航空燃气涡轮及其发展趋势

35工业技术

1　引言

航空发动机具有研制难度高、投资多、周期长的特点，是衡量一个国家综合科技水平、科技工业基础实力和综合国力的重要标志。航空涡轮叶片长期高速工作在高温、高压燃气下，是工作环境最恶劣的发动机部件，其工作状态对发动机可靠性、经济性、寿命影响重大。在国内外航空发动机研制中，涡轮被列为第一关键件，被誉为“王冠上的明珠”。随着现代航空发动机的发展，涡轮进口的温度越来越高，目前国外最新发动机涡轮进口温度已经达到1811K～2144K，为了能保证涡轮长时间可靠地工作，设计者采用先进的气动设计、新颖的结构设计和冷却方案，以及新材料和涂层等技术来实现这一目标。

2　涡轮分类

2.1　轴流式涡轮

轴流式式涡轮在航空发动机上广泛采用，其中多为多级涡轮，是由若干个单级组成。每个单级由静止的“喷嘴环”和旋转的“工作轮”构成。经过轴流式涡轮的燃气流动方向与涡轮轴轴线方向一致。在涡轮基元级叶栅中，静叶安装在动叶前面。轴流式涡轮的工作原理如下：从发动机燃烧室喷出的高温、高压燃气以涡轮轴向方向射向涡轮静叶叶栅，经过静叶叶栅通道拐弯加速，由于静叶的进口截面大于气流出口截面，气体在通道中进行膨胀，压力和温度下降，速度加大。静叶出来的高速气流继续冲击动叶叶栅，此时叶盆上的静压远大于叶背静压。两者的压差产生方向由叶盆指向叶背的巨大推动力，推动涡轮轴做功，用于驱动风扇、压气机、螺旋桨等附件。涡轮的叶栅通道是收敛的，燃气在通道中加速降压，并且由于涡轮前气流速度大、温度高，其单级做功功率大于压气机。因此，在同一台发动机中，涡轮的级数要比压气机的级数少得多。

轴流式涡轮具有效率高，径向尺寸小的优点，因而适用于大流量、高性能的航空发动机。目前，大型运输机、高性能歼击战斗机主要采用轴流式涡轮。

2.2　径流式涡轮

径流式涡轮主要由进气蜗壳、喷嘴环、工作轮以及出气道等组成。径流式涡轮分为向心式和离心式两种。其中向心式又分为径-轴流式和径向式两种，径-轴流式应用最广泛。径流式涡轮由于实现多级结构困难较大，目前通常设计成单级的。静子进口通常采用环形进气管或螺旋形的蜗壳。气流沿垂直于转子轴线的平面进入静子，而沿转子轴线方向离开转子，气流在相对长而窄的转子通道中转弯。由于不能像轴流式涡轮采用多级涡轮结构输出更多的机械能，因此径流式涡轮的单级落压比大，相同落压比下，其效率高于轴流式涡轮。

径流式涡轮由于结构简单，流量小，单级效率高，蜗壳外径大，一般为单级，主要适用于航天动力及其他紧凑动力源的系统中。

3　涡轮的功能和主要性能指标

航空发动机涡轮的功能是：将燃烧室喷出的高温、高压气体经叶栅通道加速降压，驱动涡轮高速旋转产生功率，由涡轮轴输出。这一过程从能量转换角度可以描述为燃气的热能经涡轮转换为驱动风扇、压气机、桨扇、直升机的旋翼及其他附件的机械能。

涡轮部件运行在高温、高压的恶劣的环境下，它是发动机部件中单位质量最重，最复杂，成本最昂贵的部件。评定涡轮主要性能指标有绝热效率、落压比、功率、强度、冷却性和工作寿命。在满足涡轮正常工作的前提下，涡轮的效率是发动机性能的最重要的指标。合理的涡轮分级设计能够减少气体流经涡轮的流阻损失，在相同的落压比下，涡轮效率会提高。

4　涡轮的发展现状及未来趋势

当前我国航空发动机技术水平落后于世界先进水平整整一代甚至更多，其中涡轮技术的发展直接关系到整个发动机的水平的提升。现代先进战斗机的最重要性能指标之一是发动机推重比，而提高发动机推重比最有效的办法之一是提高涡轮进口温度以增加发动机的单位推力。因此，发展高性能、耐高温涡轮部件是当前及未来的主要研究方向。以下为近一段时间涡轮发展现状及来来趋势。

（1）先进的耐高温叶片材料：涡轮叶片应具有优良的高温抗蠕变、抗热机械疲劳、抗氧化腐蚀性能和较高的承温能力。当前，涡轮叶片材料主要是高温合金，但是由于铸造方式造成的金属金相差异，可分为单晶叶片、定向结晶叶片和普通叶片。其中单晶叶片是最理想的叶片，耐高温，具有良好的力学性能。目前欧美国家在单晶叶片的铸造工艺上掌握了定向凝固和单晶晶铸两大关键制造技术。另外，金属基复合材料、陶瓷基复合材料以及碳/碳复合材料在研究高性能、耐高温涡轮叶片材料中占重要地位，是未来几年涡轮叶片材料发展的重点方向。 （2）热障涂层技术：在涡轮叶片表面采用热障涂层技术，能够有效降低叶片表面温度，提高涡轮承温能力，增加叶片的工作寿命。据资料介绍，采用涡轮热障技术的涡轮叶片，在结构和冷却效果不改变的情况下，寿命延长3～5倍。

（3）全三维叶片设计技术: 开展超高载荷全三维叶片技术的研究，以满足不同复杂涡轮叶片设计、试验。

（4）高低压涡轮对转技术：在气动和机械强度上优于传统设计。 （5）涡轮CFD技术：主要有非定场仿真、气膜冷却仿真技术。5　结束语

通过对航空涡轮发展的深入分析以及国内外航空涡轮研究成果的对比，可以看出：涡轮的性能水平，特别是承温能力，是衡量现代航空发动机先进性的重要标志。而涡轮叶片的材料，及加工铸造直接关系到涡轮承温能力的优劣。我国在金属材料领域做了大量实验研究，其中“两院”院士师昌绪在高温合金领域取得了令人瞩目的成绩。当前存在的问题主要是在叶片加工铸造上，材料成型的加工工艺不够成熟，加工精度过低，导致国内生产的涡轮叶片合格率较低，工作寿命较短。同时，先进的工艺方法也是实施先进冷却方式的关键。

参考文献：

[1]彭泽琰,刘刚,桂幸民等.航空燃气轮机原理[M].北京:国防工业出版社,2008:133-170.

[2]曾军.航空燃气涡轮发动机涡轮技术[N].环球飞行,2013(12):72-77.

作者简介：阳尧（1992-）,男,四川仁寿人,硕士在读,研究方向:航空发动机气动热力学及应用。

航空燃气涡轮及其发展趋势

阳　尧,崔　响,徐志晖, 高志阳

（沈阳航空航天大学航空航天工程学部,沈阳 110136）

摘　要：涡轮作为航空发动机的核心部件之一，由旋转的动叶和静止的静叶组成，位于燃烧室和尾喷管之间。其作用是将燃烧室喷出的高温、高压燃气热能转变为涡轮轴上的机械能，以带动进气道风扇、压气机、螺旋桨等附件。本文通过系统的介绍航空涡轮的分类、性能指标、现状及未来发展趋势，加深对涡轮部件的研究，推动我国航空发动机事业的发展。

关键词 ：航空发动机；涡轮；落压比；单晶叶片

DOI:10.16640/https://www.wendangku.net/doc/d718276107.html,ki.37-1222/t.2017.14.029