什麼是渦噴發動機渦輪？ | 陳光談航發25

渦輪又叫透平。其主要作用是：將燃燒室流出的高溫、高壓燃氣的大部分能量轉變為機械功，使渦輪高速旋轉併產生大的功率，由渦輪軸輸出。

渦輪輸出的機械功可用來驅動風扇、壓氣機、螺旋槳、槳扇、直升機的旋翼及其他附件。在航空燃氣渦輪發動機中，渦輪部件所承受的熱負荷、氣動負荷和機械負荷都是最大的。

圖4-22、渦輪導向器與工作葉輪

如同壓氣機一樣，渦輪也是由不動的靜子（又稱渦輪導向器）與轉動的轉子所組成（圖4-22）。靜子由導向器與固定它的機匣組成，轉子由工作葉片、輪盤與軸組成，又稱渦輪轉子。

一個導向器和一個渦輪轉子組合成一個渦輪級。渦輪可由一個或幾個渦輪級組成，分別叫做單級渦輪或多級渦輪。

與壓氣機不同的是渦輪導向器在轉子之前，且型面形狀和氣流通道與壓氣機也不同，兩個葉片間形成的通道呈收斂形，即入口處面積比出口處面積大，燃氣流在收斂通道中流過時，速度提高、壓力降低。

(2) 渦輪的類型及工作原理

圖4-23、燃氣在渦輪導向葉片、工作葉片中流動情況

圖4-23示出了燃氣在渦輪導向葉片及工作葉片中的流動情況。高溫、高壓燃氣首先流入渦輪導向葉片，由於導向葉片通道作成進口流道面積大於出口流道面積，亦即形成收斂通道。

因此，燃氣是加速流過導向葉片通道的，其壓強和溫度都降低，在導向葉片出口處流速達到當地的聲速（此處燃氣溫度很高，如燃氣溫度為1300℃時，當地聲速約為800米/秒），並按葉片出口型面的角度流向工作葉片。

工作葉片型面如作成圖4-23(A)中的進、出口流道面積相等時，燃氣流在工作葉片中的流動速度不變，只是方向變化（由斜下方流入，斜上方流出），工作葉片在燃氣的衝擊作用下帶著裝葉片的輪盤高速旋轉，這種工作方式的渦輪稱為「衝擊式渦輪」；

如果工作葉片型面作成如圖4-23(B)中所示的出口流道面積小於進口流道面積即呈收斂形，燃氣流過工作葉片時，不僅方向變化，而且繼續膨脹，速度增加而壓強及溫度降低。

這時，渦輪工作葉片不僅受到高速燃氣的高速衝擊力，同時燃氣在葉片通道中流動時，還向後上方加速流出，這相當於工作葉片對燃氣流作用—個向上方的力，那麼，這股流出的燃氣就對工作葉片有一向下作用的反作用力，工作葉片在這兩種力的作用下，帶著裝工作葉片的輪盤高速旋轉，這種工作方式的渦輪稱為「反力式渦輪」。

顯然，它的工作能力比衝擊式渦輪要大很多。一般來說，水力渦輪、蒸汽渦輪均是「衝擊式渦輪」，而在航空燃氣渦輪發動機中，全都採用「反力式渦輪」。

在渦輪中，由於燃氣由高壓處向低壓處流動，氣動工作條件比壓氣機好多了，除了不會發生在壓氣機中的「喘振」外，一級渦輪所作的功還能帶動多級壓氣機，所以渦輪的級數要比壓氣機的少得多。

由圖4-22可見，渦輪導向器是由許多裝在外環與內環間的導向葉片所組成，工作葉片裝在輪盤上。

上面已經講到，特殊型面的導向葉片、工作葉片的葉片通道均作成收斂形，即葉片通道進口處的面積大，出口處的面積小。因此，燃氣流過該通道時是加速的。

(3) 渦輪導向器與工作葉片的冷卻方式

圖4-24、渦輪導向器葉片和渦輪葉片的冷卻

渦輪發出的功率大小與渦輪進口（即燃燒室出口）的燃氣溫度及渦輪前後壓力之比（又稱落壓比）成正比，燃氣溫度和落壓比越大，渦輪發出的功率也越大，發動機總體性能也就越好。

因此，渦輪前燃氣溫度的高低是影響發動機性能好壞的一個重要循環參數。

為了得到大功率，要求渦輪進口的燃氣溫度儘可能高，但是渦輪葉片（包括導向葉片、工作葉片）長期處於高溫燃氣衝擊和侵蝕之下，尤其工作葉片本身還承受很大的離心力，渦輪葉片材料會承受不了，又限制了燃氣溫度的提高，從而影響了發動機性能的提高。

長期以來，為了不斷提高發動機的性能，要求不斷提高渦輪進口燃氣溫度。航空發動機研製部門通常採取兩方面的措施來實現這一要求：即一方面提高渦輪葉片材料的耐高溫性能；

另一方面則是加強冷卻，提高渦輪葉片的冷卻效果。僅採取其中一種措施是不能滿足要求的，只能兩者雙管齊下。

圖4-25、渦輪導向器葉片及其冷卻

在對葉片進行冷卻方面，航空燃氣渦輪發動機大都採用氣冷渦輪，通過不斷改進葉片內部冷卻通道的結構和冷卻方式，逐步提高葉片材料的冷卻效果。

通常要從壓氣機引出高壓空氣來對渦輪葉片進行冷卻，圖4-25一示出了典型的氣冷式渦輪導向器葉片和渦輪工作葉片的冷卻空氣流路圖。

早期的渦輪葉片採用較為簡單的冷卻結構，例如在工作葉片葉身中，從上向下開有多個圓孔或特型孔，冷卻空氣由下面的孔引入，再由上面的孔排出，從而帶走葉片材料中的部分熱量，達到降溫的目的。

這種簡單的冷卻方式，冷卻效果約為100℃左右（即可使材料溫度降低100℃左右），遠不能滿足發動機發展的需要。

因此，在近20～30年間，對渦輪葉片的冷卻結構作了大量改進，冷卻方式有對流、衝擊、氣膜、發散、層板及其複合等多種，當今的葉片冷卻結構已非常複雜，當然它的冷卻效果也較高，約為350～400℃左右。

圖4-26 、渦輪工作葉片冷卻結構的變化

圖4-26為典型的渦輪工作葉片的冷卻結構變化圖，圖4-27為典型的渦輪工作葉片的鑄造型芯實物。現在正在研究超級冷卻的渦輪葉片，可使葉片材料溫度降低約500～650℃。

此外，還採用在葉片表面上噴塗隔熱材料（熱障塗層）的方法，來達到更好地冷卻渦輪葉片的效果。

(4)渦輪葉片的材料及製造工藝

圖4-27、 典型的渦輪工作葉片的鑄造型芯實物

在材料方面，除改進高溫合金中的合金成分、將鎳的成分增多並適當添加微量稀有元素，以進一步提高材料本身的耐高溫性能之外，在葉片的熔煉工藝方面也進行了大量的研究和改進工作。

在20世紀60年代，渦輪葉片毛坯的製造方法已由鍛造改為真空條件下的精密鑄造，20世紀70～80年代，又由鑄造的多晶結構發展為定向結晶結構，現在己實現能將整個葉片鑄成一個晶體，即單晶葉片，這種改進不僅可提高葉片的耐高溫性能，還能延長葉片在高溫條件下的工作壽命。圖4-28示出普通鑄造、定向結晶及單晶材料的顯微結構圖。

雖然在渦輪工作葉片的材料、冷卻結構上作了很大努力，並已取得突出的成就，但仍不能滿足發動機性能日益提高的要求。

圖4-28、普通鑄造、定向結晶、單晶渦輪工作葉片

目前正在大力開發陶瓷等新材料、新技術，估計在不遠的將來，新的、性能更好的、採用陶瓷材料作的渦輪工作葉片及用其它新技術裝備起來的航空發動機可望投入使用，到那時軍、民用飛機的性能必將有大幅度的提高。

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