航空燃氣渦輪及其發展趨勢

陽堯+崔響+徐志暉+高志陽

摘 要：渦輪作為航空發動機的核心部件之一，由旋轉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、高壓燃氣熱能轉變為渦輪軸上的機械能，以帶動進氣道風扇、壓氣機、螺旋槳等附件。本文通過系統的介紹航空渦輪的分類、性能指標、現狀及未來發展趨勢，加深對渦輪部件的研究，推動我國航空發動機事業的發展。

關鍵詞 ：航空發動機；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、科技工業基礎實力和綜合國力的重要標志。航空渦輪葉片長期高速工作在高溫、高壓燃氣下，是工作環境最惡劣的發動機部件，其工作狀態對發動機可靠性、經濟性、壽命影響重大。在國內外航空發動機研制中，渦輪被列為第一關鍵件，被譽為“王冠上的明珠”。隨著現代航空發動機的發展，渦輪進口的溫度越來越高，目前國外最新發動機渦輪進口溫度已經達到1811K～2144K，為了能保證渦輪長時間可靠地工作，設計者采用先進的氣動設計、新穎的結構設計和冷卻方案，以及新材料和涂層等技術來實現這一目標。

2 渦輪分類

2.1 軸流式渦輪

軸流式式渦輪在航空發動機上廣泛采用，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”和旋轉的“工作輪”構成。經過軸流式渦輪的燃氣流動方向與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：從發動機燃燒室噴出的高溫、高壓燃氣以渦輪軸向方向射向渦輪靜葉葉柵，經過靜葉葉柵通道拐彎加速，由于靜葉的進口截面大于氣流出口截面，氣體在通道中進行膨脹，壓力和溫度下降，速度加大。靜葉出來的高速氣流繼續沖擊動葉葉柵，此時葉盆上的靜壓遠大于葉背靜壓。兩者的壓差產生方向由葉盆指向葉背的巨大推動力，推動渦輪軸做功，用于驅動風扇、壓氣機、螺旋槳等附件。渦輪的葉柵通道是收斂的，燃氣在通道中加速降壓，并且由于渦輪前氣流速度大、溫度高，其單級做功功率大于壓氣機。因此，在同一臺發動機中，渦輪的級數要比壓氣機的級數少得多。

軸流式渦輪具有效率高，徑向尺寸小的優點，因而適用于大流量、高性能的航空發動機。目前，大型運輸機、高性能殲擊戰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氣蝸殼、噴嘴環、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-軸流式應用最廣泛。徑流式渦輪由于實現多級結構困難較大，目前通常設計成單級的。靜子進口通常采用環形進氣管或螺旋形的蝸殼。氣流沿垂直于轉子軸線的平面進入靜子，而沿轉子軸線方向離開轉子，氣流在相對長而窄的轉子通道中轉彎。由于不能像軸流式渦輪采用多級渦輪結構輸出更多的機械能，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。

徑流式渦輪由于結構簡單，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中。

3 渦輪的功能和主要性能指標

航空發動機渦輪的功能是：將燃燒室噴出的高溫、高壓氣體經葉柵通道加速降壓，驅動渦輪高速旋轉產生功率，由渦輪軸輸出。這一過程從能量轉換角度可以描述為燃氣的熱能經渦輪轉換為驅動風扇、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、高壓的惡劣的環境下，它是發動機部件中單位質量最重，最復雜，成本最昂貴的部件。評定渦輪主要性能指標有絕熱效率、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，渦輪的效率是發動機性能的最重要的指標。合理的渦輪分級設計能夠減少氣體流經渦輪的流阻損失，在相同的落壓比下，渦輪效率會提高。

4 渦輪的發展現狀及未來趨勢

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

（1）先進的耐高溫葉片材料：渦輪葉片應具有優良的高溫抗蠕變、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鍵制造技術。另外，金屬基復合材料、陶瓷基復合材料以及碳/碳復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展的重點方向。

（2）熱障涂層技術：在渦輪葉片表面采用熱障涂層技術，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。據資料介紹，采用渦輪熱障技術的渦輪葉片，在結構和冷卻效果不改變的情況下，壽命延長3～5倍。

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

（4）高低壓渦輪對轉技術：在氣動和機械強度上優于傳統設計。

（5）渦輪CFD技術：主要有非定場仿真、氣膜冷卻仿真技術。

5 結束語

通過對航空渦輪發展的深入分析以及國內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，是衡量現代航空發動機先進性的重要標志。而渦輪葉片的材料，及加工鑄造直接關系到渦輪承溫能力的優劣。我國在金屬材料領域做了大量實驗研究，其中“兩院”院士師昌緒在高溫合金領域取得了令人矚目的成績。當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，導致國內生產的渦輪葉片合格率較低，工作壽命較短。同時，先進的工藝方法也是實施先進冷卻方式的關鍵。

參考文獻：

[1]彭澤琰，劉剛，桂幸民等.航空燃氣輪機原理[M].北京：國防工業出版社，2008：133-170.

[2]曾軍.航空燃氣渦輪發動機渦輪技術[N].環球飛行，2013（12）：72-77.

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