航空科普知详解航空涡轮发动机(4)

1、.详解航空涡轮发动机(四) 涡轮 经过了这么多"热身"，高温高压气流终于可以大显身手，进入涡轮做功了。不过，在"工作"之前。先要排好队-在燃烧室中产生的高温高压燃气首先要经过一道燃气导向叶片，高温高压燃气在经过燃气导向叶片时会被整流并通过在收敛管道中将部分压力能转化为动能而加速，最后被赋予一定的角度以更有效地冲击涡轮叶片。从"航空涡轮发动机"这个称呼上，就可以看出涡轮在发动机里的重要性。涡轮实际上是一个"风车"，在燃烧室来流的冲击下转动。涡轮的作用就是将一部分高温高压燃气的能量通过传动轴传递给前面的压气机

2、，使其能够正常工作。在涡扇/涡桨发动机中，涡轮还要驱动风扇和螺旋桨叶片。涡轮是航空涡轮发动机三大核心部件中的"苦力"，它"干的活最重"、"自身压力最大"而且"工作环境最差"。说它"干的活最重"，是指每级涡轮要发出很大的功率，在现代航空涡轮发动机上，通常只有不超过三级的涡轮，可是就这么几级的涡轮却要发出上万匹马力的功率；"自身压力最大"是说涡轮叶片在高速旋转时由于其本身的重量，会受到相当大的离心力，大到涡轮全速旋转时其离心力相当于在每个叶片上吊挂了一辆5吨卡车；说它"

3、工作环境最差"则是指，涡轮的工作条件可以用"高温"、"高压"、 "高速"三个"高"来形容。现代航空涡轮发动机的涡轮进口温度最高达到1800K甚至2000K（约1727摄氏度，超过大多数金属材料的熔点）；涡轮进口气压高达几十个大气压；在涡轮叶片边缘的气流速度通常可以接近甚至超过音速，只有这样的气流冲击到涡轮上，才能使涡轮发出足够大的功率。换句话说，能在 "三高"条件下稳定工作就是现代航空涡轮发动机对涡轮性能提出的最基本要求。对于气流而言，温度、速度和压力使密切相关的三个参量，于是，&qu

4、ot;三高"要求最终就体现在尽可能提高涡轮进口温度上面了，而涡轮进口温度也就成了衡量发动机性能好坏的一个关键性指标。矛盾恰好也在这里，涡轮进口温度提高使发动机性能得到改善，但与此同时，涡轮开始叫苦不迭了。如何提高涡轮的耐热性能呢？有这样几个办法。第一，强制冷却。发动机设计人员在涡轮叶片上设计了很多细小的管道，高压冷空气通过这些管道流经高温叶片，起到强制冷却作用，这就是"空心气冷叶片"。最早的涡扇发动机-英国罗·罗公司的"康维"发动机就使用了空心气冷叶片。除了在燃烧室中使用的气膜冷却之外，在涡轮的燃气导向叶片和涡轮叶片上大多还使用了对流

5、冷却和空气冲击冷却。对流冷却就是在空心叶片中不停地有冷却气流流动，以带走叶片上的热量。空气冲击冷却（也叫气膜冷却）实际上是一种被加强的对流冷却，即用一股或多股高速冷却气流强行喷射在要求被冷却的表面。冲击冷却一般用在燃气导向叶片和涡轮叶片的前缘上，由空心叶片的内部向叶片的前缘喷射冷却气体以强行降温。冲击冷却后的气体会从燃气导向叶片和涡轮叶片前缘的孔隙中流出，被燃气带动在叶片的表面形成冷却气膜。但是开在叶片前缘的冷却气流孔隙会使叶片更加难以制造，而且这些孔隙还会导致应力集中，对叶片的寿命产生负面影响。可是由于气膜冷却要比对流冷却的效果好的多，所以人们还是不惜代价地在叶片上采用气膜冷却。从某种意义上

6、来说，在燃气导向叶片和涡轮叶片上使用更科学合理的冷却方法，可能要比开发更先进的耐高温合金更实际一些。因为采用空心冷却技术要比开发新合金投资少、见效快。现在涡轮进口温度的提升其一半的功劳要归功于冷却技术的提高。由于采用冷却技术，目前各涡轮叶片实际所承受的温度要比涡轮进口温度低 200350摄氏度，所以说叶片冷却技术对提高涡轮工作温度功不可没。第二，采用新的耐热材料制造涡轮叶片。一些先进航空发动机公司已经开始探索用耐热性能更好的陶瓷等材料制造涡轮叶片。可是如果没有深厚的科学基础作保证，高性能的涡轮材料研制也就无从谈起。当今有实力研制高性能涡轮的国家都把先进的涡轮盘和涡轮叶片的材料配方和生产工艺当作

7、最高机密，也正是这个小小的涡轮减缓了一些国家成为航空大国的步伐。普通的碳钢在800900时强度就大大降低了。但是在其中加入其它一些金属成分，尤其是镍、铬、钨等，制成耐热合金，耐高温水平就可以不断提高。我国在五十年代刚开始研制航空涡轮发动机时的耐热合金的最高水平是800，在做了大量研究试验工作后提高到了900。后来几十年，经过大量试验、研究，差不多每年都能提高二三十度，现在大约是12001300，相当于14731573K，加上耐热涂层、气动冷却和精密铸造的应用，我国先进航空涡轮发动机的涡轮前温度可以达到18001900K,达到了世界先进水平。第三，通过改进叶片的制造工艺，挖掘现有叶片材料的耐热潜

8、力。早在航空涡轮发动机诞生之初，人们就在涡轮的表面涂一层耐烧蚀的表面涂层来延长涡轮叶片的使用寿命。在JT3D涡扇发动机的涡轮叶片上，普·惠公司就用渗透扩散法在涡轮叶片上"镀"上一层铝、硅涂层。这种扩散渗透法与我们日常应用的手工钢锯条渗碳工艺有点类似。经过渗透扩散铝、硅的JT3D一级涡轮叶片其理论工作寿命高达15900小时。精密铸造技术也是推动涡轮叶片技术进步的重要手段。比如说单晶体叶片，就是通过精铸工艺使整个涡轮叶片成为一个单晶体，避免了晶格缺陷，比之传统工艺的叶片，其高温强度提高8倍以上。技术难度稍低而性能与单晶叶片接近的是定向凝固叶片，"昆仑"发动机上就采用了先进的复合气冷定向凝固无余量精铸涡轮叶片。该叶片要求一次成型合格，不需要再加工，而且要求厚度非常均匀。这项技术具有世界先进水平，被称为现代航空涡轮发动机技术"皇冠上的一颗明珠"，而这颗明珠如今已被中国科研人员牢牢摘得。要生产出符合要求的先进涡轮叶片，需要许多基础工业技术如材料、冶金、机械加工、工艺和检测等的全面进步。有