(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211126749.1 (22)申请日 2022.09.16 (71)申请人 西北工业大 学 地址 710072 陕西省西安市友谊西路 (72)发明人 刘存良　李冰然　 (74)专利代理 机构 西安凯多 思知识产权代理事 务所(普通 合伙) 61290 专利代理师 云燕春 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/15(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数 预测及评估方法 (57)摘要 本发明一种涡轮叶片前缘复合冷却结构正 向设计参数预测及评估 方法， 属于航空发动机高 温部件热防护领域； 首先建立 综合冷却效率理论 关系修正公式； 然后建立正向冷却结构设计包 线； 之后通过包线筛选， 得到满足条件的前缘外 壁面的气膜冷却效率和前缘内壁面的冷气侧换 热系数； 最后结合综合冷却效率理论关系修正公 式， 计算得到前缘外壁面的综合冷却 效率， 实现 综合冷却效率预测， 并通过预测结果对 前缘复合 冷却结构予以评估， 得到前缘复合冷却结构的设 计方案。 本发明针对具有较大曲率变化、 较强密 集孔换热效应的涡轮叶片前缘复合冷却结构的 正向设计方法， 冷却设计参数的预测与结构设计 评估的方法,解决了一维公式及分析方法在实际 预测前缘 壁温的失准问题。 权利要求书3页 说明书9页 附图4页 CN 115470587 A 2022.12.13 CN 115470587 A 1.一种涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数预测及评估方法， 其特征在于具体步 骤如下： 步骤1： 通过涡轮叶片前缘几何参数计算复合冷却结构设计参数， 并推导出针对叶片前 缘特点的综合冷却效率理论关系修 正公式： 步骤2： 将许用/目标综合冷却效率与步骤1中复合冷却结构设计参数、 综合冷却效率理 论公式相结合， 得到 由前缘气膜冷却效率η及满足方程所对应的冷气侧换热系数hc所构成 的二维数组， 形成正向冷却结构设计包线； 步骤3： 基于步骤2得到的η ‑hc包线， 对实际参数值进行筛选， 得到满足条件的前缘外壁 面的气膜冷却效率 η*和前缘内壁 面的冷气侧换 热系数hc*； 步骤4： 将步骤3筛选后确认的η*、 hc*， 以及气膜孔内壁面的气膜孔内换热系数he带入到 步骤1中综合冷却效率理论公式(2)中， 计算得到前缘外壁面的综合冷却效率， 实现前缘外 壁面的综合冷却效率预测， 并通过预测的综合冷却效率结果对该η*、 hc*组合而成的前缘复 合冷却结构予以评估； 步骤5： 根据满足设计要求的综合冷却效率的η*、 hc*所对应的复合冷却结构组合， 得到 前缘复合冷却结构的设计方案 。 2.根据权利要求1所述一种涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数预测及评估方 法， 其特征在 于： 所述步骤1中， 根据无量纲温度综合冷却效率定义 前缘气膜冷 却效率 Tg是燃气的来流温度， 无量纲冷气流量mc+， 燃气侧毕渥数Big， 冷气侧换 热系数及内部换热面积乘积与燃气侧换热系 数及外部换热面积乘积之比C， 气膜孔内等效 换热系数及气膜孔内换热面积的乘积与所述的与燃气侧换热系数及外部换热面积乘积之 比Ce， 无量纲等效积分热量传递面积比Ag*， 根据热阻分析法推导获得针对叶片前缘特点的 综合冷却效率理论关系修 正公式(2)。 3.根据权利要求2所述一种涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数预测及评估方 法， 其特征在于： 所述无量纲等效积分热量传递 面积比为： 式中， Ag为前缘外部换热面积， R1为前缘外侧曲率半径， R2为前缘内侧曲率半径， N为前 缘纵向截面曲率圆心角， L 为涡轮叶片叶高。 4.根据权利要求2所述一种涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数预测及评估方 法， 其特征在 于： 所述燃气侧毕渥数为 式中， hg为涡轮叶片前缘燃气侧换热系数， δ 为叶片前缘的壁 面厚度， ks为导热系数。 5.根据权利要求2所述一种涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数预测及评估方权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115470587 A 2法， 其特征在于： 所述无量纲冷气流量 式中， mc为冷气的质量流量， cp,c为定压比热容， Tw、 Taw、 Tc,e、 Tc分别是前缘壁面温度、 有气膜时壁面的绝热温度、 气膜孔 出口温度、 冷气温度。 6.根据权利要求2所述一种涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数预测及评估方 法， 其特征在于： 所述冷气侧换热系 数及内部换热面积乘积与燃气侧换热系 数及外部换热 面积乘积之比为 式中， hc为涡轮叶片前缘冷气侧换热系数， Ac为前缘内部换热面 积。 7.根据权利要求2所述一种涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数预测及评估方 法， 其特征在于： 所述气膜孔内等效换热系数及气膜孔内换热面积Ae的乘积与燃气侧换热 系数及外部 换热面积乘积之比 式中， h e为气膜孔内换热系数， Ste为气膜孔内流 体斯坦顿数， l为气膜孔长， d为气膜孔径； 根据温升原理及热阻分析法温度节点对应原则推导获得气膜孔内等效换热系数： 8.根据权利要求1所述一种涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数预测及评估方 法， 其特征在于： 所述步骤2中， 首先， 确定并输入目标前缘外壁面的综合冷却效率， 确定并 输入前缘外壁面的气膜冷却效率η变化范围及步长； 然后， 根据综合冷却效率理论公式(2) 计算， 得到气膜冷却效率η一维数组满足方程所对应 的前缘内壁面的冷气侧换热系数hc所 构成的一维数组； 最后， 输出由前缘外壁面的气膜冷却效率 η及 满足方程所对应的前缘内壁 面的冷气侧换 热系数hc所构成的二维数组， 形成正向冷却结构设计包线。 9.根据权利要求1所述一种涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计参数预测及评估方 法， 其特征在于： 对所述 步骤4中得到的前缘外壁 面的综合冷却效率进行优化， 步骤如下： 首先， 根据步骤1中综合冷却效率与内外各冷却参数进行关联的理论方程(2)， 推导求 解前缘综合冷却效率对以下正向设计参数的偏导表达式： 所述综合冷却效率对所述主流侧毕渥 数的偏导推导得到： 所述综合冷却效率对所述的气膜冷却效率的偏导推导得到： 所述综合冷却效率对冷气侧换热系数及内部换热面积乘积与燃气侧换热系数及外部 换热面积乘积之比C、 气膜孔内等效换热系 数及气膜孔内换热面积的乘积与燃气侧换热系 数及外部换热面积乘积之比Ce的偏导推导得到：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115470587 A 3