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航空发动机涡轮叶片

/aero-engine turbine blade/
条目作者杨雨超

杨雨超

最后更新 2023-01-13
浏览 196
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航空发动机涡轮通道中燃气流能量进行转换的翼型构件。

英文名称
aero-engine turbine blade
所属学科
航空宇航科学与技术

包含静子叶片(导向叶片)及转子叶片(工作叶片)。为提高涡轮性能,航空发动机涡轮叶片气动设计由简单的直叶片发展为扭叶片、弯叶片及复合弯扭叶片。早期涡轮前燃气温度较低,采用等轴晶高温合金精密锻造就能满足要求,随着涡轮前燃气温度提高,需采用耐温能力更高的高温合金材料,如柱状晶高温合金、单晶高温合金等。材料耐温能力的提升速度无法满足燃气温度提高的要求(图1),需采用冷却技术提升叶片耐温能力。航空发动机涡轮叶片冷却主要包括内腔对流冷却、叶片表面气膜冷却及叶片表面涂覆热障涂层等。随着新的材料及冷却方式的应用,涡轮叶片制造工艺由早期的精密锻造发展为熔模精密铸造,并采用电火花、电液束、激光等工艺加工气膜孔,采用等离子喷涂、气相沉积等工艺涂覆热障涂层。

图1 航空发动机涡轮叶片冷却发展示意图a 涡轮前燃气温度与金属耐温能力  b 冷却结构图1 航空发动机涡轮叶片冷却发展示意图

涡轮静子叶片由叶身、缘板及安装边组成,安装边一般通过销钉或螺栓与涡轮机匣连接。转子叶片由叶身、缘板、伸根及榫头组成,为提高气动性能或降低叶片的振动,还可以采用叶冠结构(图2)。转子叶片通过榫头安装在涡轮盘上,一般采用枞树型榫连接,特殊情况可采用焊接结构,小尺寸涡轮也可采用整体叶盘结构。

图2 涡轮叶片结构示意图a 静子叶片 b 转子叶片图2 涡轮叶片结构示意图

高温、高压燃气流过静子叶片通道膨胀,压力降低,速度提高;燃气流过转子叶片通道,在转子叶片叶盆及叶背侧产生压差,推动涡轮转子高速旋转产生机械功。涡轮叶片进口燃气温度代表了涡轮叶片综合设计水平,先进发动机涡轮静子叶片进口燃气温度达到2000K以上,涡轮转子叶片进口燃气温度达到1800K以上。

航空发动机涡轮叶片设计向着多学科综合优化设计方向发展。涡轮叶片气动设计需考虑过渡过程、主流与空气系统耦合、叶片内外流耦合、非定常影响等。涡轮叶片材料向着比强度更高、耐温能力更高的新一代单晶材料、复合材料发展;涡轮叶片冷却向双层壁结构、发散冷却、层板冷却等发展。

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