实施例中，每个槽68的相互面对的端壁83还以一个两倍于β角的坡口角度，β可以是从0°到40°之间的任何角度。
图2到8所描述的类型的冷却剂通道的另一个应用是来冷却叶片14的座20（图1）。这个应用最好按图1、9与10来描述。一个类同于图2的槽54的槽82铸出或用其他办法形成在座20里，并具有延伸展出口84在座表面86上，发动机的热燃气主流就流过这个表面。在此实施例中，座的下面28包括一个沿着槽的长度方向的径向向内伸展的突起物88，使槽做得深一些。在突起物88里有许多个配量通道96跟槽表面92以90°角相交以形成配量通道出口94。配量通道入口96跟在座下面的室26内的冷却剂流体相通，室26所接受的冷却空气的压力比在槽出口84处的燃气主流的冷却空气的压力为高。
为着清楚起见，图1所示的叶片是大大地简化了。例如，一个真实的涡轮叶型可能包括几个像槽54那样的槽，和几排像槽68那样的槽，或者在叶展方向上多排本行所熟悉的其他结构图形的冷却通道。这些槽和通道可以在叶型的压力面上或吸入面上。叶片座也可以在其他位置增加像槽84那样的槽。因此，图中所示的叶片只是为了解说，并无约束性。
为了比较目的，用一块带有类同于图2到5所描述的形状的冷却剂通道的平试验板跟一块带有如图11至13所示结构图形（以下称为基本结构图形）的一排型孔的平试验板一起作对比试验。图14的曲线图示出试验结果。在图14中，水平轴是一个无因次参数P，它的数值是从冷却通道出口起算的距离x（在流过出口的燃气主流的方向上）跟一个与离开冷却剂通道的冷却空气的质量流率直接有关的数字的比例。最大的可能的冷却效率是1.0。因为P直接跟从通道出口起算的距离有关，同时由于在出口下游的距离是这些试验中的唯一变数，P可以被看作通道出口下游距离的量度。
标号为A的曲线是一排穿过一块试验板202的如图11至13所示的基本结构冷却剂通道的曲线。这基本结构图形类同于西顿斯的克的美国专利4，197，443号中所描述冷却剂通道，只有张开角是10°与之不同。每个通道所用的面积比Ae/Am是10.0，其中Ae是在图11中标号为Ae的平面上测得的通道出口的截面面积，而Am是在图11中标号为Am的平面上测得的配量段204的截面面积。所用的间距离直径比p/d是6.57，其中p（图12）是相邻配量段204中心线间的距离，而d是配量段的有效直径，就是面积跟截面面积Am相同的一个圆的直径。我们这些基本结构通道流通是“充满”（“full”）的，因而产生一个实质上跟通道出口同样宽度的冷却剂薄膜，尽管西顿斯的克的教导建议最大的张开角为7°。
标号为B的曲线是跟图11至13所示的同样的基本结构图形的通道的曲线，间距直径比p/d为6.57，面积比Ae/Am为3.6。
曲线C是形成在一块平试验板内同时截面形状类同于图4与5的按本发明的一个冷却剂通道的曲线。
使用图4与5的标号，θ用30°，θ用40°，α用10°，面积比Ae/Am用12.0，间距直径比p/d用6.22。Ae是在图4带有该标记的平面上测得，这平面是垂直于表面58的。Am是配量通道在它的出口62处的截面面积。间距P是图5所示的配量通道60之间的间距，而直径d是配量通道出口62的直径。
曲线D表示按本发明的一个冷却剂通道的数据，只是槽的表面56、58是以槽底到槽出口都是平行（即α＝0°）。在该试验中，θ用40°，间距直径比用6.57，面积比用4.0。
由曲线A与C描绘的试验是在弧形风洞里进行的，而由曲线B与D描绘的试验是在平面风洞进行的。用曲线B（基本型）跟曲线D（本发明）比较，在20单位距离与60单位距离处，本发明的薄膜冷却效率比基本型的分别高出0.23与0.08。至于曲线A与C，在20、60、200和800单位距离处，本发明的薄膜冷却效率比基本型的分别高出0.11、0.07、0.03及0.02。展望这个结果，假定在通道出口的冷却剂温度是1200°F而主气流燃气温度为2600°F，在同样的冷却剂的质量流率下，冷却效率提高0.02转化成冷却剂薄膜的温度降就是约28°F。
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一的变动与删除而不脱离本发明的精神与范围。