渦輪

經過了這么多"熱身"，高溫高壓氣流終于可以大顯身手，進入渦輪做功了。不過，在"工作"之前。先要排好隊--在燃燒室中產生的高溫高壓燃氣首先要經過一道燃氣導向葉片，高溫高壓燃氣在經過燃氣導向葉片時會被整流并通過在收斂管道中將部分壓力能轉化為動能而加速，最后被賦予一定的角度以更有效地沖擊渦輪葉片。

從"航空渦輪發(fā)動機"這個稱呼上，就可以看出渦輪在發(fā)動機里的重要性。渦輪實際上是一個"風車"，在燃燒室來流的沖擊下轉動。渦輪的作用就是將一部分高溫高壓燃氣的能量通過傳動軸傳遞給前面的壓氣機，使其能夠正常工作。在渦扇/渦槳發(fā)動機中，渦輪還要驅動風扇和螺旋槳葉片。渦輪是航空渦輪發(fā)動機三大核心部件中的"苦力"，它"干的活最重"、"自身壓力最大"而且"工作環(huán)境最差"。說它"干的活最重"，是指每級渦輪要發(fā)出很大的功率，在現代航空渦輪發(fā)動機上，通常只有不超過三級的渦輪，可是就這么幾級的渦輪卻要發(fā)出上萬匹馬力的功率；"自身壓力最大"是說渦輪葉片在高速旋轉時由于其本身的重量，會受到相當大的離心力，大到渦輪全速旋轉時其離心力相當于在每個葉片上吊掛了一輛5噸卡車；說它"工作環(huán)境最差"則是指，渦輪的工作條件可以用"高溫"、"高壓"、 "高速"三個"高"來形容。現代航空渦輪發(fā)動機的渦輪進口溫度最高達到1800K甚至2000K（約1727攝氏度，超過大多數金屬材料的熔點）；渦輪進口氣壓高達幾十個大氣壓；在渦輪葉片邊緣的氣流速度通常可以接近甚至超過音速，只有這樣的氣流沖擊到渦輪上，才能使渦輪發(fā)出足夠大的功率。換句話說，能在 "三高"條件下穩(wěn)定工作就是現代航空渦輪發(fā)動機對渦輪性能提出的最基本要求。對于氣流而言，溫度、速度和壓力使密切相關的三個參量，于是，"三高"要求最終就體現在盡可能提高渦輪進口溫度上面了，而渦輪進口溫度也就成了衡量發(fā)動機性能好壞的一個關鍵性指標。矛盾恰好也在這里，渦輪進口溫度提高使發(fā)動機性能得到改善，但與此同時，渦輪開始叫苦不迭了。

如何提高渦輪的耐熱性能呢？有這樣幾個辦法。

第一，強制冷卻。發(fā)動機設計人員在渦輪葉片上設計了很多細小的管道，高壓冷空氣通過這些管道流經高溫葉片，起到強制冷卻作用，這就是"空心氣冷葉片"。最早的渦扇發(fā)動機--英國羅·羅公司的"康維"發(fā)動機就使用了空心氣冷葉片。除了在燃燒室中使用的氣膜冷卻之外，在渦輪的燃氣導向葉片和渦輪葉片上大多還使用了對流冷卻和空氣沖擊冷卻。對流冷卻就是在空心葉片中不停地有冷卻氣流流動，以帶走葉片上的熱量。空氣沖擊冷卻（也叫氣膜冷卻）實際上是一種被加強的對流冷卻，即用一股或多股高速冷卻氣流強行噴射在要求被冷卻的表面。沖擊冷卻一般用在燃氣導向葉片和渦輪葉片的前緣上，由空心葉片的內部向葉片的前緣噴射冷卻氣體以強行降溫。沖擊冷卻后的氣體會從燃氣導向葉片和渦輪葉片前緣的孔隙中流出，被燃氣帶動在葉片的表面形成冷卻氣膜。但是開在葉片前緣的冷卻氣流孔隙會使葉片更加難以制造，而且這些孔隙還會導致應力集中，對葉片的壽命產生負面影響。可是由于氣膜冷卻要比對流冷卻的效果好的多，所以人們還是不惜代價地在葉片上采用氣膜冷卻。

從某種意義上來說，在燃氣導向葉片和渦輪葉片上使用更科學合理的冷卻方法，可能要比開發(fā)更先進的耐高溫合金更實際一些。因為采用空心冷卻技術要比開發(fā)新合金投資少、見效快。現在渦輪進口溫度的提升其一半的功勞要歸功于冷卻技術的提高。由于采用冷卻技術，目前各渦輪葉片實際所承受的溫度要比渦輪進口溫度低 200～350攝氏度，所以說葉片冷卻技術對提高渦輪工作溫度功不可沒。

第二，采用新的耐熱材料制造渦輪葉片。一些先進航空發(fā)動機公司已經開始探索用耐熱性能更好的陶瓷等材料制造渦輪葉片。可是如果沒有深厚的科學基礎作保證，高性能的渦輪材料研制也就無從談起。當今有實力研制高性能渦輪的國家都把先進的渦輪盤和渦輪葉片的材料配方和生產工藝當作最高機密，也正是這個小小的渦輪減緩了一些國家成為航空大國的步伐。

普通的碳鋼在800～900℃時強度就大大降低了。但是在其中加入其它一些金屬成分，尤其是鎳、鉻、鎢等，制成耐熱合金，耐高溫水平就可以不斷提高。我國在五十年代剛開始研制航空渦輪發(fā)動機時的耐熱合金的最高水平是800℃，在做了大量研究試驗工作后提高到了900℃。后來幾十年，經過大量試驗、研究，差不多每年都能提高二三十度，現在大約是1200～1300℃，相當于1473～1573K，加上耐熱涂層、氣動冷卻和精密鑄造的應用，我國先進航空渦輪發(fā)動機的渦輪前溫度可以達到1800～1900K,達到了世界先進水平。

第三，通過改進葉片的制造工藝，挖掘現有葉片材料的耐熱潛力。早在航空渦輪發(fā)動機誕生之初，人們就在渦輪的表面涂一層耐燒蝕的表面涂層來延長渦輪葉片的使用壽命。在JT3D渦扇發(fā)動機的渦輪葉片上，普·惠公司就用滲透擴散法在渦輪葉片上"鍍"上一層鋁、硅涂層。這種擴散滲透法與我們日常應用的手工鋼鋸條滲碳工藝有點類似。經過滲透擴散鋁、硅的JT3D一級渦輪葉片其理論工作壽命高達15900小時。

精密鑄造技術也是推動渦輪葉片技術進步的重要手段。比如說單晶體葉片，就是通過精鑄工藝使整個渦輪葉片成為一個單晶體，避免了晶格缺陷，比之傳統工藝的葉片，其高溫強度提高8倍以上。技術難度稍低而性能與單晶葉片接近的是定向凝固葉片，"昆侖"發(fā)動機上就采用了先進的復合氣冷定向凝固無余量精鑄渦輪葉片。該葉片要求一次成型合格，不需要再加工，而且要求厚度非常均勻。這項技術具有世界先進水平，被稱為現代航空渦輪發(fā)動機技術"皇冠上的一顆明珠"，而這顆明珠如今已被中國科研人員牢牢摘得。

要生產出符合要求的先進渦輪葉片，需要許多基礎工業(yè)技術如材料、冶金、機械加工、工藝和檢測等的全面進步。有人甚至說，像中國這樣的大國，集中人力物力可以在短時間內搞出"兩彈一星"，但是由于基礎工業(yè)的薄弱，很難在短時間內研制出一種能批量生產的先進航空渦輪發(fā)動機。因此，"昆侖"的研制成功的確反映了我國以基礎工業(yè)為代表的綜合國力的全面提高。