航空发动机涡轮系统研究

航空发动机涡轮叶片冷却技术

一、 引言

航空发动机自诞生以来，对它的基本发展要求就是推力更大、推重比更高、耗油率更低、质量更轻、耐久性更好和费用更低等。因此，航空发动机涡轮的发展趋势主要在以下两个方面：其一是不断提高涡轮前温度；其二就是不断增加涡轮气动负荷，采用跨音速涡轮设计方案，减少涡轮级数和叶片排数。

在现有技术条件下，并在保证尺寸小、质量轻的情况下，提高涡轮前温度，是获得大推力和高推重比的主要措施之一。从理论上讲，涡轮进口温度每提高100℃，航空发动机的推重比能够提高10%左右。当前，先进航空发动机涡轮前温度已经达到1900K左右，这远远超过了涡轮叶片所用的高温合金材料的熔点温度。为了保证涡轮叶片在高温燃气环境下安全可靠地工作，就必须对叶片采取冷却和热防护措施。

对于高温所带来的一系列问题，解决的办法主要有两个：一是提高材料的耐热性，发展高性能耐热合金，制造单晶叶片；二是采用先进的冷却技术，以少量的冷却空气获得更高的降温效果。其中材料的改善占40%，冷却技术占60%。

对于军用航空发动机，第3代的涡轮进口温度为1680~1750K，涡轮叶片耐温能力主要通过第1代单晶合金或定向合金和气膜冷却技术保证；第4代的涡轮进口温度达到1850~1980K，涡轮叶片耐温能力主要通过第2代单晶合金和对流-冲击-气膜复合冷却技术来保证；未来一代的涡轮进口温度将高达2200K，预计涡轮叶片耐温能力通过第3代单晶合金或陶瓷基复合材料等耐高温材料和包括层板发散冷却在内的更加高效的冷却技术来保证。

二、 航空发动机涡轮叶片冷却技术概述

涡轮冷却技术研究始于上个世纪40年代，大约在1960年，气冷涡轮首次应用于商业航空发动机上。经过多年的发展，目前基本上形成了由内部冷却和外部冷却构成的涡轮叶片冷却方案。

1. 内部冷却

其基本原理是冷气从叶片下部进入叶片内部，通过带肋壁的内流冷却通道，对叶片的内表面实施有效的冷却，一部分冷气通过冲击孔，以冲击冷却的形式对叶片前缘内表面进行冷却，剩下的一部分气体经过叶片尾部的扰流柱，被扰动强化换热以后从尾缘排出。内部冷却包括采用叶片内部多程弯折带肋通道的强化对流冷却、叶片内表面的射流冲击冷却、以及叶片尾缘借助冷却空气绕流扰流柱的导热和对流复合冷却等方式。内部冷却不会对涡轮燃气通道流场产生影响。

涡轮增压技术在航空发动机中的应用

航空发动机作为飞机的“心脏”，其性能的优劣直接决定了飞机的飞行能力和可靠性。在航空发动机的发展历程中，涡轮增压技术的应用发挥了至关重要的作用。

涡轮增压技术的基本原理是利用发动机排出的废气驱动涡轮，涡轮再带动压气机，从而增加进入发动机的空气量，提高发动机的功率和效率。在航空发动机中，这一技术的应用有着独特的优势和挑战。

首先，涡轮增压技术能够显著提升航空发动机的功率。随着飞机飞行高度的增加，大气压力和氧气含量逐渐降低。传统的自然吸气发动机在高空环境下，由于进气量不足，功率会大幅下降。而涡轮增压技术可以通过强制增加进气压力，保证发动机在不同高度下都能获得充足的空气供应，从而维持较高的功率输出。这使得飞机能够在高空保持良好的飞行性能，增加飞行高度和速度的范围。

其次，涡轮增压技术有助于提高航空发动机的燃油效率。更多的进气量意味着燃烧更加充分，能够在产生相同功率的情况下消耗更少的燃油。这对于降低航空公司的运营成本、减少对环境的影响都具有重要意义。同时，高效的燃烧还能降低发动机的排放，符合日益严格的环保要求。

然而，在航空发动机中应用涡轮增压技术并非一帆风顺。航空发动机工作环境极其恶劣，需要承受高温、高压、高速旋转等极端条件。这对涡轮和压气机的材料性能、制造工艺以及冷却系统都提出了极高的要求。例如，涡轮需要在高温废气的冲击下保持高强度和稳定性，压气机叶片则需要在高速旋转时避免发生共振和疲劳损坏。为了解决这些问题，科研人员不断探索新型材料和先进制造技术，如高温合金、陶瓷基复合材料以及 3D 打印技术等。

另外，涡轮增压系统的控制和调节也是一个关键问题。航空发动机在不同工况下（如起飞、巡航、降落等）对进气量和压力的要求不同，因此需要精确的控制系统来实时调整涡轮和压气机的工作状态。这涉及到复杂的传感器、执行机构和控制算法，以确保发动机始终在最佳工作点运行，提高性能的同时保证可靠性和安全性。

第52卷 第11期 表面技术 2023年11月 SURFACE TECHNOLOGY ·139·

收稿日期：2022-08-13；修订日期：2023-03-01 Received：2022-08-13；Revised：2023-03-01 基金项目：山西省回国留学人员科研项目“动态压剪条件下南极固定冰屈服行为的研究”（2020-030）；中国—白俄罗斯电磁环境效应“一带一路”联合实验室（ZBKF2022031101） Fund： Research Project of Returned Overseas Students in Shanxi Province, "Study of Antarctic Fixed Ice Yielding Behavior under Dynamic Compressive Shear" (2020-030); China-Belarus Electromagnetic Environmental Effects "One Belt, One Road" Joint Laboratory (ZBKF2022031101) 引文格式：贾宜委, 王鹤峰, 王宇迪, 等. 航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状[J]. 表面技术, 2023, 52(11): 139-154. JIA Yi-wei, WANG He-feng, WANG Yu-di, et al. Research Status on Thermal Barrier Coating of Aircraft Engine Turbine Blade[J]. Surface Technology, 2023, 52(11): 139-154. *通信作者（Corresponding author） 航空发动机涡轮叶片热障涂层研究现状

贾宜委，王鹤峰*，王宇迪，赵帅，昂康

（太原理工大学 机械与运载工程学院，太原 030024）

航空发动机涡轮叶片失效机理及寿命预测方法研究

航空发动机的涡轮叶片是发动机中最关键的部件之一，其失效会对飞机的安全和运行造成极大影响，因此对其机理和寿命预测方法的研究备受关注。本文将介绍航空发动机涡轮叶片的失效机理和常见的寿命预测方法。

一、涡轮叶片的失效机理

航空涡轮叶片的失效主要包括以下三种类型：疲劳失效、热疲劳失效和腐蚀失效。

1.疲劳失效

涡轮叶片在高速转动下，受到来自气流和高温高压气体的冲击和剪切作用，同时由于叶片受到往返和扭转径向载荷的交替作用，因此容易发生疲劳失效。该失效类型的表现为叶片出现微裂纹，随着工作时间的推移，裂纹逐渐扩展，最终导致叶片断裂。

2.热疲劳失效

涡轮叶片在高温环境下长时间运转，受到高温气体的冲击和热膨胀作用，导致叶片出现变形、裂纹等热疲劳失效。该失效类型的表现为叶片出现裂纹和变形，直至叶片失效。

3.腐蚀失效

涡轮叶片长期处于高温高压的气体环境中，易受到氧化、硫化等氧化失效和盐雾腐蚀等腐蚀失效的影响。该失效类型的表现为叶片表面出现腐蚀、锈蚀，严重时会导致叶片断裂。

二、涡轮叶片的寿命预测方法 根据涡轮叶片失效机理的不同，涡轮叶片的寿命预测方法也有所不同。常用的预测方法主要包括以下几种：

1.基于金相显微组织的寿命预测方法

该方法根据材料的组织和疲劳裂纹扩展规律，通过金相显微组织的形态、尺寸、密度等参数来预测涡轮叶片的剩余寿命。该方法适用范围广，可以用于预测各种类型的涡轮叶片失效机理。

2.基于损伤累积理论的寿命预测方法

该方法将涡轮叶片的疲劳损伤、热膨胀损伤、腐蚀损伤等损伤组合起来进行分析计算，得出涡轮叶片的总损伤值。通过对总损伤值进行监控和计算，可以预测涡轮叶片的寿命。

3.基于有限元分析的寿命预测方法

该方法利用有限元分析技术对涡轮叶片的疲劳、热膨胀、腐蚀等失效机理进行数值模拟，在计算出叶片的应力、变形、温度等参数之后，通过建立预测模型进行寿命预测。该方法计算精度较高，适用于更为复杂的涡轮叶片失效机理。