本发明涉及薄膜冷却，尤其是涉及薄膜冷却翼片。 大家已经熟悉，翼片的外表面可被冷却，借助于导引的冷却空气，从内部腔室经过许多小通道，引导至外表面。所盼望的是，空气吹出通道，使在通道的尽可能的长度距离内的下游内，仍保持拖带于在翼片外表面上的附面层内，在热的主流气体和翼片表面之间，提供冷却空气保护膜。通道的轴线和翼片表面形成的角度，以及它对流过翼片表面通道涌出口热气流的方向的关系都是重要因素，影响气膜冷却的效率。气膜冷却的效率，被定义为主气流温度（Tg）和位于通道出口的下游气流其距离为X的冷却薄膜的温度（Tf）的差值，除于主气流温度和在通道出口处（即位于X＝0）冷却空气温度（Te）差值，则E＝（Tg-Tf）/（Tg-Te）。气膜冷却的效率，随着从通道出口处的距离X迅速减小。在尽可能长的距离并复盖尽可能大的表面区域，同时维持高的薄膜冷却效率，是翼片气膜冷却的主要目标。
已为众所周知的技术中，发动机的翼片必须使用最小量的冷却空气来冷却，这是由于冷却空气是从压缩机抽取的工作流体，同时气体流动通路的损失迅速地降低发动机的效率。翼片的设计人员都面临着使用特定的、最大的冷却流体流动速度，来冷却全部发动机翼片的问题。从内腔流经各个分别的冷却通道，进入气体通路的流量，借助冷却通道的最小横切面区域（调节区域）而加于控制。调节区域典型地位于通道与内空腔相交处。全部冷却通道的总的调节区域，和由翼片引出的喷气口，控制来自翼片冷却气体的流速，假定的内部的和外部的压力范围都预先确定的，而且通常是设计人员不能加予控制的。设计人员的任务是规定通道的尺寸和通道之间的间隔，同时包括通道的形状和向位，这样来使翼片全部区域保持低于临界的设计温度，该温度限制决定于翼片材料的性能、最大应力值和适宜的寿命要求。
最理想是希望翼片表面百分之百地浸入冷却空气薄膜内;然而，离开通道出口的空气通常是形成一个冷却薄膜带，不宽于或难宽于垂直于气流的通道出口的大小。冷却通道的数目、大小和间隔的限制，结果在保护薄膜中形成空隙，和/或低薄膜冷却效率的区域，这会出现局部性的热点。翼片热点是限制发动机运行温度的一个因素。
霍华德的美国专利3，527，543号采用了将圆形剖面的通道变成扩张的锥形，来增加从一给定通道的冷却空气拖带于附面层内。通道也最好是定向在沿纵向方向延伸的平面上，或者偏的朝向气体流动方向，从通道当它吹向下游时，依据其出口纵向地吹散冷却空气。任凭有这些特点，由烟流可视觉的试验已确定，以及发动机附件的检测，都说明从椭圆形的通道的发生（即霍华德那种），冷却空气在翼片表面被排出后，冷却空气薄膜其纵向的宽度连续按纵向扩大，它也只是大约是通道最大的短径。这事实，结合通道之间是三至六个直径典型的纵向间隔，导致翼片表面纵向间隔开通道之间和下游的区域，未收到从上述通道排列吹出的冷却流体。锥形的有角度的通道，如霍华德3，527，543号专利所介绍者，提供最好的而不超过70%的复盖率（即相邻涌出孔的被冷却空气所复盖的中心之间距离所占的百分比）。
离开冷却通道空气的速度依赖于它在通道进口的压力与在通道出口流出气体的压力之比率。通常，压力比率越大，流出速度越大。流出速度太大，致使冷却空气穿透燃气流和被带跑，而无提供薄膜冷却的作用。太低的压力比率，将致使燃气流吸入至冷却通道，造成局部翼片完全失去冷却保护。翼片冷却总损失，通常会有灾难性结果，鉴于此安全系数通常被保留。事关安全系数的特大压力，驱使设计方向朝着更高的压力比率。高压力比率的公差是薄膜冷却设计时所希求的性能。依靠通道的偏置，冷却气流漫射，正如上述讨论过的霍华德的专利中，提供这压力比率公差是有益的，但其中谈到的狭窄漫射角（最大包括12°的角度）要求有长的通道，因而，厚的翼片壁得到流出速度降低，常常被认为是最理想的，以降低薄膜冷却的设计相对于压力比率的灵敏度。相同的限制也存在于相关的梯形漫射通道，被介绍于西登斯蒂美国专利4，197，443号中。谈及在两个互相垂直的平面包含的最大漫射角度分别为7°和14°，以保证从斜壁流出的冷却流体的分离不会发生，并且冷却流体当它流出进入热的燃气流时，它整体地充满通道。漫射角度的这种限制，只有更厚的翼片壁和按翼片展向的方向通道转个角度，才可以产生更宽的通道出口和按纵向方向通道之间更小的间隙。最好是采用宽的漫射角度，但是采用现有技术不能作到。
日本专利55-114806所示，其图2和图3（在此现于再现有技术图9和图10），中空的翼片有圆柱形通道，以纵排安置并流入一个纵向伸展的、在翼片外表面形成的槽内。虽然专利发表指出，从相邻通道冷却流体的流动，混合形成厚度均匀的冷却流体薄膜，在冷却流体流出槽和到达翼片表面时，复盖着槽的全长，我们的实验经验标明，从圆柱形通道来的冷却剂流体，移向下游时，好似一基本上宽度不变的带子，它实质上就是通道的宽度。任何漫射，它沿着远至整个下游部分促使造成相邻的冷却剂流体带出现混合时，就这一点看来薄膜冷却效率肯定低于大多数翼片设计的要求。
比尔等人的美国专利3，515，499号专利描述了由一叠蚀刻薄板制成的翼片。做成的翼片包含一些区域，有许多纵向间隔开的通道，从内空腔引导至公共的、纵向延伸的槽，从该槽上述冷却空气流出形成冷却空气薄膜，复盖翼片的外表面。图1中各个通道显现是从进口收敛到一个最小横切面区域，在那儿与槽相交。相反在图9的另一实施例中，通道是小的、尺寸不变的，其出口进入至相当地更宽的槽内。这两种结构相似地有相同的缩回现象，这在上述日本专利中单独讨论过;这意味着冷却流体进入主气流前，不能均匀地注满槽内，并且相似地在槽的下游薄膜复盖率相当大地小于100%。
其他涉及翼片外表面薄膜冷却的出版物有：美国专利2，149，510号;2，220，420号;2，489，683号;《飞行和飞机发动机》2460号，69卷，56年3月16日，292-295页，全都显示了纵向地延伸槽的使用，用于冷却翼片前缘，或者压缩和吸气侧的叶片表面。在那里显示的槽，完全穿透叶片壁地伸展，直接地连通至内空腔。从结构强度观点来看，这种是不适宜的，并且它们要求非常大的流速。
美国专利4，303，374号中显示了一种结构，用于冷却暴露的叶片后缘的背表面。该结构包括许多在后缘内纵向间隔隔开、扩大的通道。相邻通道在它们出口的端部相交，以形成连续的冷却空气薄膜，复盖着背表面。
一些出版物中，由欧文和哈特尼特编辑的、1971年在纽约学会出版社出版的“热交换的进展”第七卷中，在321-379页包括了理查德·J.戈尔茨坦题为“薄膜冷却”的专题论文，它提供了关于薄膜冷却技术的评述。该评述介绍了完整穿透被冷却壁而伸展的不同形状的加长槽，也有穿透壁的圆形横切面的通道。
本发明的目的是经过改进的薄膜冷却通道的结构，用于冷却外壁，该外壁复盖有热气流沿着壁面流动。
本发明另一目的是一种中空翼片，它有改进的薄膜冷却通道的结构，用于翼片外表面的薄膜冷却。
本发明还有另一目的是提供一种方法，用于在单个的中空翼片内加工制造薄膜冷却通道。
依照本发明，在被冷却的壁内许多纵向排列的冷却剂漫射通道，有他们的出口位于外表面上，复盖该外表面会有热气流流过，这些通道相交于一条在被冷却壁的内壁形成的纵向延伸的槽，以限定通道的调节入口，以便从该槽接受流量受控制的冷却流体。
依照本发明的实施例，被冷却的壁是铸造的、中空的、纵向延伸的翼片的外壁，在那里纵向延伸的槽，当翼片的铸造时刻，被形成于壁的内表面里面。冷却剂通道稍后从翼片的外面往壁内被加工，并且相交于槽的侧壁，以形成通道的进口。各通道被定向以引导冷却剂的流动，那是按着复盖翼片外表面的热气流总的流动方向决定的，并相对翼片外表面是很小的角度，沿着出口的纵向长度，形成连续的冷却剂薄膜复盖着表面。通道可采用合适的方法加工制造出来，例如采用电火花加工。各通道在其进口端包括直形部分，有不变的横截面，接着是包括了端面的漫射部分，这些端面在纵向平面内相互扩张至位于壁外表面的出口处。最好相邻通道彼此间足够接近，这样他们扩张的端面彼此相交低于被冷却壁的外表面，借此众多的通道在外表面限定一共同出口，它是一条纵向延伸的槽。
在现有技术中，如前面提到的美国专利3，527，543号和4，197，443号，冷却通道沿着中心轴线延伸，整体地穿过被冷却的壁，以便在内表面形成进口。冷却剂流体进入通道进口并按中心轴线的方向流往出口处，其流动倾向类似有相对粘度的单方向流体，它难于分散进入有宽的扩张面的加大通道。这样，在通道会出现空的区域。上述问题，被认为是进入这些通道进口的冷却剂流体的大部分，其速度和动量基本上平行于通道的中心轴线所造成的结果。
在本发明中，各通道的第一部分有不变的横截面，相交于在壁的内表面内形成的窄槽的侧壁。通道本身没有完全穿过壁面延伸。最好通道和槽侧壁的相交呈锐角，并最好是90°。这样，为了使冷却剂流体进入通道，它首先相对通道中心线按基本上是垂直的方向或至少是突变角度进入窄槽。流体随后必须突然地改变方向进入通道，流体以锐角角度方向冲击通道壁面，在槽的底部造成湍流。被认为这种湍流和流体进入通道时流向的改变，使流体流入通道第一部分时，使流体微粒的显著部分具有的基本速度分量是垂直于通道的中心轴线，而减小了流体的粘度。粘度的缺乏和没有流体微粒那种一般流向，许可流体在通道的第二部分或漫射部分更容易地分散开来。因此，漫射部分可有更宽的扩张面，而且冷却剂流体复盖着更大面积的被冷却壁外表面上的区域。依照本发明的通道已成功地进行试验，其端壁相互扩张成60°的角度（形成的角度）。
本发明前面已提到的和其他的目的、性能和优点、将在下面伴有附图说明的实例的详尽描述中，显示得更为清楚。
图1具有本发明特点的中空汽轮机叶片局部剖开的正视图;
图2沿图1剖线2-2剖开的剖视图;
图3图2中3-3部位的放大图，图示了依照本发明构成的冷却通道;
图4沿图3剖线4-4剖开的剖视图;
图5沿图3中5-5视向的左视图;
图6图2中6-6部位的放大图，图示了依照本发明构成的通道的另一实施例;
图7沿图6剖线7-7剖开的剖视图;
图8图1中8-8部位的放大图;
图9依照本发明一实例冷却剂通道的两组成部分相交处的解说立体图;
图10依照本发明另一实例冷却剂通道的两组成部分相交处的解说立体图;
图11至图13图示原始的冷却剂通道结构，与本发明制作的通道作比较;
图14比较本发明构造和图11至图13中原始构造的冷却剂通道薄膜冷却效率的对比曲线;
图15和图16现有技术日本专利55-114806号中图2和图3的复制图;
作为本发明的一个实施例，考虑图1中汽轮机叶片，以参考标号10表示。参照图1和图2，叶片10包括有中空的翼片12，它沿从根部14开始展向的或纵向的方向伸展，它与根部14是一个整体。一个平台16被安置在翼片12的底部。翼片12包括壁18，它有外表面20和内表面22。内表面22限定了一个纵向伸展的内腔，它被分为几个相邻的纵向伸展的内腔室24、26、28，由纵向伸展的翼肋30、32分开。根部14内的通道34和腔室24连通;而根部14内的通道36和两个腔室26和28连通。当叶片10在其预计环境下使用时，例如作为汽轮发动机涡轮部分时，冷却剂从适当的来源，例如压缩机流出的空气，提供进入通道34、36，使腔室24、26和28加压。
通过图中的箭头40表示热的燃气流动方向（即气流线）复盖着翼片。为了本发明描述的目的，热燃气流过翼片加压一侧或者抽吸一侧的翼片表面时的流动方向，被认为是按着朝下游的方向。这样，在加压或者抽吸侧翼片表面的任一点，朝下游的方向在该点是相切于翼片的;同时，除了也许靠近翼片顶尖或翼片底接近平台处有典型的流动发生外，下流方向基本上是垂直于翼片展开的方向。
依照本发明，腔室24、26、28内的加压冷却剂，经通道穿过壁18流出翼片，例如通道41，或者经流出槽42，它由通道44供气，通道44将在后面更详细地叙述。在典型的汽轮机叶片的翼片上，可以有许多排的通道，例如通道41，将位于翼片加压和抽吸侧两面，同时也有位于翼片前缘的附近。为了清楚和简化的目的，在图中只表示出少量两排通道。这样，图中的翼片仅仅便于解释，而非受限仅仅是如此。
图3至图5中显示得最好，翼片10包括许多的冷却剂通道42，按纵向（翼向）延伸的一排而排列。各通道42和壁的内表面22内形成的纵向延伸槽46相交。槽46包括进口48、底部50和一对间隔很近的、平行的侧面52、54，各冷却剂通道42包括直形部分56，它沿着其长度有不变的横切面（本实例中是长方形），和一串联流通的漫射部分58。各通道42的中心轴线60，它在本实例是垂直于纵向方向，并穿过直形部分56的横截面的几何中心。
各通道42，从其位于壁18内的底部43至其位于翼片的表面20的出口45延伸。各漫射部分58包括有一对相面对的、间隔开的端壁62，每个都朝向表面20扩张，位于一纵向平面、以角度A从中心轴线60扩张，并以两倍A的形成角度相互扩张。形成的角度最好至少是30°，并已成功试验大至56°。相邻通道42的端壁面62各互相相交于接近表面20，例如于位置64。各扩张部分58也包括一对间隔开、相面对的侧表面66、68，它们和端壁面62相连，形成了漫射部分58。表面66、68从他们各自的通道的直形部分56和翼片的外表面20相交，并限定了纵向延伸的一个槽70。表面68形成了槽的上游边缘72，而表面66形成了槽的下游边缘74。据这理由，表面66被归于为漫射部分的下游表面，而表面68被归于为漫射部分的上游表面。
在这最佳实例中，上游表面68平行中心轴线60，同时下游表面66相对表面68和中心轴线60扩张，扩张角为B，它最好是5°至10°之间。中心轴线60最好与下游方向40形成不大于40°的小的角度C（最好是30°或小些），这角度实质上如同是由中心轴线60和位于通道出口处外表面20而形成。这样，减小了沿垂直于翼片外表面方向的冷却气流对热燃气流的吹入，过分的吹入结果会使冷却剂即刻被吹离翼型表面，而不能形成一冷却剂薄膜，而被拖带于吹出槽70下游的翼片表面的附面层里面。
参阅图1至图5，各通道42的直形部分56相交于槽46的侧面52、54和底部50，以限定冷却剂进入各通道42的进口。在本实例中心轴线是垂直于侧面52所在的平面。最好角度D是60°至120°之间。图9的立体图说明了通道42和槽46两者相交区域。通道42的进口处，在相交处构成并以参考号76标明，并这是通道的调节区域，因为它小于垂直于中心轴线60的直形部分56的横截面面积。理所当然地，通道进口76是足够小，以作为通道42的调节区域，那么槽48的宽度R将比直形部分56的宽度M小好多。将小于多少，取决于被槽46相交的直形部分56的宽度M是多大。
图9中的构造可优越地提供非常小的调节区域，而无需形成直径非常小的调节通道，它是难于制作的。
本发明的槽可铸成仅为15密耳的宽度，采用的是规定的工艺技术。该槽可部分地相交于通道42，形成通道的进口，其横截面积比通道最小横截面区域更小。冷却剂流体进入通道，然后立即开始漫射，同时向通道出口流动。本发明的特殊优点是具有这样的性能，它形成这些调节区域，而不超越至翼片的内部。那么，叶片可以是单个铸件，它在铸造过程同时形成了槽。然后，通道42可以从翼片外往壁内机加工制作，和槽46相交，形成靠近的、尺寸非常小的受控调节区域。
另一种构造示于图10，相同的零件标号相同，但最基本的零件，其标号如图8中所采用。在图10中被描述的构造中，通道42′在槽进口48′和槽底部50′之间，完整地和槽的侧面52′相交。在这情况下，通道进口以标号78标注，在表面52′的开口是简便地借助通道42′和表面52′相交而形成。这样，直形部分56′的横截面，就是通道42′的调节区域。
使用时，冷却剂流体从空腔26进入槽46，朝着槽的底部50流动，即朝着直形部分56的侧表面80。侧壁80，在本实例中，是漫射部分58的上游侧壁面68的延长部分。这里会由于部分冷却剂流体冲击表面80而造成湍流;而且流体也必然改变方向尖锐地进入直形部分56。直形部分56从槽表面52至漫射部分58的进口82的长度，必须相对于通道42进口区域的有效口径是短的，以便保证冷却剂流体的漫射，在流体微粒进入漫射部分58之前，避免丧失其方向上垂直于中心轴线60的速度分量和动量。换句话说，如果漫射部分的进口（即是直形部分出口）离槽表面52太远，冷却剂流体将有机会发展变成粘性的流体，其动量和速度基本上整个地按中心轴线的方向前往通道出口。这将抑制或阻止流体，当朝向出口移动时，注满漫射部分58的整个空间。漫射部分58未能注满的程度，依赖于好多因素，包括了角度A，表面52和漫射部分进口82之间的直形部分56那一段长度，以及漫射部分自身的长度。我们的经验是槽表面52至漫射部分进口82那一段直形部分56的长度，不会大过通道42的调节区域有效口径的3倍，最好是小于该口径的2倍。只要调节区域限定好了，它是越短越好。
图1中的一排通道44，表示了本发明的另一种实施例。正如图6至图8显示是最好的，各通道44包括直形部分100，它有垂直于中心轴线102不变的横截面，以及漫射部分104。槽106在冷却剂空腔26沿着内壁18的内表面22纵向地延伸，它有底部108和相互靠近地隔开并平行的侧面110、112。直形部分100和槽表面110相交于槽底部108和槽进口114之间，在那里如图10所示通道44的进口116在槽表面110形成。这样，在本实施例中，通道44的调节区域就是直形部分100的横截面，并垂直于中心轴线102。
通道44与通道42另一不同点是漫射部分端面118相互相对中心轴线102扩张，是以两阶段达到最后漫射角度A。另外，相邻通道的端面118相互是不相交的。各个表面118分别地与翼片外表面20相交。这样，各通道44在表面20有自个分别的出口121，在图8中表示得最清楚，它是图1中翼片外表面局部放大图。正如通道42，各通道的中心轴线102，按一般往下游的方向延伸，并与往下游方向40在通道出口处形成小的角度C。通道44的侧面120平行于中心轴线102，被间隔开并相对面对的侧面122（它是下游侧表面），它相对中心轴线102和相对上游侧面120扩张一角度B，最好不大于10°。
为进行比较，依据本发明的通道，和图11至图13所示作为参考的“原始”结构的一排成型通道，相对地进行了试验。这些成型通道类似于西登斯蒂第4，197，443号美国专利中所介绍的成型通道，不同之处处是扩张角度是10°。在下面叙述的实验中，这些通道流满了并产生了如通道出口基本相同宽度的冷却薄膜，尽管西登斯蒂说过他建议7°的最大扩张角。
图14的曲线图显示了试验结果。图14中水平的座标轴线是无量纲的参数P，其数值是从冷却通道出口的距离X（按复盖出口主气流流动的方向，即按往下游的方向）与流出通道的冷却空气的质量流量直接有关的数量之比率。垂直座标轴线是薄膜冷却效率E（如前面已定义的）测量值，是在通道出口下游距离X处测得。冷却效率可能的最大值1.0。因为P值是直接相关于离通道出口的距离，并且由于在这些试验中出口下游的距离是唯一的变量，P值可被认为是通道出口的下游距离的测量值。
以A标注的曲线是代表穿过试验板202的一排原始通道200，如图11至图13所示。面积比Ae/Am各都是10.0，Ae是图11中以Ae标注的平面测量的通道出口横截面面积，而Am是以Am标注的平面（见图11）测量的调节部分204的横截面面积。间距与口径比率，p/d，为6.57，P（见图12）是相邻调节部分204的间距，而d值是调节部分的有效口径，它是有相同横截面面积的园的直径。曲线B是代表与图11至图13相似的一排原始冷却剂通道，但是间距对口径比P/d是6.57和面积比Ae/Am是3.6。
曲线C是代表一平试板的冷却剂结构，相似图1至图5分别介绍的通道42和槽46形成的冷却剂结构。使用在图3和图4内已标明的，采用角度A为28°，角度B为10°，角度C为45°，角度D为90°。面积比Ae/Am为12.9和间距对口径比P/d为5.77。Ae是在图3已标明的平面测量值，该平面是垂直于通道中心轴线。Am是内部槽和通道直形部分相交面，估算为0.0187平方英寸，与之相应比较，直形部分横截面面积是0.0255平方英寸。该试验板本身大约长17英寸、0.75英寸厚。在试验板接受冷却流体一侧形成的槽，基本上按板的全长延伸，并被冷却剂通道相交，这些通道的扩张端面，在低于热气流复盖流过的平面处和相邻通道的扩张端面相交，这形式已分别在图3和图4中描述。通道沿着试验板的热表面形成纵向延伸的槽，与图1中槽70相似。
本发明提供的薄膜冷却效率的改进是显著的，可容易从图14看到。例如，在P＝50处，本发明的冷却效率比原始成型通道大过0.04。在P＝800处，冷却效率的差值是0.015。分别这样安排，假定通道出口处冷却剂温度为1200F°并且主气流温度为2600F°时，数值为0.02的冷却效率增量，将转换为冷却剂质量流量相同时，使冷却剂薄膜的温度减小大约28F°。
应注意到，在试验板的热表面内，由于冷却剂流体将通道出口处的纵向延伸槽完全地充满，本发明的试验结构提供的冷却剂薄膜，百分之百地复盖着从第一个通道至最后一个通道之间的纵向距离。当曲线B代表的结构提供复盖率为大约54%的要求时，曲线A代表的结构提供复盖率仅仅是75%。
虽然本发明已分别参照最佳实例作了介绍和描述，对熟悉本领域技术的人士来说，很自然理解到，对有关本发明形式和细节的改变和删节，并不脱离本发明的范围和实质。