CN115470587A - 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 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

技术领域

本发明属于航空发动机高温部件热防护领域，具体涉及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。

背景技术

涡轮叶片前缘因直接面对高温燃气的冲击，是叶片上承受热负荷最大同时也最难以有效冷却的区域之一。前缘部分高效冷却难以实施的原因主要在于该处高温燃气有着低速、高压、高湍流度等特点。此外，前缘较大的曲率也限制了气膜的有效覆盖。在针对涡轮叶片综合冷效与耦合传热的研究中，部分学者致力于传热过程机理，进行了综合冷却效率影响因素探索的研究。目前大多数相关研究的理论基础是基于Natham^[1]针对冲击发散冷却结构的一维综合冷却效率的理论关系式推导。其推导结果为：

从式(1)可以看出综合冷却效率Φ主要和主流侧毕渥数Bi_g、壁面两侧换热系数比h_g/h_c以及气膜冷却效率η有关。该一维理论关系式及传热模型成为了许多研究学者基于发展的综合冷却效率影响因素理论，并依据该理论提出了有关传热参数匹配的方法以及综合冷却效率快速预测的方法。如李明飞等^[2]利用一维模型对影响综合冷却效率的无量纲参数进行了分析。作者利用得出的结论对相关影响参数进行了研究，同时使用上述一维公式对综合冷却效率进行了预测。目前公开发表的文献多为涡轮叶片几何、流动参数对壁温的影响探究，以及包括基于式(1)开发的综合冷却效率快速预测方法。

现有技术中记载有通过获取涡轮叶片的燃气侧进口参数、一维流道参数、叶片参数来确定涡轮叶片的冷却设计参数。这为涡轮叶片前缘的设计参数分析提供了思路。

然而对于针对复合冷却结构耦合传热影响下的涡轮叶片表面温度这一设计目标，现有对于涡轮叶片前缘的结构设计方法及设计参数分析评估较易失准，原因是涡轮叶片前缘大曲率的几何特点使得一维综合冷却效率预测公式产生的较大误差；同时涡轮叶片前缘的密集型气膜孔换热效应及温升效应、传热面积变化等原因也使得现有的基于一维的设计参数分析方法无法适配于涡轮前缘的结构设计。同时，现有技术方法往往具体性、针对性较强，但系统性较弱，并没有基于传热理论开发出指导与评估冷却结构设计及优化的系统性方法。

另外现有技术对于前缘冷却结构设计参数的分析缺乏基于方程的评估分析理论。而基于方程的计算方法相较于迭代算法能够提供更为完备的数理关系，以此建立更多信息产出的结构设计分析与评估。

因此需要针对涡轮叶片前缘的特点对综合冷却效率理论关系式进行二次推导及修正，基于理论方程建立针对涡轮叶片前缘复合冷却结构的正向设计方法，并提出对正向设计参数的准确预测及结构设计的评估措施，以此为实际涡轮叶片前缘高效复合冷却系统的设计及优化提供理论指导和技术支撑。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提供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，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，以及过程中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。

本发明的技术方案是：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h_c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-h_c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h_c ^*；

步骤4：将步骤3筛选后确认的η^*、h_c ^*，以及气膜孔内壁面的气膜孔内换热系数h_e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^*、h_c ^*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^*、h_c ^*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。

本发明的进一步技术方案是：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

T_g是燃气的来流温度，无量纲冷气流量m_c ⁺，燃气侧毕渥数Bi_g，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C_e，无量纲等效积分热量传递面积比A_g ^*，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)。

本发明的进一步技术方案是：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。

本发明的进一步技术方案是：所述燃气侧毕渥数为

式中，h_g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，k_s为导热系数。

本发明的进一步技术方案是：所述无量纲冷气流量

式中，m_c为冷气的质量流量，c_p,c为定压比热容，T_w、T_aw、T_c,e、T_c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。

本发明的进一步技术方案是：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，h_c为涡轮叶片前缘冷气侧换热系数，A_c为前缘内部换热面积。

本发明的进一步技术方案是：所述气膜孔内等效换热系数及气膜孔内换热面积A_e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，St_e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：

本发明的进一步技术方案是：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h_c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h_c所构成的二维数组，形成正向冷却结构设计包线。

本发明的进一步技术方案是：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C_e的偏导推导得到：

所述综合冷却效率对无量纲冷气流量的偏导推导得到：

然后，根据上述偏导方程求解，通过关键可调设计点参数(h_c,η,m_c)，得到典型正向设计参数对前缘壁面综合冷却效率敏感度的影响的定量表达式：

最后，基于典型正向设计参数对综合冷却效率的定量影响，根据实际工程设计中，可调设计点参数的变化范围对于各种工况下各正向设计参数对综合冷却效率的定量影响作数据处理与数理统计输出；在正向设计参数对综合冷却效率的定量影响图中找到需要予以评估与分析的η^*、h_c ^*所对应的复合冷却结构组合，以此对该复合冷却结构的外部及内部冷却结构的改善潜力得到定量分析，并可结合实际涡轮叶片气动、几何参数综合对该复合冷却结构目前的冷却特性及改进措施予以定量评估。

本发明的进一步技术方案是：实际工程设计中，所述可调设计点参数的变化范围对于各种工况下各正向设计参数对综合冷却效率的定量影响作数据处理与数理统计输出的方法如下：

步骤1：根据方程(3)-(7)，分别求解不考虑孔换热条件下的所述的气膜冷却效率对应的所述的综合冷却效率的敏感度数组；所述的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对所述的综合冷却效率的敏感度数组；所述的无量纲冷气流量对所述的综合冷却效率的敏感度数组；所述的燃气侧毕渥数对所述的综合冷却效率的敏感度数组；

步骤2：根据方程(3)-(7)，分别求解考虑孔换热条件下的所述的气膜冷却效率对所述的综合冷却效率的敏感度数组；所述的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对所述的综合冷却效率的敏感度数组；所述的无量纲气膜孔内换热系数比对所述的综合冷却效率的敏感度数组；所述的无量纲冷气流量对所述的综合冷却效率的敏感度数组；所述的燃气侧毕渥数对所述的综合冷却效率的敏感度数组；

步骤3：输出各个工况下由所述的气膜冷却效率、所述的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、相关所述的正向设计参数对所述的综合冷却效率的敏感度所组成的三维数组；

步骤4：参照上述步骤，根据实际设计需求改变三维数组中所述的综合冷却效率敏感度的两项自变量，改变相关自变量所对应的相关正向设计参数，分别输出所述的两项正向设计参数与所述的综合冷却效率的敏感度所组成的三维数组；将系列三维数组输出为数理统计图。

有益效果

本发明的有益效果在于：本发明提出一种具有较大曲率变化、较强密集孔换热效应的涡轮叶片前缘综合冷却效率理论关系式的推导及修正方法，通过边界条件无量纲参数的定义(C,m_c ⁺,Bi_g,A_g ^*,η)予以通过数理推导对综合冷却效率进行预测，进而指导工程正向设计，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。同时本发明中提出气膜孔内换热效应的C_e,A_e的参数引入与公式修正解决了现有设计方法中忽略孔换热效应的问题。本研究发明技术对于综合冷却效率的预测情况与运用Natham公式^[1]的预测的具体实施例模拟数据处理结果对比见图5所示。表明了本研究发明的设计方法的预测精度取得了显著的有益效果。

同时，本发明对于前缘冷却结构设计参数的分析是基于方程的计算方法，相较于传统技术的数值算法能够提供更为完备的数理关系，解决了实际叶片前缘结构设计不能够进行定量分析与评估的问题。图7示出本发明示例性实施例中通过数值模拟数据处理得到的典型工况条件下涡轮叶片前缘气膜冷却效率以及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对涡轮叶片前缘综合冷却效率定量影响瀑布示意图。表明了本研究发明的设计方法的定量评估及冷却结构精细化分析取得了显著的有益效果。

附图说明

图1示出本发明示例性实施例中典型导向涡轮叶片及其前缘结构示意图；

图2示出本发明示例性实施例中典型涡轮前缘气膜单孔结构示意图；

图3示出本发明示例性实施例中针对涡轮叶片前缘复合冷却结构正向设计方法及过程中冷却参数的预测与结构设计评估方法的流程示意图；

图4示出本发明示例性实施例中典型工况条件及设计目标下的涡轮叶片前缘正向冷却结构设计η-h_c包线示意图；

图5示出本发明示例性实施例中典型工况条件下涡轮叶片前缘综合冷却效率快速预测及Natham公式预测点线比对示意图；

图6示出本发明示例性实施例中典型工况条件下不同涡轮叶片前缘结构综合冷却效率快速预测点线比对示意图；

图7示出本发明示例性实施例中典型工况条件下涡轮叶片前缘气膜冷却效率以及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对涡轮叶片前缘综合冷却效率定量影响瀑布示意图；

附图标记说明：1、典型导向涡轮叶片叶身；2、典型导向涡轮叶片前缘外壁面；3、典型导向涡轮叶片前缘内壁面；4、典型导向涡轮叶片前缘气膜孔。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

以下为本发明参考附图所示的典型示例性实施例。本发明所提供的设计、分析及评估方法能够在多工况条件下予以实施，本发明并非为限于在此阐述的典型示例性实施例；以下示例实施例旨在清晰且全面地指导本领域研发人员更有效地对涡轮叶片前缘进行正向设计与设计参数预测分析、评估。如图3所示，具体的正向设计方法，及过程中设计参数预测与评估方法包括如下步骤：

在本发明示例性实施例中，涡轮叶片前缘正向设计方法所对应的前缘气膜冷却效率、冷气侧换热系数技术指标及定量配合模式预测及所述的正向冷却结构设计η-h_c包线导出步骤为：

步骤1：确定并输入所述的叶片前缘相关几何参数：所述的叶片壁面前缘某一纵向截面的等效积分热量传递面积A^*；所述的前缘外壁面2外部换热面积A_g，所述的前缘内壁面3内部换热面积A_c；前缘气膜孔4气膜孔内换热面积A_e；前缘气膜孔4气膜孔径d，本发明示例性实施例中的气膜孔几何结构如图2所示；

步骤2：确定、计算并输入主、冷气相关参数，包括通过经验公式得到的主流在前缘外壁面2的所述的燃气侧换热系数h_g；根据确定参数以及主流物性参数计算得到的所述的主流侧毕渥数Bi_g；所述的冷气流量m_c，所述的冷气定压比热容c_p,c，通过经验公式得到的冷气在前缘气膜孔4内壁面所述的气膜孔内换热系数h_e。；

步骤3：确定并输入目标前缘外壁面2所述的综合冷却效率Φ，确定并输入前缘外壁面2所述的气膜冷却效率η变化范围及步长；

步骤4：根据方程(2)计算得到所述的气膜冷却效率η一维数组满足方程所对应的前缘内壁面3所述的冷气侧换热系数h_c所构成的一维数组；

步骤5：输出由前缘外壁面2所述的气膜冷却效率η及满足方程所对应的前缘内壁面3所述的冷气侧换热系数h_c所构成的二维数组，形成正向冷却结构设计包线。

在本发明示例性实施例中，通过以上步骤可获得在典型工况下的正向冷却结构设计η-h_c包线，如图4所示：不同冷气流量情况下的某确定来流、确定几何条件下的某涡轮叶片前缘的正向冷却结构设计包线。其中冷气流量变化已换算为平均吹风比。

步骤6：基于步骤5得到的η-h_c包线，对本实施例的前缘复合冷却结构对应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h_c ^*进行筛选，得到满足条件的η^*、h_c ^*组合对应的前缘复合冷却结构。

在本发明示例性实施例中，以快速评估叶片前缘复合冷却结构的冷却性能，并确定复合冷却结构是否满足设计需求，可对所述的综合冷却效率实施快速预测，具体包括以下步骤：

步骤7：确定、计算并输入主流、冷气相关参数，包括通过经验公式得到的主流在前缘外壁面2的所述的燃气侧换热系数h_g；根据确定参数以及主流物性参数计算得到的所述的主流侧毕渥数Bi_g；所述的冷气流量m_c，所述的冷气定压比热容c_p,c，通过经验公式得到的冷气在前缘气膜孔4内壁面所述的气膜孔内换热系数h_e；

步骤8：将步骤6筛选后确认的η^*、h_c ^*，以及气膜孔内壁面的气膜孔内换热系数h_e，以及步骤1所述的几何参数、步骤7所述的主流、冷气相关参数带入到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^*、h_c ^*组合而成的前缘复合冷却结构予以评估；

步骤9：变更步骤1所述的几何参数以及步骤7所述的主流、冷气相关参数、边界条件冷却参数可获得不同几何与流动工况变化下的综合冷却效率散点图。

在本发明示例性实施例中，可获得不同冷气流量、不同内部冷却结构情况下的某涡轮叶片前缘的综合冷却效率预测与模拟对比图，如图6所示。可看到本发明示例性实施例不但能够有效预测复合冷却结构是否满足设计需求，且与数值模拟比较结果来看具有较高的预测精度。

在本发明示例性实施例中，所述前缘的复合冷却结构正向设计方法是指在已知前缘壁面的最高耐温的情况下，通过数理计算得到前缘气膜冷却效率以及冷气侧换热系数对应需要达到的水平，并以此为基础对于前缘外部气膜孔结构/布局以及内部换热结构进行选取及优化；

根据所述的许用综合冷却效率设计目标及正向冷却结构设计η-hc包线，可对涡轮叶片前缘外部气膜冷却结构及内部冷却结构进行选定及优化，结合对涡轮叶片前缘的综合冷却效率值实施的快速预测，可对既定结构在相应来流工况的适用性中实施评估。

在本发明示例性实施例中，根据公式(2)可针对涡轮叶片前缘典型的正向设计参数实施偏导求解，根据所述的各正向设计参数在各自范围内的变化过程对综合冷却效率对其偏导的结果影响，对正向设计参数对前缘壁温的影响程度实施定量化评估；

根据本发明所建立的综合冷却效率与内外各冷却参数进行关联的理论方程(2)，可以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：

所述的综合冷却效率对所述主流侧毕渥数的偏导推导得到：

所述的综合冷却效率对所述的气膜冷却效率的偏导推导得到：

所述的综合冷却效率对所述的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、所述的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C_e的偏导推导得到：

所述的综合冷却效率对所述的无量纲冷气流量的偏导推导得到：

根据本发明所提出的偏导方程求解可得到关键可调设计点参数(h_c,η,m_c)得到所述的典型正向设计参数对前缘壁面综合冷却效率敏感度的影响的定量表达式：

在本发明示例性实施例中，典型正向设计参数对综合冷却效率的定量影响及数理统计图导出包含以下步骤：

步骤10：确定并输入步骤1所述的几何参数以及步骤7所述的主流、冷气相关参数，确定并输入前缘外壁面2的所述的气膜冷却效率η变化范围及步长，前缘内壁面3的所述的冷气侧换热系数h_c变化范围及步长；

步骤11：根据方程(3)-(7)，分别求解不考虑孔换热条件下的所述的气膜冷却效率对应的所述的综合冷却效率的敏感度数组；所述的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对所述的综合冷却效率的敏感度数组；所述的无量纲冷气流量对所述的综合冷却效率的敏感度数组；所述的燃气侧毕渥数对所述的综合冷却效率的敏感度数组。

步骤12：根据方程(3)-(7)，分别求解考虑孔换热条件下的所述的气膜冷却效率对所述的综合冷却效率的敏感度数组；所述的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对所述的综合冷却效率的敏感度数组；所述的无量纲气膜孔内换热系数比对所述的综合冷却效率的敏感度数组；所述的无量纲冷气流量对所述的综合冷却效率的敏感度数组；所述的燃气侧毕渥数对所述的综合冷却效率的敏感度数组。

步骤13：输出各个工况下由所述的气膜冷却效率、所述的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、相关所述的正向设计参数对所述的综合冷却效率的敏感度所组成的三维数组。

步骤14：参照上述步骤，根据实际设计需求改变三维数组中所述的综合冷却效率敏感度的两项自变量，改变相关自变量所对应的相关正向设计参数，分别输出所述的两项正向设计参数与所述的综合冷却效率的敏感度所组成的三维数组。将系列三维数组输出为数理统计图。

在本发明示例性实施例中，通过以上步骤可获得典型正向设计参数对综合冷却效率的定量影响及数理统计图的导出。其中图7所示即为在某确定工况条件下，所述的气膜冷却效率与所述的冷气侧换热系数的变化下，所述的气膜冷却效率与所述的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对所述的综合冷却效率敏感度瀑布分布图。可看到在本示例性实施例中能够清楚得到在不同所述的气膜冷却效率与所述的冷气侧换热系数定量水平下所述的气膜冷却效率与所述的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对所述的综合冷却效率的定量影响程度。

需要说明的是，附图所呈现的相关数理统计结果描述了本发明在某特定工况下的执行发明中相关方法实施步骤后的实施结果。这并非意味按照本发明相关方法只能得到附图相关示例性实施例结果。本发明中存在多个步骤合并为一个步骤，以及一个步骤分解为多个步骤执行，以及只有输入参量不同的重复性步骤。在本发明示例性实施例中已对相关步骤予以说明，所述的相关正向设计参量在本发明所提供的理论方法所能实现的实施办法均应视为本发明的一部分。另外，本说明书附图中提供的相关部件的详细结构也并非对模型予以限制。本说明书的示例性实施例说明了发明者所知实现本发明设计、分析与评估方法的最佳方式，为本领域研发、设计人员提供参考与清晰的使用说明。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

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h_c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-h_c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h_c ^*；

步骤4：将步骤3筛选后确认的η^*、h_c ^*，以及气膜孔内壁面的气膜孔内换热系数h_e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^*、h_c ^*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^*、h_c ^*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

T_g是燃气的来流温度，无量纲冷气流量m_c ⁺，燃气侧毕渥数Bi_g，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C_e，无量纲等效积分热量传递面积比A_g ^*，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，h_g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，k_s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法，其特征在于：所述无量纲冷气流量

式中，m_c为冷气的质量流量，c_p,c为定压比热容，T_w、T_aw、T_c,e、T_c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，h_c为涡轮叶片前缘冷气侧换热系数，A_c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A_e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，St_e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h_c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h_c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C_e的偏导推导得到：

所述综合冷却效率对无量纲冷气流量的偏导推导得到：

然后，根据上述偏导方程求解，通过关键可调设计点参数(h_c,η,m_c)，得到典型正向设计参数对前缘壁面综合冷却效率敏感度的影响的定量表达式：

最后，基于典型正向设计参数对综合冷却效率的定量影响，根据实际工程设计中，可调设计点参数的变化范围对于各种工况下各正向设计参数对综合冷却效率的定量影响作数据处理与数理统计输出；在正向设计参数对综合冷却效率的定量影响图中找到需要予以评估与分析的η^*、h_c ^*所对应的复合冷却结构组合，以此对该复合冷却结构的外部及内部冷却结构的改善潜力得到定量分析，并可结合实际涡轮叶片气动、几何参数综合对该复合冷却结构目前的冷却特性及改进措施予以定量评估。

10.根据权利要求9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：实际工程设计中，所述可调设计点参数的变化范围对于各种工况下各正向设计参数对综合冷却效率的定量影响作数据处理与数理统计输出的方法如下：

步骤1：根据方程(3)-(7)，分别求解不考虑孔换热条件下的所述的气膜冷却效率对应的所述的综合冷却效率的敏感度数组；所述的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对所述的综合冷却效率的敏感度数组；所述的无量纲冷气流量对所述的综合冷却效率的敏感度数组；所述的燃气侧毕渥数对所述的综合冷却效率的敏感度数组；

步骤2：根据方程(3)-(7)，分别求解考虑孔换热条件下的所述的气膜冷却效率对所述的综合冷却效率的敏感度数组；所述的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对所述的综合冷却效率的敏感度数组；所述的无量纲气膜孔内换热系数比对所述的综合冷却效率的敏感度数组；所述的无量纲冷气流量对所述的综合冷却效率的敏感度数组；所述的燃气侧毕渥数对所述的综合冷却效率的敏感度数组；

步骤3：输出各个工况下由所述的气膜冷却效率、所述的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、相关所述的正向设计参数对所述的综合冷却效率的敏感度所组成的三维数组；

步骤4：参照上述步骤，根据实际设计需求改变三维数组中所述的综合冷却效率敏感度的两项自变量，改变相关自变量所对应的相关正向设计参数，分别输出所述的两项正向设计参数与所述的综合冷却效率的敏感度所组成的三维数组；将系列三维数组输出为数理统计图。

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