轉(zhuǎn)自中科院工程熱物理研究所

科普男：今天我們來(lái)繼續(xù)順著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主流通道往下，進(jìn)入到下一個(gè)部件——渦輪吧！

聽(tīng)眾：這里就是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件了吧？

科普男：是的。渦輪，緊隨燃燒室其后（圖1），是一種能將燃燒室流出的高溫、高壓燃?xì)獾拇蟛糠帜芰哭D(zhuǎn)化為扭矩輸出的機(jī)械裝置，在高速旋轉(zhuǎn)下產(chǎn)生大的功率，由渦輪軸輸出。渦輪輸出的機(jī)械功可用來(lái)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇、壓氣機(jī)、螺旋槳、槳扇、直升機(jī)的旋翼及其他附件。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪

聽(tīng)眾：渦輪的結(jié)構(gòu)形式看起來(lái)和壓氣機(jī)很相像??！

科普男：結(jié)構(gòu)上看，渦輪的基本結(jié)構(gòu)是由一個(gè)導(dǎo)向器和一個(gè)渦輪轉(zhuǎn)子組合成一個(gè)渦輪級(jí)。渦輪可由一個(gè)或幾個(gè)渦輪級(jí)組成，分別叫做單級(jí)渦輪或多級(jí)渦輪?？此平Y(jié)構(gòu)相同的渦輪與壓氣機(jī)實(shí)則大有不同：渦輪是導(dǎo)向器在轉(zhuǎn)子之前，且兩葉片間形成的通道呈收斂形（通道入口處面積比出口大），我們也稱(chēng)出口最小截面為“喉道”（圖2）。燃?xì)鈿饬髟谑諗客ǖ乐辛鬟^(guò)時(shí)，速度提高、壓力降低。這里給大家一個(gè)定量上的概念，“喉道”部分的流速可達(dá)當(dāng)?shù)芈曀?，而在極高的燃?xì)鉁囟认缕渌俚娇蛇_(dá)800m/s。也就是說(shuō)，渦輪導(dǎo)向器出口氣流是在以高鐵的速度在跑。而且在臨界截面后氣流還將進(jìn)一步加速，以超音速進(jìn)入轉(zhuǎn)子葉輪。

圖2 渦輪導(dǎo)向器的“喉道”及其通過(guò)氣流

聽(tīng)眾：還不如火車(chē)頭大的航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部竟然有這么高的流速！

科普男：渦輪葉片還有一個(gè)特點(diǎn)就是沿葉高方向上是扭轉(zhuǎn)的，這是因?yàn)檠厝~高方向上氣流切向速度大小會(huì)變化，導(dǎo)致相對(duì)速度大小和方向改變，因此渦輪葉片都是沿葉高方向上的基元級(jí)疊加而成（圖3）。

圖3 扭轉(zhuǎn)的渦輪葉片

科普男：值得一提的是，渦輪的工作環(huán)境可謂“炙焰煉獄”。渦輪工作葉片在被高溫燃?xì)獍鼑耐瑫r(shí)還要受到轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片自身的離心力、氣動(dòng)力、熱應(yīng)力以及振動(dòng)負(fù)荷,而且在熱燃?xì)庾饔孟逻€易于腐蝕。高速（每分鐘幾萬(wàn)轉(zhuǎn)）旋轉(zhuǎn)下葉片自身將承受一萬(wàn)倍的離心力，相當(dāng)于給每個(gè)葉片上面吊上近十頭非洲森林大象（圖4）。另外,由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工況不斷變化,葉片還得經(jīng)受冷熱疲勞,所以它是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最為惡劣的零件。

圖4 高速旋轉(zhuǎn)下葉片承受的超強(qiáng)離心力

聽(tīng)眾：那么為什么不能降低燃燒室出口溫度給渦輪降降溫呢？

科普男：這是個(gè)好問(wèn)題，實(shí)際上這么高的渦輪進(jìn)口溫度也是航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升的需求下提出的必要條件之一。航空發(fā)動(dòng)機(jī)的基本熱力循環(huán)是布雷頓循環(huán)（Brayton cycle），如圖5所示?？諝庠趬簹鈾C(jī)中等熵壓縮，在燃燒過(guò)程中等壓加熱，在渦輪與尾噴管中等熵膨脹，在機(jī)體外釋放熱量。而對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)中的真實(shí)循環(huán)來(lái)說(shuō)，因?yàn)槟Σ?、氣?dòng)損失等不可逆過(guò)程的存在，氣體的壓縮和膨脹過(guò)程并不是等熵的，而是一個(gè)熵增過(guò)程。為實(shí)現(xiàn)高的整機(jī)工作效率，通常的方法是提高壓氣機(jī)的壓比（Pressure Ratio，PR）和提高渦輪進(jìn)口溫度（Turbine Entry Temperature，TET）。也就是說(shuō)，第一級(jí)渦輪的溫度對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升至關(guān)重要。

圖5 航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的布雷頓循環(huán)

聽(tīng)眾：那么發(fā)動(dòng)機(jī)中的TET到底有多高呢？

科普男：隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，近年來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中渦輪進(jìn)口溫度與日俱增，羅羅的Trent系列更是直逼2000K，這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大多數(shù)的金屬合金的熔點(diǎn)，給渦輪設(shè)計(jì)和材料與工藝生產(chǎn)均帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。

圖6 近年來(lái)渦輪進(jìn)口溫度演變趨勢(shì)

科普男：在如此高溫的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間工作，普通的鈦合金都會(huì)軟化變形。陶瓷雖耐高溫卻脆性太大，高溫合金方面鎳系合金材料的確能夠耐高溫，但其密度較大，會(huì)拉低發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比（發(fā)動(dòng)機(jī)推力與自重之比）。因此在需要斤斤計(jì)較的航空發(fā)動(dòng)機(jī)上就需要科研人員集中精力開(kāi)發(fā)耐高溫的輕合金材料和加工工藝來(lái)滿足生產(chǎn)渦輪盤(pán)和渦輪葉片材料的需求。這種配方也都是各國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)密。

聽(tīng)眾：看來(lái)材料和工藝對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制也是至關(guān)重要的?。?/span>

科普男：是的。即便經(jīng)過(guò)縝密的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，由于渦輪部件身處惡劣環(huán)境，仍然可能在工作狀態(tài)下發(fā)生故障，而且其故障往往引起嚴(yán)重的后果。CS100客機(jī)用的PW1500G低壓渦輪1級(jí)輪盤(pán)爆裂非包容故障就是由于龐巴迪的試車(chē)人員未遵守停車(chē)前必須在高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于70%下至少運(yùn)轉(zhuǎn)10min以冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)規(guī)定，多次在大轉(zhuǎn)速下直接停車(chē)，使滑油導(dǎo)管上的封嚴(yán)圈在高溫作用下失效，漏出的滑油在高溫下自燃，連續(xù)不斷的燃燒火焰，在輪盤(pán)上燒出一個(gè)整環(huán)的缺口，盤(pán)外緣在離心力作用下爆裂，其斷片擊穿機(jī)匣甩出發(fā)動(dòng)機(jī)，打傷飛機(jī)多處結(jié)構(gòu)（圖7）。

圖7 PW1500G渦輪盤(pán)爆裂非包容故障

科普男：遄達(dá)1000中壓渦輪工作葉片隔熱凃?qū)游吹皆O(shè)計(jì)壽命而過(guò)早地脫落，使葉片表面與高溫燃?xì)饨佑|，造成葉片硫腐蝕而斷裂，一口氣打傷1-5級(jí)靜子葉片與工作葉片，類(lèi)似的事故屢屢造成787客機(jī)扒地停飛（圖8）。羅羅公司一名高級(jí)管理人員對(duì)媒體宣稱(chēng)，2018年公司用于處理中壓渦輪工作葉片腐蝕斷裂故障的費(fèi)用高達(dá)4億5千萬(wàn)英鎊。

圖8 渦輪葉片斷裂787停飛造成巨額經(jīng)濟(jì)損失

聽(tīng)眾：那還有什么設(shè)計(jì)辦法能給渦輪降降溫嗎？

科普男：為了讓渦輪葉片在“炙焰煉獄”中得以喘息，設(shè)計(jì)人員目前采取的主要手段是對(duì)其應(yīng)用冷卻技術(shù)和涂層保護(hù)：葉片內(nèi)部制成空心結(jié)構(gòu)并用高速流動(dòng)的冷空氣帶走熱量；葉片外部還需要有保護(hù)膜，外加熱障涂層減低熱傳遞，降低到達(dá)葉片的熱量。

科普男：所以小小葉片結(jié)構(gòu)上蘊(yùn)藏著大講究：為了實(shí)現(xiàn)有效冷卻，科研人員在葉片內(nèi)部發(fā)展出多種冷卻結(jié)構(gòu)形式，包括蛇形通道，擾流肋結(jié)構(gòu)，氣膜冷卻，沖擊冷卻，雙層壁結(jié)構(gòu)……（圖9）在狹窄的葉身里重重組合，可謂是“螺螄殼里做道場(chǎng)”！

(a)蛇形通道

(b)擾流肋結(jié)構(gòu)

(c)氣膜冷卻

(d)沖擊冷卻

(e)沖擊冷卻

(f)雙層壁結(jié)構(gòu)

圖9 多種多樣的渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)

聽(tīng)眾：原來(lái)渦輪葉片有這么復(fù)雜而多樣的冷卻結(jié)構(gòu)啊！

科普男：其實(shí)，渦輪還有很多有趣的設(shè)計(jì)：比如，為了提升氣動(dòng)效率，很多發(fā)動(dòng)機(jī)特別是比較先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪工作葉片常采用“帶冠”結(jié)構(gòu)以減少葉片尖部由葉盆向葉背的漏氣,降低二次損失，同時(shí)還可以緩解振動(dòng)問(wèn)題（圖10）。

圖10 “帶冠”渦輪葉片

聽(tīng)眾：渦輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)真的充滿學(xué)問(wèn)！

科普男：是的，渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一門(mén)大學(xué)問(wèn)，需要兼顧性能需求和材料工藝水平。同學(xué)們回去也可以就感興趣的內(nèi)容深入學(xué)習(xí)！我們下一講再見(jiàn)！

聽(tīng)眾：再見(jiàn)！