本发明与向高温暴露的金属薄板有关,具体与有孔的薄金属板有关,通过孔将空气斜向引导,形成薄板的薄模冷却。 在冷热气态流体之间用多孔薄板作边缘层为已知技术。在颁发美其尼斯(Meqinnis)的美国专利第3,864,199号中,一种多孔层压板用两层形成,每层表面上有孔眼形成,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比较。这种孔如不损坏金属薄板的机械性强度的便难以制造。
一种用燃气轮机作动力的飞机用的二维排气喷管有一个静侧壁和喷口活动调节片,按飞行员命令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,因此需要对冷却气体的需求作最佳化。
一般而言,侧壁和/或喷口调节片有金属板,形成同时流动的冷热气体之间的边缘。为求功率重量比的最佳化,按理想应用最薄金属片满足机械和热要求。这种金属薄板有开孔,将冷却空气按锐角倾斜引导,从孔中通过,在板的与热气流接触的表面上,产生一个冷却薄膜。在锐角中引导地冷却气体与表面接近平行和热气体有最低量的混合,使薄膜温差在初始时最佳化,并提高长期的冷却效益。在厚度约为0.014英寸的金属平薄板上,试钻脱角倾斜的孔,产生的斜通道不能如理想将冷却气体锐角倾斜引导,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,会很大增加喷管重量。因此,在领域中需要的,是可冷却薄金属板的冷却孔,可以精确控制角度,和冷却气体的通过量。
在本发明中,可冷却金属薄板有热表面和热气体接触,冷表面和冷气体接触,有装置将冷气体从板中通过,在热表面上作薄模冷却。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对应突出部。每一凹陷有一个基本三角形的缓坡表面,在热气流的方向上,从一个深洼的平面顶点向齐平的底伸展。三角形的洼顶点的平表面和三角形的斜坡表面垂直。有一个孔通过平表面形成,在钻与平表面垂直的孔时,提供精确的直径控制,将气流的角度按平表面的角度控制。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,有孔通过平顶顶点。
图3为沿图1,线3-3的金属薄板放大剖视图。
图4为先有技艺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。
参看图1,示薄金属板厚度约0.014英寸,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。虽然所示为三角形凹陷,但熟悉本行业者能理解,在本发明中可用在气流方向上,有一个逐渐扩大的表面的基本为三角形的凹陷。为作说明起见图示一行中的凹陷其中心距约为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,每一3英寸×7英寸的矩形板上约有378个冷却孔。
参看图2,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,一个平顶点4,侧壁5及6和一个齐平底7。平顶点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,与各凹陷三角形的顶点垂直,将冷却气流按理想的角度引导,但角度最好在5至20°之间。然后将冷却气体引导,从孔中通过,并在三角形的逐渐扩大的斜坡表面上分布,形成向冷却膜的平稳过渡。
参看图3,示金属薄板沿图1中线3-3的剖视。箭头9表示的热气体流过一个气体表面10。箭头11表示的冷气体流过一个冷气体表面12。冷气体对平顶点冲撞,一部分冷气体被驱送,通过孔8,冲撞三角形斜坡表面3。在图3中,斜坡表面的角度为10°,平顶点与之垂直。于是冷气体横向扩散,成为薄膜,图中用箭头13表示,防御热表面上的热排气。保持冷气体的正压可防热气体抑制冷气流。由于使孔8和平表面4垂直,便可取得孔的准确尺寸,对进入的冷却气体的量准确控制。
参看图4,对于有先有技艺领域垂直孔的金属薄板里衬(线A),先有技艺领艺的平板上的斜孔(线B)和用于本发明金属薄板上的设于三角形凹陷顶点上的孔(线C),在薄膜冷却风洞试验的结果,用性能曲线形式表示。曲线代表冷却效率,其量度(Th-Tf)/(Th-Tc)相对于流量的无量钢系数×MS,
其中 Th=温度,热气体
Tc=温度,冷气体
Tf=温度,冷却膜
X=孔的下游距离
M=(Pc Vc)/(Ph Vh),P表示密度,V表示速度
S=当量槽孔高度,量度为一个行中的孔的开口面积除以行的长度。
概括而言,曲线表示冷却膜起点向下游的薄膜效用。从曲线图可见,本发明的孔的膜冷却效率高很多,冷却效率的提高可达26%。这种提高可使孔眼的数目减少,或将薄板的设计简化,降低成本而对疲劳寿命可使之最佳化。
可用一对配合的模具,在一次作业中,在薄板上冲压若干三角形坡形凹陷。然后可用第二组模具,将若干孔在薄板上钻,压,冲或用其他方法制作。这种加工过程可减少薄板的变形,而使加工时间最佳化。在每一孔中设一个平表面,使孔径可以控制,而避免用椭圆通道,使冷却气流可精确控制。由于热气侧表面保持平面形状,便不会增加阻力。此外,通过板表面的导热系数,由于定形突出部伸入冷却气流使湍流增多而系数升高。由于这时板的厚度,对于取得方向准确的冷却气流并非关键,便可使用符合排气喷管机械性要求的最薄材料,从而可减小排气喷管组合件的重量。
虽然对本发明的叙述和图示,和用于燃气轮机排气喷管的金属薄板联系,但熟悉本行业者可以理解,其他要求使用可冷却金属薄板的组合件,也可从本发明受益。因此熟悉本行业者可以理解,在凹陷的分布,材料类型,制造手段,孔径或流束的角度等方面都可修改,而不脱离本发明的范围。