航空燃氣渦輪發動機渦輪新技術

航空燃氣渦輪發動機渦輪部件的功能是將從燃燒室流出的高溫燃氣的熱能和壓力能轉換成機械功，驅動風扇、壓氣機和附件工作。在渦槳或渦軸發動機中，渦輪還用于驅動螺旋槳或直升機的旋翼。按燃氣流動方向，渦輪可分為軸流式和徑流式。現代航空燃氣渦輪發動機渦輪幾乎都采用軸流式。在軸流式渦輪中，根據轉子驅動的對象又可分為高壓、中壓和低壓渦輪。

渦輪部件是發動機中單位重量最大、最復雜、成本最高的部件，所以，渦輪的設計目標是保證其應用所需的耐久性前提下，在高性能和經濟可承受性之間維持一種平衡。為此，設計者們通過采用先進的氣動、結構、冷卻、強度設計，以及新材料和新工藝等多種技術措施來實現這一目標。

渦輪CFD技術

（1）非定常仿真技術

非定常仿真技術是對一個時間周期內離散瞬間的渦輪動靜域流場進行求解，動靜域之間采用直接數據傳遞的方式，能夠真實詳細描述瞬態的渦輪內流場變化。隨著計算機技術的不斷發展，現有的計算設備已能開展非定常仿真技術的大量研究工作。部分國外發動機公司不同程度的采用了此項先進設計技術，如美國的IHPTET（綜合高性能燃氣渦輪發動機）計劃中將非定常仿真技術用于解決轉子和靜子之間相互作用的機械激振，并將此技術用于F119發動機設計。近年來國外開展了凹槽頂部間隙、軸向氣封間隙、熱斑、尾跡、氣膜冷卻等氣動和傳熱非定常方面的研究和應用，極大地提高渦輪葉片設計水平。

（2）氣膜冷卻仿真技術

目前，工程設計中廣泛采用氣膜冷卻方式對渦輪葉片進行冷卻。如何準確模擬冷氣與主流的摻混流動是準確評估冷卻渦輪性能的關鍵所在。通常采用兩種方式進行氣膜冷卻數值模擬。第一種是冷氣噴射源項法，它在葉片表面和端壁給定質量、動量和能量源分布來考慮氣膜冷卻流動；該方法的優點是所需的工作量和計算時間較少、易于實現。第二種是真實氣膜孔仿真方法，生成氣膜孔甚至內腔網格，并對每個氣膜孔甚至內腔流動均進行數值模擬；此方法劃分網格復雜、時間長、計算量大，但優點是可以獲得非常詳細的流動信息，實現氣熱耦合計算，對溫度場的求解更加準確。國外實現了基于結構化網格和非結構化網格的真實氣膜孔仿真，例如：霍尼韋爾公司的Paul Vitt等（如圖1）、美國加利福尼亞州空氣動力中心的Ron Ho Ni等（如圖2）、俄羅斯OJSC的Victoria Krivonosova等。

三維設計技術

（1）超高載荷葉片全三維設計

隨著對發動機性能、重量、可靠性、經濟性等的要求越來越高，渦輪葉片數量越來越少，渦輪葉片載荷也越來越高，渦輪處于跨聲流動甚至超聲流動狀態，需開展超高載荷葉片的全三維設計技術研發。其中，包括了葉片復合傾斜技術、葉片端彎技術、葉片端壁融合技術、寬弦葉片技術、支板與葉片融合設計技術、跨聲葉型設計技術、超聲葉型設計技術等。

（2）非軸對稱端壁技術

非軸對稱端壁技術將端壁造型從二維發展到三維，通過調整端壁的三維曲面形狀，能夠有效減小渦輪二次流損失，從而提高渦輪效率。羅羅公司是第一個開始研究和應用非軸對稱端壁技術的發動機公司，并申請相關專利，采用非軸對稱端壁設計技術可提高渦輪效率1.0%左右。空客A380遄達900航空發動機的低壓渦輪部件（如圖3）和先進中等推力E3E發動機核心機的高壓渦輪導葉及工作葉片端壁（如圖4）均采用了該技術。MTU公司構建了一套非軸對稱端壁設計體系。P&W公司是首個進行非軸對稱端壁設計對冷卻效率影響研究的公司。

高效冷卻葉片設計

（1）鑄冷葉片技術

鑄冷葉片源于艾利遜公司的“Castcool”概念，它是一種可以一次鑄造出內部復雜形狀的加工方法。利用Castcool可以將十分復雜的冷卻結構一次鑄成在單晶部件（如渦輪葉片）之內，同時，在IHPTET計劃中Allison公司研發了一種Lamilloy冷卻方案，此方案為多孔層板材料葉片。在IHPTET計劃第二階段，Castcool技術與Lamilloy冷卻方案結合，研制出了鑄冷高低壓葉片（如圖5，葉片前緣和尾緣采用氣膜冷卻，而葉片其余部分則采用雙層壁Lamilloy冷卻），并在CAESAR驗證機中進行了強度和冷卻試驗驗證。

（2）超冷葉片技術

超冷葉片源于普惠公司的“super cooling”概念。超冷葉片有幾百個鑄造的或激光打的小孔，外形與常規冷卻葉片一樣，但其內部是用CFD方法設計的。在IHPTET計劃第二階段，在CAESAR核心機中對超冷葉片技術進行了試驗驗證（如圖6），并將此技術成功轉化至F119核心機中驗證。同時，惠普公司在F135發動機的高壓渦輪上采用超冷技術，冷卻效率提高20%。此技術已在F136、PW8000發動機高壓渦輪葉片得到了應用。

先進結構設計

（1）高低壓渦輪對轉技術

高低壓對轉渦輪結構是高負荷單級高壓渦輪后接對轉無導葉低壓渦輪。IHPTET計劃中的GE公司COPE渦輪方案驗證了這一技術。F136發動機就采用了此結構。F119發動機雖然也使用了高低壓渦輪反轉技術，但其高壓渦輪和低壓渦輪之間仍帶有導葉。無導葉對轉渦輪技術不僅可用在軍用渦扇發動機上，也可用于民用渦扇發動機。

（2）雙幅板渦輪盤

采用當前的鎳基合金制造的常規（單輻板）高壓渦輪盤其AN2值已達到極限，面臨的局面是，提高AN2值必須有突破性技術的支持。因此，雙輻板盤（圖7）成為提高AN2的研究重點。雙輻板盤在結構傳力路線和AN2方面比常規高壓渦輪盤有明顯的優勢。普惠公司在先進渦輪發動機燃氣發生器XTC67/1上試驗了焊接的雙輻板高壓渦輪盤技術，驗證了渦輪盤重量減輕17%，同時轉速提高9%。

（3）可變面積渦輪導向器

GE發展了四代變循環發動機：在第二代變循環發動機（GE21）的研制中實現了可調面積低壓渦輪導向器技術突破；在第三代變循環發動機（F120）的研制中實現了可調面積高壓渦輪導向器技術突破，并實現了發動機空中試飛驗證；第四代變循環發動機是COPE方案，在GE與艾利遜公司（AADC）（RR參與）聯合研究的COPE方案中關鍵技術之一就是高效可調面積高壓渦輪導向器，采用了一種獨特的凸輪驅動結構解決過去變面積導向器的冷卻漏氣引起的性能損失問題，能使部分推力狀態下SFC降低10%～25%。日本在高超聲速運輸機推進系統研究計劃下研究的組合循環發動機，其低速推進系統選用變循環渦扇發動機，低壓渦輪采用了可變面積導向器，用于控制發動機的涵道比和調整高/低壓渦輪的功率分配。

先進耐高溫材料與工藝

（1）陶瓷基復合材料

陶瓷基復合材料在不帶冷卻的條件下耐溫能力高達1650K以上，密度卻是傳統葉片材料的三分之一，熱膨脹系數是傳統鎳基合金的四分之一。在大型軍用渦扇發動機中，目前已經得到成功驗證的陶瓷基復合材料渦輪部件主要有：渦輪間過渡段機匣部件，使冷卻空氣減少了100%，重量減輕50%；低壓渦輪導葉，減重的同時減少了冷卻氣流；高壓渦輪空心導葉，與典型的鎳基合金導葉相比，重量減輕50%，冷卻空氣量減少20%。美國在IHPTET計劃下開發了無冷卻陶瓷基低壓渦輪和端壁（如圖8），并已用于F136發動機未來發展型。

（2）高溫金屬間化合物

金屬間化合物具有重量輕、耐高溫、提高部件效率等優點，在渦輪部件中的應用主要是低壓渦輪后面幾級的葉片。具體的研究對象主要有：鈦鋁、鈮鋁、二硅化鉬、二硅化鈮。渦輪葉片歷來用鑄造，為了減輕重量而采用金屬間化合物材料，使渦輪部件結構和設計復雜化，從而改變了渦輪葉片的加工技術。

（3）熱障涂層

熱障涂層應用對象是工作溫度超過1250℃的渦輪工作葉片表面。電子束物理氣相沉積熱障涂層具有良好的熱疲勞特性，可用于高壓渦輪葉片。微層壓（Micro-Laminate）熱障涂層可用于渦輪導向葉片和工作葉片。這些先進熱障涂層的導熱率和重量都大大降低，能有效提高渦輪葉片的工作溫度，保證葉片壽命。目前，國外正在研制耐溫水平150度以上的熱障涂層。

葉尖間隙主動控制技術

渦輪葉尖間隙主動控制技術是一項通過控制渦輪葉尖間隙的變化來降低發動機耗油率、污染物的排放，提高可靠性和延長使用壽命的重要技術措施。高壓渦輪葉尖間隙減小0.254毫米可減小1%的耗油率，排氣溫度減低10°C。主動間隙控制的目標就是讓渦輪葉尖間隙在發動機工作過程中，尤其是在巡航狀態下保持一個最小值，同時又能保證在整個發動機飛行包線內葉尖和渦輪外環不會發生碰磨。在高壓渦輪采用主動間隙控制比壓氣機和低壓渦輪有更加突出的好處，減小高壓渦輪葉尖間隙所得的效益是低壓渦輪的4倍，高壓壓氣機的2倍，而在運輸機上獲得的效益又是戰斗機的2倍。在大涵道比航空燃氣渦輪發動機上廣泛采用主動間隙控制技術。目前，熱控制方法的主動間隙控制得到了廣泛的應用。如CFM56、PW4000、V2500、GE90等都采用的是主動熱控制方法。但由于主動熱控制方法存在響應速度慢且無反饋信息，而無法精確控制間隙的原因，國外正在大力開展機械控制、壓力控制等研究和驗證，預計在不久的將來這些新的主動間隙控制方法會在大涵道比航空發動機和航改燃機上得到廣泛應用。

先進刷式封嚴技術

刷式封嚴技術最初是上世紀70年代初英國羅羅公司提出的一種新型密封技術。這種新型密封結構可大大降低航空發動機空氣系統的氣流量損失，增加推力，降低耗油率，顯著提高發動機性能。刷式封嚴是一種接觸式密封，與傳統的篦齒封嚴相比，重量輕、易于更換。GE公司的試驗表明刷式密封的泄漏量只有篦齒密封的5%～10%。德國MTU公司的研究也發現，用刷式封嚴代替壓氣機和渦輪處的篦齒封嚴，則發動機的泄漏量可減少80%，相應的發動機耗油量能減小至少1%。1989年V2500-A1發動機成為以刷式密封取得執照的第一臺生產型航空發動機。英國牛津大學于1990年提出了“壓力平衡型低滯后效應的刷式封嚴”的專利設計，這種結構已經在GE90發動機的試驗中通過了驗證。在高密封壓力、高環境溫度和高表面速度的環境下，刷式封嚴存在刷絲掉毛現象，同時也存在密封的滯后效應，MTU研制了一種新型的刷式封嚴結構以解決此問題。