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航空发动机涡轮叶片综述
摘 要：涡轮叶片是航空发动机最主要的部件之一，是高温、高负荷、结构复杂的典型热端构件。为了提高涡轮叶片的质量、寿命、耐热性等综合性能，在涡轮叶片设计时常采用比强度高的新材
图 2 气体作用在涡轮上的力
工作轮相对于发动机只有旋转运动没有轴向运动，因此气体只有切向分力
p 对涡轮工作轮作功，而轴向分力
p 不作功。
u
a
在工作轮进口处，单位质量气体对工作轮转轴的动量矩为
c r
1
。
1u
在工作轮出口处，单位质量气体对工作轮转轴的动量矩为
-c 2ur 2。
出口处的动量矩为负值， 因为气流在出口处的切线分速度的方向与进口处相
反。
单位质量气体流经工作轮所作的功为
(3)
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公式 (3) 与(2) 是分别从动量方程和能量方程二个不同的角度推导出来的。 与讨论压气机时一样，可以证明二者完全相等。
这两个公式不仅可以用来计算气体对涡轮基元级所作的功， 而且可以帮助分析如何进一步提高涡轮的功率。
但是在作涡轮实验时， 并不是通过这两个公式来计算涡轮功， 这是因为涡轮进出口气流的流速很难准确测量， 而且流速沿叶高方向变化很大。 因此在实验时往往用以下两种方法中的一种来测量涡轮功：
①通过测量涡轮轴的扭矩和转速来计算涡轮功；
* *
②通过测量涡轮进出口气流的总温 T1 和 T2 ，然后通过下列公式计算涡轮
功：
用上式计算涡轮功，无论涡轮工作效率高低，其结果总是正确的。
三、 提高涡轮叶片耐热性能的途径
第一，强制冷却。发动机设计人员在涡轮叶片上设计了很多细小的管道， 高压冷空气通过这些管道流经高温叶片， 起到强制冷却作用， 这就是 “空心气冷叶片”。最早的涡扇发动机——英国罗·罗公司的“康维”发动机就使用了空心气
冷叶片。除了在燃烧室中使用的气膜冷却之外， 在涡轮的燃气导向叶片和涡轮叶片上大多还使用了对流冷却和空气冲击冷却。 对流冷却就是在空心叶片中不停地有冷却气流流动，以带走叶片上的热量。空气冲击冷却（也叫气膜冷却）实际上是一种被加强的对流冷却， 即用一股或多股高速冷却气流强行喷射在要求被冷却的表面。冲击冷却一般用在燃气导向叶片和涡轮叶片的前缘上， 由空心叶片的内部向叶片的前缘喷射冷却气体以强行降温。 冲击冷却后的气体会从燃气导向叶片和涡轮叶片前缘的孔隙中流出， 被燃气带动在叶片的表面形成冷却气膜。 但是开在叶片前缘的冷却气流孔隙会使叶片更加难以制造， 而且这些孔隙还会导致应力集中，对叶片的寿命产生负面影响。 可是由于气膜冷却要比对流冷却的效果好的多，所以人们还是不惜代价地在叶片上采用气膜冷却。
从某种意义上来说，在燃气导向叶片和涡轮叶片上使用更科学合理的冷却方法，可能要比开发更先进的耐高温合金更实际一些。 因为采用空心冷却技术要比开发新合金投资少、 见效快。现在涡轮进口温度的提升其一半的功劳要归功于冷却技术的提高。由于采用冷却技术， 目前各涡轮叶片实际所承受的温度要比涡轮进口温度低 200～350 摄氏度，所以说叶片冷却技术对提高涡轮工作温度功不可没。
第二，采用新的耐热材料制造涡轮叶片。 一些先进航空发动机公司已经开始探索用耐热性能更好的陶瓷等材料制造涡轮叶片。 可是如果没有深厚的科学基础作保证，高性能的涡轮材料研制也就无从谈起。 当今有实力研制高性能涡轮的国
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家都把先进的涡***和涡轮叶片的材料配方和生产工艺当作最高机密， 也正是这个小小的涡轮减缓了一些国家成为航空大国的步伐。
普通的碳钢在 800～ 900℃时强度就大大降低了。但是在其中加入其它一些金属成分，尤其是镍、铬、钨等，制成耐热合金，耐高温水平就可以不断提高。我国
在五十年代刚开始研制航空涡轮发动机时的耐热合金的最高水平是 800℃，在做
了大量研究试验工作后提高到了 900℃。后来几十年，经过大量试验、研究，差
不多每年都能提高二三十度，现在大约是 1200～1300℃，相当于 1473～ 1573K，
加上耐热涂层、 气动冷却和精密铸造的应用， 我国先进航空涡轮发动机的涡轮前
温度可以达到 1800～1900K,达到了世界先进水平。
第三，通过改进叶片的制造工艺，挖掘现有叶片材料的耐热潜力。 早在航空涡轮发