什么是涡轮叶片?

什么是涡轮叶片?

叶片在航空发动机中起着最重要的作用，没有叶片，航空发动机就不能产生推力。航空发动机叶片又分为涡轮叶片、风扇叶片和压气机叶片。涡轮叶片又分为高压涡轮叶片、低压涡轮叶片和导向涡轮叶片。压气机叶片分为高压压气机叶片和低压压气机叶片。决定发动机推力的因素之一是高压涡轮叶片的性能。

为了保证在极端高温高压环境下长期稳定运行，涡轮叶片通常采用高温合金锻造，并采用不同的冷却方式。如内部气流冷却，边界层冷却，或热障涂层来保护叶片。确保操作过程的可靠性。在蒸汽涡轮发动机和燃气涡轮发动机中，叶片金属疲劳是发动机失效的主要原因。强烈的振动或共振可能引起金属疲劳。工程师经常使用摩擦阻尼器来减少这些因素对叶片的损伤。

什么是高压涡轮叶片?

高压涡轮叶片需要承受1500度以上的高温，相当于叶片重量2000倍的离心力、气动力、腐蚀、载荷等。因此，要求高压涡轮叶片具有耐高温、高强度、耐腐蚀的特性。为了使高压涡轮叶片具有上述性能，在制造过程中采用了特殊材料。

俗称锻造涡轮，它是指进气侧叶片采用7075锻造铝合金制成。最大的优点是它具有较高的强度和更薄的叶片，可以在靠近轴的地方做得更薄更长，所以在相同的速度下，更低的可以产生更高的风量，从而产生更大的功率输出。铝合金CNC加工的涡轮叶片效率更好，但实际上，市场上看到的涡轮机几乎都是使用普通铸造叶片。主要问题在于成本和技术的考虑。铸造生产的叶片不仅成本低，而且制造速度快，可以进行批量生产。然而，用这种叶片制造的涡轮机往往能满足一般的量产要求，性能只能说一般，但对于一般场合也是足够的。

要制造锻造的CNC刀片，需要使用五轴数控机床，造价近千万。然而，在中国这样的机器并不多，其中大部分用于制造航空航天或军事用品。过去，它由政府控制，因为它是制造航空航天部件和军事武器的必要工具。你必须有相关的行业背景才能介绍五轴数控。所谓锻造数控叶片，是利用比普通铸铝合金更坚固的锻造铝材料，再用CNC将铝材料切割成涡轮进气侧叶片。但这种制造方法不仅成本高，而且技术难度大，因为涡轮叶片的角度相当复杂，一般三轴、四轴数控机床是无法切割出来的，更贵的必须使用。五轴数控机床可以加工复杂形状的叶片。

航空发动机涡轮叶片冷却:

1. 为什么冷?
   如果涡轮前面的温度是1600K，而涡轮叶片材料的耐温只有1200K，这样的材料能工作吗?答案是肯定的，但需要先进的冷却技术。以民用涡扇发动机为例，涡轮前的温度与叶片材料的公差温度之间的差异已经增加到500K以上。冷却技术对航空发动机至关重要。虽然材料有限，但通过先进的涡轮冷却技术可以提高涡轮的性能和涡轮叶片的寿命。早期发动机中的涡轮没有使用冷却技术，但当时涡轮前面的温度并不是很高。冷却技术的发展源于一个矛盾。涡轮叶片材料的发展落后于航空发动机的性能(涡轮前温度)。虽然涡轮前的气体温度不能超过材料的公差值，但涡轮冷却技术的引入彻底改变了这一状况，促进了涡轮冷却技术的发展。
2. 涡轮叶片的冷却方法有哪些?
   在航空发动机领域，对流冷却、冲击冷却、气膜冷却和发散冷却相继发展起来。冷却的目的是提高涡轮前的温度，以提高发动机性能，使叶片内的温度场均匀分布，减少热应力。
   • 对流冷却:
     对流冷却是当今广泛使用的冷却方法之一。冷却空气经过叶片内部的几个特殊通道，通过这种对流，与叶片内壁换热，使叶片温度降低，达到冷却效果，冷却效果为200℃~ 250℃。
   • 影响类型:
     冲击冷却是喷雾冷却，是利用一个或多个冷却气流射流面向被冷却表面，以增强局部换热能力，适用于局部高温区域的强化冷却，如首先采用叶片前缘的喷雾冷却。理论上，撞击冷却仍然属于对流冷却。
   • 膜冷却:
     冷却空气从叶片末端进入叶片内腔，气膜冷却涡轮叶片设计制造了许多小孔。将高温气体分离，以达到冷却涡轮叶片的目的。
   • 发散冷却:
     发散冷却(汗液冷却)是一种涡轮冷却技术，冷却空气从叶片内腔通过叶片壁上众多微孔渗透，就像出汗一样。它是由高温合金多孔层压板制成的中空叶片，高压冷却空气通过叶片壁上的致密孔隙从叶片内腔流出，流向叶片外表面。高温气体与叶片表面之间形成完整连续的空腔绝热层。既能将叶片表面与气体完全分离，又能吸收叶片表面的部分热量。采用这种冷却方法，叶片可使物料温度接近冷却空气温度。
     这种冷却方法面临的技术问题是多孔材料氧化后容易堵塞，每一层都需要多孔，孔不容易对齐，工艺复杂。涡轮前温度每升高100℃，在发动机尺寸不变的情况下，发动机性能至少提高10%。这就是为什么涡轮前的温度成为衡量发动机质量的重要指标。