航空燃?xì)鉁u輪及其發(fā)展趨勢

陽堯+崔響+徐志暉+高志陽

摘 要：渦輪作為航空發(fā)動機的核心部件之一，由旋轉(zhuǎn)的動葉和靜止的靜葉組成，位于燃燒室和尾噴管之間。其作用是將燃燒室噴出的高溫、高壓燃?xì)鉄崮苻D(zhuǎn)變?yōu)闇u輪軸上的機械能，以帶動進(jìn)氣道風(fēng)扇、壓氣機、螺旋槳等附件。本文通過系統(tǒng)的介紹航空渦輪的分類、性能指標(biāo)、現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢，加深對渦輪部件的研究，推動我國航空發(fā)動機事業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞 ：航空發(fā)動機；渦輪；落壓比；單晶葉片

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.029

1 引言

航空發(fā)動機具有研制難度高、投資多、周期長的特點，是衡量一個國家綜合科技水平、科技工業(yè)基礎(chǔ)實力和綜合國力的重要標(biāo)志。航空渦輪葉片長期高速工作在高溫、高壓燃?xì)庀?，是工作環(huán)境最惡劣的發(fā)動機部件，其工作狀態(tài)對發(fā)動機可靠性、經(jīng)濟(jì)性、壽命影響重大。在國內(nèi)外航空發(fā)動機研制中，渦輪被列為第一關(guān)鍵件，被譽為“王冠上的明珠”。隨著現(xiàn)代航空發(fā)動機的發(fā)展，渦輪進(jìn)口的溫度越來越高，目前國外最新發(fā)動機渦輪進(jìn)口溫度已經(jīng)達(dá)到1811K～2144K，為了能保證渦輪長時間可靠地工作，設(shè)計者采用先進(jìn)的氣動設(shè)計、新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計和冷卻方案，以及新材料和涂層等技術(shù)來實現(xiàn)這一目標(biāo)。

2 渦輪分類

2.1 軸流式渦輪

軸流式式渦輪在航空發(fā)動機上廣泛采用，其中多為多級渦輪，是由若干個單級組成。每個單級由靜止的“噴嘴環(huán)”和旋轉(zhuǎn)的“工作輪”構(gòu)成。經(jīng)過軸流式渦輪的燃?xì)饬鲃臃较蚺c渦輪軸軸線方向一致。在渦輪基元級葉柵中，靜葉安裝在動葉前面。軸流式渦輪的工作原理如下：從發(fā)動機燃燒室噴出的高溫、高壓燃?xì)庖詼u輪軸向方向射向渦輪靜葉葉柵，經(jīng)過靜葉葉柵通道拐彎加速，由于靜葉的進(jìn)口截面大于氣流出口截面，氣體在通道中進(jìn)行膨脹，壓力和溫度下降，速度加大。靜葉出來的高速氣流繼續(xù)沖擊動葉葉柵，此時葉盆上的靜壓遠(yuǎn)大于葉背靜壓。兩者的壓差產(chǎn)生方向由葉盆指向葉背的巨大推動力，推動渦輪軸做功，用于驅(qū)動風(fēng)扇、壓氣機、螺旋槳等附件。渦輪的葉柵通道是收斂的，燃?xì)庠谕ǖ乐屑铀俳祲海⑶矣捎跍u輪前氣流速度大、溫度高，其單級做功功率大于壓氣機。因此，在同一臺發(fā)動機中，渦輪的級數(shù)要比壓氣機的級數(shù)少得多。

軸流式渦輪具有效率高，徑向尺寸小的優(yōu)點，因而適用于大流量、高性能的航空發(fā)動機。目前，大型運輸機、高性能殲擊戰(zhàn)斗機主要采用軸流式渦輪。

2.2 徑流式渦輪

徑流式渦輪主要由進(jìn)氣蝸殼、噴嘴環(huán)、工作輪以及出氣道等組成。徑流式渦輪分為向心式和離心式兩種。其中向心式又分為徑-軸流式和徑向式兩種，徑-軸流式應(yīng)用最廣泛。徑流式渦輪由于實現(xiàn)多級結(jié)構(gòu)困難較大，目前通常設(shè)計成單級的。靜子進(jìn)口通常采用環(huán)形進(jìn)氣管或螺旋形的蝸殼。氣流沿垂直于轉(zhuǎn)子軸線的平面進(jìn)入靜子，而沿轉(zhuǎn)子軸線方向離開轉(zhuǎn)子，氣流在相對長而窄的轉(zhuǎn)子通道中轉(zhuǎn)彎。由于不能像軸流式渦輪采用多級渦輪結(jié)構(gòu)輸出更多的機械能，因此徑流式渦輪的單級落壓比大，相同落壓比下，其效率高于軸流式渦輪。

徑流式渦輪由于結(jié)構(gòu)簡單，流量小，單級效率高，蝸殼外徑大，一般為單級，主要適用于航天動力及其他緊湊動力源的系統(tǒng)中。

3 渦輪的功能和主要性能指標(biāo)

航空發(fā)動機渦輪的功能是：將燃燒室噴出的高溫、高壓氣體經(jīng)葉柵通道加速降壓，驅(qū)動渦輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生功率，由渦輪軸輸出。這一過程從能量轉(zhuǎn)換角度可以描述為燃?xì)獾臒崮芙?jīng)渦輪轉(zhuǎn)換為驅(qū)動風(fēng)扇、壓氣機、槳扇、直升機的旋翼及其他附件的機械能。

渦輪部件運行在高溫、高壓的惡劣的環(huán)境下，它是發(fā)動機部件中單位質(zhì)量最重，最復(fù)雜，成本最昂貴的部件。評定渦輪主要性能指標(biāo)有絕熱效率、落壓比、功率、強度、冷卻性和工作壽命。在滿足渦輪正常工作的前提下，渦輪的效率是發(fā)動機性能的最重要的指標(biāo)。合理的渦輪分級設(shè)計能夠減少氣體流經(jīng)渦輪的流阻損失，在相同的落壓比下，渦輪效率會提高。

4 渦輪的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢

當(dāng)前我國航空發(fā)動機技術(shù)水平落后于世界先進(jìn)水平整整一代甚至更多，其中渦輪技術(shù)的發(fā)展直接關(guān)系到整個發(fā)動機的水平的提升?，F(xiàn)代先進(jìn)戰(zhàn)斗機的最重要性能指標(biāo)之一是發(fā)動機推重比，而提高發(fā)動機推重比最有效的辦法之一是提高渦輪進(jìn)口溫度以增加發(fā)動機的單位推力。因此，發(fā)展高性能、耐高溫渦輪部件是當(dāng)前及未來的主要研究方向。以下為近一段時間渦輪發(fā)展現(xiàn)狀及來來趨勢。

（1）先進(jìn)的耐高溫葉片材料：渦輪葉片應(yīng)具有優(yōu)良的高溫抗蠕變、抗熱機械疲勞、抗氧化腐蝕性能和較高的承溫能力。當(dāng)前，渦輪葉片材料主要是高溫合金，但是由于鑄造方式造成的金屬金相差異，可分為單晶葉片、定向結(jié)晶葉片和普通葉片。其中單晶葉片是最理想的葉片，耐高溫，具有良好的力學(xué)性能。目前歐美國家在單晶葉片的鑄造工藝上掌握了定向凝固和單晶晶鑄兩大關(guān)鍵制造技術(shù)。另外，金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料以及碳/碳復(fù)合材料在研究高性能、耐高溫渦輪葉片材料中占重要地位，是未來幾年渦輪葉片材料發(fā)展的重點方向。

（2）熱障涂層技術(shù)：在渦輪葉片表面采用熱障涂層技術(shù)，能夠有效降低葉片表面溫度，提高渦輪承溫能力，增加葉片的工作壽命。據(jù)資料介紹，采用渦輪熱障技術(shù)的渦輪葉片，在結(jié)構(gòu)和冷卻效果不改變的情況下，壽命延長3～5倍。

（3）全三維葉片設(shè)計技術(shù)： 開展超高載荷全三維葉片技術(shù)的研究，以滿足不同復(fù)雜渦輪葉片設(shè)計、試驗。

（4）高低壓渦輪對轉(zhuǎn)技術(shù)：在氣動和機械強度上優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計。

（5）渦輪CFD技術(shù)：主要有非定場仿真、氣膜冷卻仿真技術(shù)。

5 結(jié)束語

通過對航空渦輪發(fā)展的深入分析以及國內(nèi)外航空渦輪研究成果的對比，可以看出：渦輪的性能水平，特別是承溫能力，是衡量現(xiàn)代航空發(fā)動機先進(jìn)性的重要標(biāo)志。而渦輪葉片的材料，及加工鑄造直接關(guān)系到渦輪承溫能力的優(yōu)劣。我國在金屬材料領(lǐng)域做了大量實驗研究，其中“兩院”院士師昌緒在高溫合金領(lǐng)域取得了令人矚目的成績。當(dāng)前存在的問題主要是在葉片加工鑄造上，材料成型的加工工藝不夠成熟，加工精度過低，導(dǎo)致國內(nèi)生產(chǎn)的渦輪葉片合格率較低，工作壽命較短。同時，先進(jìn)的工藝方法也是實施先進(jìn)冷卻方式的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：陽堯（1992-），男，四川仁壽人，碩士在讀，研究方向：航空發(fā)動機氣動熱力學(xué)及應(yīng)用。