渦輪

經(jīng)過了這么多"熱身"，高溫高壓氣流終于可以大顯身手，進(jìn)入渦輪做功了。不過，在"工作"之前。先要排好隊--在燃燒室中產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)馐紫纫?jīng)過一道燃?xì)鈱?dǎo)向葉片，高溫高壓燃?xì)庠诮?jīng)過燃?xì)鈱?dǎo)向葉片時會被整流并通過在收斂管道中將部分壓力能轉(zhuǎn)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(jī)"這個稱呼上，就可以看出渦輪在發(fā)動機(jī)里的重要性。渦輪實際上是一個"風(fēng)車"，在燃燒室來流的沖擊下轉(zhuǎn)動。渦輪的作用就是將一部分高溫高壓燃?xì)獾哪芰客ㄟ^傳動軸傳遞給前面的壓氣機(jī)，使其能夠正常工作。在渦扇/渦槳發(fā)動機(jī)中，渦輪還要驅(qū)動風(fēng)扇和螺旋槳葉片。渦輪是航空渦輪發(fā)動機(jī)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(xiàn)代航空渦輪發(fā)動機(jī)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(zhuǎn)時由于其本身的重量，會受到相當(dāng)大的離心力，大到渦輪全速旋轉(zhuǎn)時其離心力相當(dāng)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(xiàn)代航空渦輪發(fā)動機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度最高達(dá)到1800K甚至2000K（約1727攝氏度，超過大多數(shù)金屬材料的熔點）；渦輪進(jìn)口氣壓高達(dá)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(xiàn)代航空渦輪發(fā)動機(jī)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(guān)的三個參量，于是，"三高"要求最終就體現(xiàn)在盡可能提高渦輪進(jìn)口溫度上面了，而渦輪進(jìn)口溫度也就成了衡量發(fā)動機(jī)性能好壞的一個關(guān)鍵性指標(biāo)。矛盾恰好也在這里，渦輪進(jìn)口溫度提高使發(fā)動機(jī)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(qiáng)制冷卻。發(fā)動機(jī)設(shè)計人員在渦輪葉片上設(shè)計了很多細(xì)小的管道，高壓冷空氣通過這些管道流經(jīng)高溫葉片，起到強(qiáng)制冷卻作用，這就是"空心氣冷葉片"。最早的渦扇發(fā)動機(jī)--英國羅·羅公司的"康維"發(fā)動機(jī)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?xì)鈱?dǎo)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(qiáng)的對流冷卻，即用一股或多股高速冷卻氣流強(qiáng)行噴射在要求被冷卻的表面。沖擊冷卻一般用在燃?xì)鈱?dǎo)向葉片和渦輪葉片的前緣上，由空心葉片的內(nèi)部向葉片的前緣噴射冷卻氣體以強(qiáng)行降溫。沖擊冷卻后的氣體會從燃?xì)鈱?dǎo)向葉片和渦輪葉片前緣的孔隙中流出，被燃?xì)鈳釉谌~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(dǎo)致應(yīng)力集中，對葉片的壽命產(chǎn)生負(fù)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?xì)鈱?dǎo)向葉片和渦輪葉片上使用更科學(xué)合理的冷卻方法，可能要比開發(fā)更先進(jìn)的耐高溫合金更實際一些。因為采用空心冷卻技術(shù)要比開發(fā)新合金投資少、見效快。現(xiàn)在渦輪進(jìn)口溫度的提升其一半的功勞要?dú)w功于冷卻技術(shù)的提高。由于采用冷卻技術(shù)，目前各渦輪葉片實際所承受的溫度要比渦輪進(jìn)口溫度低 200～350攝氏度，所以說葉片冷卻技術(shù)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(jìn)航空發(fā)動機(jī)公司已經(jīng)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(xué)基礎(chǔ)作保證，高性能的渦輪材料研制也就無從談起。當(dāng)今有實力研制高性能渦輪的國家都把先進(jìn)的渦輪盤和渦輪葉片的材料配方和生產(chǎn)工藝當(dāng)作最高機(jī)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(qiáng)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(jī)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(jīng)過大量試驗、研究，差不多每年都能提高二三十度，現(xiàn)在大約是1200～1300℃，相當(dāng)于1473～1573K，加上耐熱涂層、氣動冷卻和精密鑄造的應(yīng)用，我國先進(jìn)航空渦輪發(fā)動機(jī)的渦輪前溫度可以達(dá)到1800～1900K,達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

第三，通過改進(jìn)葉片的制造工藝，挖掘現(xiàn)有葉片材料的耐熱潛力。早在航空渦輪發(fā)動機(jī)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(jī)的渦輪葉片上，普·惠公司就用滲透擴(kuò)散法在渦輪葉片上"鍍"上一層鋁、硅涂層。這種擴(kuò)散滲透法與我們?nèi)粘?yīng)用的手工鋼鋸條滲碳工藝有點類似。經(jīng)過滲透擴(kuò)散鋁、硅的JT3D一級渦輪葉片其理論工作壽命高達(dá)15900小時。

精密鑄造技術(shù)也是推動渦輪葉片技術(shù)進(jìn)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(tǒng)工藝的葉片，其高溫強(qiáng)度提高8倍以上。技術(shù)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(jī)上就采用了先進(jìn)的復(fù)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(shù)具有世界先進(jìn)水平，被稱為現(xiàn)代航空渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)"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(chǎn)出符合要求的先進(jìn)渦輪葉片，需要許多基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)如材料、冶金、機(jī)械加工、工藝和檢測等的全面進(jìn)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(nèi)搞出"兩彈一星"，但是由于基礎(chǔ)工業(yè)的薄弱，很難在短時間內(nèi)研制出一種能批量生產(chǎn)的先進(jìn)航空渦輪發(fā)動機(jī)。因此，"昆侖"的研制成功的確反映了我國以基礎(chǔ)工業(yè)為代表的綜合國力的全面提高。