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那么，什么是航空发动机的涡轮叶片呢？ 一、 航空发动机涡轮叶片的工作原理简述 为了说清涡轮叶片，我们先要说说涡轮这档子事儿。  图1：航空涡扇发动机结构示意图 从图1可知：航空涡扇发动机的基本结构，，以风扇开始，从左往右以次是风扇，向后是低压压气机，接着是发动机的核心机三大件儿——高压压气机、主燃烧室和高压涡轮。再往后，是低压涡轮、加力燃烧室（如果不是战斗机，一般没有加力燃烧室这个部分。例外如黑鸟的J-58发动，属于绝对另类）和尾喷管。我们没有谈及外涵道，也不讨论双转子和三转子发动机等更复杂的结构。因为本系列要讨论的，就是主燃烧室后面的那个高压涡轮上和低压涡轮上的叶片。 涡轮叶片包括两类，一类通常是非转动件，称为导向叶片（或定子/静子叶片），即在涡轮工作过程中不承受离心力。第二类是转动件，称为工作叶片（或转子/动作叶片））。它们的作用也可以从图1看出来。燃气和空气的混合气体从主燃烧室喷出后，高温高压气流就会沿着导向叶片之间的收敛通道流动，并膨胀-增速-降压，形成几百米/秒的高速气流。 在这个过程中，导向叶片的主要作用，就是让气流转向。使得高速气流以设计的适当角度，冲向涡轮的工作叶片，驱动工作叶片高速旋转，并进一步通过涡轮轴带动压气机旋转。 从图1和从上述工作过程可以看出，除了涡轮叶片，航空发动机上还有很多其他叶片，比如风扇叶片、低压压气机和高压压气机叶片等。但这些叶片都是燃烧室之前的叶片，工作温度很低。因此它们也都属于发动机的冷端部件，不是我们这次讨论的内容。 而涡轮叶片则属于热端部件，处于温度最高，应力最复杂、环境最恶劣的部位。 涡轮导向叶片的主要考验在于： 高温工作：要承受700-1100℃以上的高温考验的工作温度。 温场剧变：在发动机启动、停车或加速、减速的每一次循环过程中，都伴随着瞬态温度的急剧变化，承受极大的热应力和热应变。经过多次循环积累，最后导致热疲劳裂纹萌生、扩展或叶身弯曲变形。由于温度场不均匀，在局部高温区，叶身容易被烧伤，少数叶片局部出现鼓包、皱纹乃至裂纹 燃气负荷：MPa级以上的高压燃气冲刷引起的气动负荷和振动应力 杂质腐蚀：燃气杂质使叶片发生腐蚀，叶片表面被氧化、腐蚀、出现斑痕。 而涡轮工作叶片，在承受上述种种考验之外，还要承受高速旋转时相当于自重2000倍的离心力与气动力。在这两种力量的作用下，会产生的巨大拉伸应力和弯曲应力。另外，高压涡轮叶片要比低压涡轮叶片承受更高的工作温度；工作叶片又比导向叶片承受更高的工作温度。因此高压涡轮工作叶片承受的温度是涡轮叶片中最高的，大家可以在后文数据中注意比较。 由于上述种种恶劣环境，都是导致涡轮叶片的失效的不利因素。包括热疲劳在内的低循环疲劳；振动引起的高循环疲劳；高温燃气冲刷热腐蚀和氧化腐蚀；以及外物导致的损伤和变形；高温长时间载荷下的蠕变变形和蠕变应力断裂。这其中，热疲劳和高温蠕变性能又是涡轮转子叶片最重要的失效抗力指标。 叶片的损伤，在表征上，会造成叶面的凹坑、进气边掉块、表层脱落、弯曲变形、叶身进气排气边裂纹、叶身龟裂和折断等。2007年，武直-10的动力——涡轴-9发动机在试验中，就发生了涡轮叶片榫头裂纹现象，当时要求跟飞人员每5个飞行小时从发动机尾喷管用孔探仪对发动机涡轮叶片进行检查。连续不间断的检查了两个多月，直至问题解决，可见叶片裂纹的问题有多么危险。 叶面的变形，会造成叶片与机匣摩擦导致叶片与机匣的双重受损； 叶片的断裂，是上述所有失效损害发展下去的最终归宿。它出现的概率较高，危害也最大。常见的叶片断裂，包括叶身疲劳断裂、叶根或第I榫齿转接R处疲劳断裂，等等（记住R处断裂这个词，后面谈到工艺篇时会讲到）。 可以想象，一个叶片的断裂，往往打坏其他正常的叶片产生更多的断裂，继而像多米诺骨牌那样，导致整个发动机出现严重破损而无法工作。所谓航空发动机的“喷零件”，往往就与叶片断裂有直接关系。 正因为涡轮叶片的工作条件和工作环境是最为恶劣的，因此制造涡轮叶片的难度极高。其所需的高温合金，也被列为航空发动机材料的第一关键，并被誉为航空发动机王冠上的明珠。 这里插一句，直20直升机的动力，也是武直-10替代涡轴-9的下一代动力，涡轴16发动机，由中航工业东安与法国赛峰公司联合研制。涡轴-16的法国型号是阿蒂丹-3，源于TM333涡轴发动机的改型。根据网上的报道，在费用上，双方各承担研制费用的50%。然而，在分工上，东安负责冷端部件，而热端部件都由赛峰负责。如果这个消息属实，那么从兵器迷的角度看，这款发动机的中方工作的含金量就要大打折扣了。然而去年珠海航展上关于“1600千瓦涡轴发动机”的展板，却赫然写着“立足国内成熟材料和技术水平，完全独立自主研制的先进涡轴发动机”。难不成2014年法方将首批发动机交付中方，2年时间中方就已经实现热端部件国产化了？让人看着疑惑，欢迎大家拍砖啊。 书归正传。 一台发动机上，可能有多级高压涡轮和多级低压涡轮，比如大运C-919原型机的航空发动机LEAP-1C的核心机， 有2级高压涡轮和6级低压涡轮。 而LEAP-1C的国产化备胎CJ1000A发动机，则是由2级高压涡轮和7级低压涡轮组成。 每一级涡轮都会有涡轮叶片，因此涡轮叶片的数量也较多。比如涡喷-6发动机上，就有218片涡轮叶片，算是比较多的了。而某中推涡扇发动机的导向器有36片导向叶片，涡轮工作叶片有58片。  有些涡轮工作叶片长得样子很奇怪，比如下图：  这位朋友说，这好像是带了一个帽子啊！ 您说对了，这就是带冠涡轮叶片。叶片带冠是因为，随着发动机性能的提高，空气流量加大，有些涡轮工作叶片又薄而长，因此容易出现振动，引起共振和颤振的危险。因此在展弦比较大的涡轮叶片顶部采用带冠结构，有些还是锯齿冠，可以减少叶片尖部的漏气，提高涡轮工作效率，而且相邻叶片叶冠间产生的摩擦可以吸收振动能量，起到减振的作用。 下面看导向叶片：  图5：二级涡轮导向叶片 导向叶片直径一般不大，而且主要是引导气流转向的，就是个气流通道，也不用高速旋转，因此有的导向叶片，看上去似乎真不像是一个叶片。 既然涡轮叶片的工作环境如此残酷，那么，要用什么材料制造呢？ 著作权归作者所有
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