本申请属于航空发动机叶片领域，特别涉及一种高压涡轮导向冷却叶片缘板的冷却结构设计方法。
背景技术：
随着涡轮前温度的升高，涡轮叶片缘板冷却问题日益凸显。由于流体黏性的存在和径向、周向及轴向压力梯度的影响，导致叶栅端壁效应的存在，叶片缘板区域是叶片通道内气动结构最为复杂的区域，二次流动现象非常复杂，马蹄涡、通道涡、角涡的存在，以及流动的吸附分离，直接影响叶片的热负荷分布，造成了多个热点区域，例如：前缘区、吸力面凸包区、压力面和压力面角区、主通道涡分离线近下游区、叶栅喉部下游区、尾缘尾迹区。
目前传统的高压涡轮导向叶片缘板冷却主要为气膜冷却方式，如图1-2所示，即在缘板流道面布置一定数量的气膜孔，用以冷却缘板高温区。现有的高压涡轮导向叶片缘板气膜冷却具有以下缺点：冷却结构单一，在叶片盆侧受通道涡影响，覆盖效果差，冷却效果低；受冲压比、喷射角、孔径、吹风比等多种因素影响，冷却效果不稳定；受缘板上立板干涉以及气膜孔加工角度限制，部分位置例如轴向尾部区域不易开孔(如图2所示，不易开气膜孔区域5)，如果开孔则孔同壁面角度过小使得加工合格率低，如不开孔则将缘板此区域无法冷却，长时间暴露于高温燃气，会导致烧蚀、掉块等故障。
因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
技术实现要素：
本申请的目的是提供了一种高压涡轮导向冷却叶片缘板的冷却结构设计方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。
本申请的技术方案是：
一种高压涡轮导向冷却叶片缘板的冷却结构设计方法，包括：
步骤一、根据缘板引气位置和立板位置对缘板进行分区，分为冷气引入区以及非冷气引入区；
步骤二、在缘板的冷气引入区设计冲击和气膜组合冷却结构；
步骤三、在缘板的非冷气引入区设计扰流柱和气膜组合冷却结构；
步骤四、在缘板燃气侧表面以及近缘板叶身设计气膜冷却结构；
步骤五、在缘板和叶身转接段沿叶型设置变半径圆角。
可选地，步骤二中，所述在缘板的冷气引入区设计冲击和气膜组合冷却结构包括：
设计毫米量级厚度的薄板作为冲击盖板，冲击盖板的轴向距离为两个立板之间的轴向距离，冲击盖板中间设计有空腔，空腔的围边形状与缘板非燃气侧叶身突出端的外型线相同；根据缘板燃气静压力相近的原则对冲击盖板进行分区，各区域之间通过隔肋腔隔开，隔肋腔为条状的空腔，布置在燃气的等静压线上；按照各区域的形状和面积在冲击盖板各区域内设置内凹腔；在冲击盖板各区域内布置多个冲击孔；
对缘板的冷气引入区对应的非燃气侧表面进行分区，各区域之间通过隔肋凸起隔开，隔肋凸起为条状，布置在燃气的等静压线上，其中，隔肋凸起与冲击盖板上的隔肋腔的位置和形状均相同；在缘板的冷气引入区对应的非燃气侧表面各区域内布置多个气膜孔，其中，气膜孔开设在异于隔肋凸起的位置；
将冲击盖板安装在缘板的冷气引入区的非燃气侧，安装时冲击盖板的前缘、尾缘固定在两个立板表面和缘板的非燃气侧表面上，冲击盖板的空腔卡在叶身突出端，缘板非流道面上的隔肋凸起穿过隔肋腔；冷却气体通过冲击盖板的冲击孔冲击缘板的非燃气侧表面的对应区域，然后通过气膜孔喷出缘板的燃气侧表面，通过气膜冷却方式再次冷却缘板表面。
可选地，所述内凹腔为内凹毫米量级的四边形凹槽，所述内凹腔的面积为对应分区区域的1/4-1/2。
可选地，所述缘板的冷气引入区的非燃气侧表面周向两侧设置有凸台，用于在安装时与冲击盖板紧密结合。
可选地，步骤三中，所述在缘板的非冷气引入区设计扰流柱和气膜组合冷却结构包括：
在缘板的非冷气引入区设计多排扰流柱，扰流柱底面所在表面较四周表面有所下降；在立板上开设多个冷气引气通道，冷气引气通道的入口设置在立板的冷气引入区表面，冷气引气通道用于将冷气从冷气引入区引入至缘板扰流柱区域；
在缘板的非冷气引入区布置多个气膜孔，气膜孔通向缘板的非冷气引入区的燃气侧表面；
设计扰流柱盖板，扰流柱盖板与缘板的非冷气引入区的非燃气侧表面的位置和形状均相同，并安装在缘板的非冷气引入区的非燃气侧表面；
冷却气体从冷气引入区通过冷气引气通道流经扰流柱区域，通过扰流换热对缘板进行冷却，之后通过扰流柱周侧的气膜孔喷至缘板的燃气侧，对缘板的燃气侧表面进行气膜冷却。
可选地，所述扰流柱形状为圆柱、棱柱或水滴型，排布为顺排或差排。
可选地，步骤四中，所述在缘板燃气侧表面以及近缘板叶身设计气膜冷却结构包括：
在缘板的燃气侧表面布置多个气膜孔；
在近缘板叶身的前缘和叶盆布置多个倾斜气膜孔，冷气由叶身冷气腔经倾斜气膜孔冲击至缘板前缘和叶盆侧，对其进行气膜冷却。
可选地，所述气膜孔在缘板的燃气侧表面布置的区域包括：前缘区、吸力面凸包区、压力面和压力面角区、主通道涡分离线近下游区、叶栅喉部下游区、尾缘尾迹区。
可选地，在缘板的燃气侧表面布置的气膜孔的形状为圆形或椭圆形。
可选地，步骤五中，在缘板和叶身转接段沿叶型设置的变半径圆角为2-4mm，其中，前缘以及尾缘圆角较大，中间位置光滑过渡。
发明至少存在以下有益技术效果：
本申请的高压涡轮导向冷却叶片缘板的冷却结构设计方法，采用组合式冷却方式进行高压涡轮导向叶片缘板壁面冷却，可降低缘板热点温度，提高叶片缘板冷却效果，提升叶片寿命。
附图说明
图1是现有技术的高压涡轮导向冷却叶片缘板一个角度示意图；
图2是现有技术的高压涡轮导向冷却叶片缘板另一个角度示意图；
图3是本申请一个实施方式的高压涡轮导向叶片缘板分区示意图；
图4是本申请一个实施方式的高压涡轮导向叶片冲击缘板结构示意图；
图5是本申请一个实施方式的高压涡轮导向叶片缘板非燃气侧表面结构示意图；
图6是本申请一个实施方式的高压涡轮导向叶片缘板冷气引入示意图；
图7是本申请一个实施方式的高压涡轮导向叶片缘板扰流柱冷却示意图；
图8是本申请一个实施方式的高压涡轮导向叶片缘板扰流柱结构示意图；
图9是本申请一个实施方式的高压涡轮导向叶片扰流柱盖板结构示意图；
图10是本申请一个实施方式的高压涡轮导向叶片缘板燃气侧表面气膜孔布置示意图；
图11是本申请一个实施方式的高压涡轮导向叶片近缘板叶身倾斜气膜孔布置示意图。
其中：
1-燃气来流；2-缘板；3-前缘侧；4-尾缘侧；5-不易开气膜孔区域；6-立板；7-燃气侧；8-非燃气侧；9-冷气引入区；10-非冷气引入区；11-冷气来流；12-叶身突出端；13-叶身突出端的外型线；14-冲击盖板；15-围边；16-隔肋腔；17-内凹腔；18-冲击孔；19-气膜孔；20-隔肋凸起；21-凸台；22-冷气引气通道；23-扰流柱；24-扰流柱底面所在表面；25-扰流柱盖板；26-第一气膜孔布置区；27-第二气膜孔布置区；28-叶身冷气腔；29-近缘板叶身气膜孔冲击区；30-缘板和叶身交线。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
下面结合附图3至图9对本申请做进一步详细说明。
本申请提供了一种高压涡轮导向冷却叶片缘板的冷却结构设计方法，包括：
步骤一、根据缘板2引气位置和立板6位置对缘板2进行分区，分为冷气引入区9以及非冷气引入区10；
步骤二、在缘板2的冷气引入区9设计冲击和气膜组合冷却结构；
步骤三、在缘板2的非冷气引入区10设计扰流柱和气膜组合冷却结构；
步骤四、在缘板2燃气侧7表面以及近缘板叶身设计气膜冷却结构；
步骤五、在缘板2和叶身转接段沿叶型设置变半径圆角。
本申请的高压涡轮导向冷却叶片缘板的冷却结构设计方法，首先，如图3所示，根据缘板2引气位置和立板6位置对缘板2进行分区，燃气来流1及冷气来流11方向如图所示，两个立板6将缘板2的非燃气侧8沿轴向分为三个区域，在此叶片分别对应缘板2轴向前部、中部以及尾部区域，其中，中部区域为冷气引入区9，尾部区域区域为非冷气引入区10。
本申请的高压涡轮导向冷却叶片缘板的冷却结构设计方法，在缘板2的冷气引入区9设计冲击和气膜组合冷却结构包括：
冲击冷却结构的设计如图4所示，首先设计用于冲击冷却的毫米量级厚度的薄板作为冲击盖板14，冲击盖板14的轴向距离为两个立板6之间的轴向距离，冲击盖板14中间设计有空腔，空腔的围边15形状与缘板2非燃气侧8叶身突出端的外型线13相同；根据缘板燃气静压力相近的原则对冲击盖板14进行分区，各区域之间通过隔肋腔16隔开，隔肋腔16为条状的空腔，布置在燃气的等静压线上；按照各区域的形状和面积在冲击盖板14各区域内设置内凹腔17；在冲击盖板14各区域内布置多个冲击孔18；
在本申请的优选实施例中，冲击盖板14优选厚的为0.3mm，根据缘板燃气静压力相近的原则对冲击盖板14进行分区后，在各区域内设置一个内凹腔17，若区域面积较小、形状较细长可不设置。本实施例中，内凹腔17为内凹约数毫米(示例中为0.5mm)的四边形凹槽，其面积约为对应分区区域的1/4-1/2，内凹腔17的设计，可起到缩小冲击距离、增加盖板强度的作用。
气膜冷却结构的设计如图5所示，对缘板2的冷气引入区9对应的非燃气侧8表面进行分区，各区域之间通过隔肋凸起20隔开，隔肋凸起20为条状，布置在燃气的等静压线上，其中，隔肋凸起20与冲击盖板14上的隔肋腔16的位置和形状均相同；在缘板2的冷气引入区9对应的非燃气侧8表面各区域内布置多个气膜孔19，其中，气膜孔19开设在异于隔肋凸起20的位置；
将冲击盖板14安装在缘板2的冷气引入区9的非燃气侧8，安装时冲击盖板14的前缘、尾缘固定在两个立板6表面和缘板2的非燃气侧8表面上，冲击盖板14的空腔卡在叶身突出端12，缘板2非流道面上的隔肋凸起20穿过隔肋腔16；冷却气体通过冲击盖板14的冲击孔18冲击缘板2的非燃气侧8表面的对应区域，然后通过气膜孔19喷出缘板2的燃气侧7表面，通过气膜冷却方式再次冷却缘板2表面。
在本申请的一个优选实施例中，缘板2的冷气引入区9的非燃气侧8表面周向两侧设置有凸台21，用于在安装时与冲击盖板14紧密结合。
本申请的高压涡轮导向冷却叶片缘板的冷却结构设计方法，在缘板2的非冷气引入区10设计扰流柱和气膜组合冷却结构包括：
如图6-7所示，在缘板2的非冷气引入区10设计排扰流柱23，扰流柱23底面所在表面较四周表面有所下降；在立板6上开设多个冷气引气通道22，冷气引气通道22的入口设置在立板6的冷气引入区9表面，冷气引气通道22用于将冷气来流11方向来的冷气从冷气引入区9引入至缘板2扰流柱23区域；
本实施例中，优选在缘板2轴向长度较长的非冷气引入区10设计多排扰流柱23，扰流柱23形状可以为圆柱、棱柱、水滴型等任意适当的形式，扰流柱23还可以为变直径设计，排布可以为顺排或差排。有利的是，冷气引气通道22从入口至出口应光滑过渡，不应有尖锐的突变以避免过大的阻力损失。
如图8所示，在缘板2的非冷气引入区10布置多个气膜孔19，气膜孔19通向缘板2的非冷气引入区10的燃气侧7表面；
有利的是，本实施例中，优选设计扰流柱底面所在表面24较四周表面有所下降，其上布置数个气膜孔19，气膜孔19避免同扰流柱23发生干涉。
如图9所示，设计扰流柱盖板25，扰流柱盖板25与缘板2的非冷气引入区10的非燃气侧8表面的位置和形状均相同，并安装在缘板2的非冷气引入区10的非燃气侧8表面；本实施例中，扰流柱盖板25可与缘板2整体加工成型，也可分体加工后焊接至缘板2的非冷气引入区10的非燃气侧8表面。
冷却气体从冷气引入区9通过冷气引气通道22流经扰流柱23区域，通过扰流换热对缘板2进行冷却，之后通过扰流柱23周侧的气膜孔19喷至缘板2的燃气侧7，对缘板2的燃气侧7表面进行气膜冷却。
本申请的高压涡轮导向冷却叶片缘板的冷却结构设计方法，在缘板2燃气侧7表面以及近缘板叶身设计气膜冷却结构包括：
在缘板2的燃气侧7表面布置多个气膜孔；
本实施例中，如图10所示，气膜孔重点布置区包括：前缘区、吸力面凸包区、压力面和压力面角区、主通道涡分离线近下游区、叶栅喉部下游区、尾缘尾迹区。其中，第一气膜孔布置区26的气膜孔的开口布置在冷气引入区9的非燃气侧8表面，第二气膜孔布置区27的气膜孔的开口布置在扰流柱底面所在表面24，气膜孔的形状可以为圆形或椭圆等各种适当的形状。
进一步，如图11所示，在近缘板叶身的前缘和叶盆布置多个倾斜气膜孔，该区域可作为近缘板叶身气膜孔冲击区29，冷气由叶身冷气腔28经倾斜气膜孔冲击至缘板前缘和叶盆侧，对其进行气膜冷却。
另外，本申请的高压涡轮导向冷却叶片缘板的冷却结构设计方法，在缘板和叶身转接段沿缘板和叶身交线30叶型设置的变半径圆角为2-4mm，其中，前缘以及尾缘圆角较大，中间位置光滑过渡，用于减小端壁损失、提高强度。
本申请的高压涡轮导向冷却叶片缘板的冷却结构设计方法，通过对缘板进行分区，并在各分区设计不同的组合冷却结构，采用组合式冷却方式进行高压涡轮导向叶片缘板壁面冷却，可降低缘板热点温度，提高叶片缘板冷却效果，提升叶片寿命。解决了现有高压涡轮导向叶片单一气膜冷却结构所存在的冷却效果差，以及部分位置因加工等原因无法打孔导致壁温过高的缺点。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
1.一种高压涡轮导向冷却叶片缘板的冷却结构设计方法，其特征在于，包括：
步骤一、根据缘板引气位置和立板位置对缘板进行分区，分为冷气引入区以及非冷气引入区；
步骤二、在缘板的冷气引入区设计冲击和气膜组合冷却结构；
步骤三、在缘板的非冷气引入区设计扰流柱和气膜组合冷却结构；
步骤四、在缘板燃气侧表面以及近缘板叶身设计气膜冷却结构；
步骤五、在缘板和叶身转接段沿叶型设置变半径圆角。
2.根据权利要求1所述的高压涡轮导向冷却叶片缘板的冷却结构设计方法，其特征在于，步骤二中，所述在缘板的冷气引入区设计冲击和气膜组合冷却结构包括：
设计毫米量级厚度的薄板作为冲击盖板，冲击盖板的轴向距离为两个立板之间的轴向距离，冲击盖板中间设计有空腔，空腔的围边形状与缘板非燃气侧叶身突出端的外型线相同；根据缘板燃气静压力相近的原则对冲击盖板进行分区，各区域之间通过隔肋腔隔开，隔肋腔为条状的空腔，布置在燃气的等静压线上；按照各区域的形状和面积在冲击盖板各区域内设置内凹腔；在冲击盖板各区域内布置多个冲击孔；
对缘板的冷气引入区对应的非燃气侧表面进行分区，各区域之间通过隔肋凸起隔开，隔肋凸起为条状，布置在燃气的等静压线上，其中，隔肋凸起与冲击盖板上的隔肋腔的位置和形状均相同；在缘板的冷气引入区对应的非燃气侧表面各区域内布置多个气膜孔，其中，气膜孔开设在异于隔肋凸起的位置；
将冲击盖板安装在缘板的冷气引入区的非燃气侧，安装时冲击盖板的前缘、尾缘固定在两个立板表面和缘板的非燃气侧表面上，冲击盖板的空腔卡在叶身突出端，缘板非流道面上的隔肋凸起穿过隔肋腔；冷却气体通过冲击盖板的冲击孔冲击缘板的非燃气侧表面的对应区域，然后通过气膜孔喷出缘板的燃气侧表面，通过气膜冷却方式再次冷却缘板表面。
3.根据权利要求2所述的高压涡轮导向冷却叶片缘板的冷却结构设计方法，其特征在于，所述内凹腔为内凹毫米量级的四边形凹槽，所述内凹腔的面积为对应分区区域的1/4-1/2。
4.根据权利要求2所述的高压涡轮导向冷却叶片缘板的冷却结构设计方法，其特征在于，所述缘板的冷气引入区的非燃气侧表面周向两侧设置有凸台，用于在安装时与冲击盖板紧密结合。
5.根据权利要求2所述的高压涡轮导向冷却叶片缘板的冷却结构设计方法，其特征在于，步骤三中，所述在缘板的非冷气引入区设计扰流柱和气膜组合冷却结构包括：
在缘板的非冷气引入区设计多排扰流柱，扰流柱底面所在表面较四周表面有所下降；在立板上开设多个冷气引气通道，冷气引气通道的入口设置在立板的冷气引入区表面，冷气引气通道用于将冷气从冷气引入区引入至缘板扰流柱区域；
在缘板的非冷气引入区布置多个气膜孔，气膜孔通向缘板的非冷气引入区的燃气侧表面；
设计扰流柱盖板，扰流柱盖板与缘板的非冷气引入区的非燃气侧表面的位置和形状均相同，并安装在缘板的非冷气引入区的非燃气侧表面；
冷却气体从冷气引入区通过冷气引气通道流经扰流柱区域，通过扰流换热对缘板进行冷却，之后通过扰流柱周侧的气膜孔喷至缘板的燃气侧，对缘板的燃气侧表面进行气膜冷却。
6.根据权利要求5所述的高压涡轮导向冷却叶片缘板的冷却结构设计方法，其特征在于，所述扰流柱形状为圆柱、棱柱或水滴型，排布为顺排或差排。
7.根据权利要求5所述的高压涡轮导向冷却叶片缘板的冷却结构设计方法，其特征在于，步骤四中，所述在缘板燃气侧表面以及近缘板叶身设计气膜冷却结构包括：
在缘板的燃气侧表面布置多个气膜孔；
在近缘板叶身的前缘和叶盆布置多个倾斜气膜孔，冷气由叶身冷气腔经倾斜气膜孔冲击至缘板前缘和叶盆侧，对其进行气膜冷却。
8.根据权利要求7所述的高压涡轮导向冷却叶片缘板的冷却结构设计方法，其特征在于，所述气膜孔在缘板的燃气侧表面布置的区域包括：前缘区、吸力面凸包区、压力面和压力面角区、主通道涡分离线近下游区、叶栅喉部下游区、尾缘尾迹区。
9.根据权利要求7所述的高压涡轮导向冷却叶片缘板的冷却结构设计方法，其特征在于，在缘板的燃气侧表面布置的气膜孔的形状为圆形或椭圆形。
10.根据权利要求1所述的高压涡轮导向冷却叶片缘板的冷却结构设计方法，其特征在于，步骤五中，在缘板和叶身转接段沿叶型设置的变半径圆角为2-4mm，其中，前缘以及尾缘圆角较大，中间位置光滑过渡。
技术总结