- 轉(zhuǎn)自“兩機(jī)動(dòng)力控制”

功能介紹致力于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)兩機(jī)動(dòng)力領(lǐng)域，包括行業(yè)動(dòng)態(tài)、技術(shù)發(fā)展和工程案例。

導(dǎo)讀：簡(jiǎn)單介紹了渦輪葉片冷卻技術(shù)的基本原理和重要性，在此基礎(chǔ)上對(duì)國(guó)外渦輪葉片冷卻技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了追蹤，對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行匯總分析后提出了渦輪葉片冷卻技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)將渦輪葉片冷卻技術(shù)應(yīng)用于彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了可行性分析。

對(duì)于渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)而言，提高渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟葘?duì)于改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能，如增大發(fā)動(dòng)機(jī)推力，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比都具有極其重要的意義。然而，渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟葏s受渦輪材料的耐熱能力所限制。目前，先進(jìn)航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟纫呀?jīng)達(dá)到1800K~2050K，超出了耐高溫葉片材料可承受的極限溫度，所以必須采用有效的冷卻方式來(lái)降低渦輪葉片的壁面溫度。圖1給出了渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟鹊闹鹉曜兓厔?shì)。

目前，渦輪葉片冷卻技術(shù)普遍應(yīng)用于大型航空渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，而在彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用相對(duì)較少。但隨著國(guó)內(nèi)外導(dǎo)彈的不斷發(fā)展進(jìn)步，要求導(dǎo)彈飛的更高、更快、更遠(yuǎn)，同時(shí)又不能過(guò)多增加發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸和重量，這就對(duì)彈用發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提出了更高的要求，為了滿(mǎn)足導(dǎo)彈這種研制模式的需求，彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)采用渦輪葉片冷卻技術(shù)已成為一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。

1、渦輪葉片冷卻技術(shù)的基本原理

能在高溫、高速、高壓（簡(jiǎn)稱(chēng)“三高”條件下穩(wěn)定工作是現(xiàn)代渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)渦輪性能提出的最基本要求。對(duì)于氣流而言，溫度、速度和壓力是密切相關(guān)的三個(gè)參量，于是“三高”要求最終就體現(xiàn)在盡可能提高渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟壬厦?，而渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟纫簿统闪撕饬堪l(fā)動(dòng)機(jī)性能好壞的一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)。

根據(jù)計(jì)算，渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟让刻岣?5°C，在發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸不變的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)推力約可提高10%?？梢?jiàn)，提高渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟扔泻芨叩膶?shí)用價(jià)值，但由于渦輪葉片材料可承受的溫度有限，這就需要對(duì)渦輪葉片采用冷卻技術(shù)來(lái)提高這一指標(biāo)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻技術(shù)很復(fù)雜，并且各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠(chǎng)采用的技術(shù)各不相同，甚至相同的發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠(chǎng)為各種不同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)使用了不同的冷卻系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要保證系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí),葉片表面最高溫度和溫度梯度與設(shè)計(jì)壽命規(guī)定的最大葉片熱應(yīng)力相適應(yīng)。冷卻工質(zhì)太少會(huì)導(dǎo)致葉片溫度較高，從而降低熱部件工作可靠性，縮短熱部件壽命，但冷卻工質(zhì)太多又會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)性能。因而必須合理設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，以使冷卻用的壓氣機(jī)抽氣量最小，同時(shí)能提高渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟龋_(dá)到最大效益。

目前，國(guó)內(nèi)外廣泛采用的是開(kāi)式冷卻方法，即冷卻空氣從壓氣機(jī)引出，冷卻渦輪后排入渦輪通道與燃?xì)饣旌稀D2為典型的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻供氣系統(tǒng)。該方案比較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)上容易實(shí)現(xiàn)，而且不用額外負(fù)載大量的冷卻氣；缺點(diǎn)是引走了部分經(jīng)過(guò)壓氣機(jī)壓縮的空氣，消耗能量，而且隨著增壓比和飛行速度的增加，冷卻空氣本身溫度增高，冷卻效果變差。對(duì)于不同的冷卻方式，其基本的冷卻原理是冷氣從葉片下部進(jìn)入葉片內(nèi)部，通過(guò)冷卻通道對(duì)葉片的內(nèi)表面進(jìn)行有效的冷卻，然后由葉片上的小孔流出對(duì)葉片外表面進(jìn)行冷卻保護(hù)。

2、國(guó)外研究現(xiàn)狀

由于渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟鹊闹匾?，這一指標(biāo)總是作為發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。20世紀(jì)70年代，渦輪進(jìn)口燃?xì)獾臏囟葹?600K~1700K；90年代末已達(dá)2112K；而本世紀(jì)初將要達(dá)到2300K~2400K；平均每年以15K~20K的速度遞增。然而，高溫合金耐溫程度的發(fā)展速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于這一水平，而且據(jù)估計(jì)，高溫合金的允許工作溫度不會(huì)超過(guò)1500K。

這樣，除了發(fā)展新材料和新結(jié)構(gòu)之外，在不改變目前可用金屬材料的情況下，要保證燃燒室和燃?xì)鉁u輪這兩個(gè)主要的熱端部件可靠地工作并達(dá)到要求的使用壽命，唯一可行的便是采取冷卻和熱防護(hù)措施。事實(shí)證明，冷卻技術(shù)的效果極為顯著，20世紀(jì)60年代，采用冷卻技術(shù)而帶來(lái)的冷卻溫降為60K~100K，70年代中期冷卻溫降為300K,目前冷卻溫降已達(dá)400K~600K;而且隨著冷卻方法的不斷改進(jìn)，冷卻溫降還有可能達(dá)到一個(gè)新的水平。

目前，先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟纫堰_(dá)到了2000K左右，比高壓渦輪葉片金屬材料的熔點(diǎn)高400K，可見(jiàn)冷卻設(shè)計(jì)的重要性和迫切性。

因此，國(guó)外很多航空航天先進(jìn)國(guó)家都在大力研究發(fā)展冷卻技術(shù)，而且先進(jìn)的冷卻設(shè)計(jì)能夠帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和使用效益，主要體現(xiàn)在以下5個(gè)方面：

1.         因提高渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟榷岣吡税l(fā)動(dòng)機(jī)性能；

2.         因允許使用更簡(jiǎn)單的材料而降低了成本；

3.         因減少金屬壁厚度而減輕了重量；

4.         因減小了冷氣消耗量而提高了效率；

5.         因延長(zhǎng)部件壽命進(jìn)而延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用期限。

目前，國(guó)外廣泛用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片冷卻的基本冷卻技術(shù)主要有氣膜冷卻、沖擊冷卻、發(fā)散冷卻、肋壁強(qiáng)化換熱、繞流柱強(qiáng)化換熱等。圖3為常用典型渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)。

3、發(fā)展趨勢(shì)

美國(guó)國(guó)防部開(kāi)展的綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(IHPTET)計(jì)劃制定了詳細(xì)明確的部件級(jí)目標(biāo)。對(duì)于渦輪部件，其研究目標(biāo)是渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟忍岣?00K，冷卻空氣減少60%，質(zhì)量減少50%，單級(jí)載荷增加50%，生產(chǎn)成本和維修成本降低10%。

為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，必須面臨一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。該計(jì)劃提及的三大技術(shù)難題是：在不增加損失和極限載荷的情況下提高級(jí)載荷；在不增加轉(zhuǎn)子質(zhì)量的情況下為提高轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速而設(shè)計(jì)渦輪盤(pán)和葉片附件；在減少冷氣流量的情況下提高燃?xì)膺M(jìn)口溫度的困難。

英國(guó)也相應(yīng)開(kāi)展了“先進(jìn)核心軍用發(fā)動(dòng)機(jī)”（AC-ME）的研究，計(jì)劃把推重比為20定為2020年的目標(biāo)，到那時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟葘⑦_(dá)到2400K。為了解決更高溫度帶來(lái)的一系列問(wèn)題，在提高材料的耐熱性，發(fā)展高性能耐熱合金，并制造單晶葉片的同時(shí)，就要發(fā)展采用更先進(jìn)的冷卻技術(shù)，以少量的冷卻空氣獲得更高的降溫效果。目前國(guó)外冷卻技術(shù)的發(fā)展方向是挖掘現(xiàn)有冷卻方式的潛力，精細(xì)組織冷卻氣流提高冷卻效果；發(fā)展新的冷卻結(jié)構(gòu)和冷卻方式。新型冷卻技術(shù)有層板冷卻和復(fù)合冷卻技術(shù)。

3.1層板冷卻技術(shù)

層板冷卻技術(shù)始于Colladay提出的一個(gè)理論：在燃?xì)廨啓C(jī)高溫部件的冷卻中，為了有效利用冷氣，在形成氣膜之前一定要增強(qiáng)內(nèi)部對(duì)流換熱，即可以通過(guò)內(nèi)部對(duì)流冷卻、沖擊冷卻、擾流柱、肋壁等強(qiáng)化換熱方式對(duì)葉片進(jìn)行冷卻?；谶@種理論及全氣膜冷卻形成了多層壁氣膜冷卻結(jié)構(gòu)。其基本原理類(lèi)似于多孔發(fā)散冷卻。冷氣在層板內(nèi)部許多細(xì)小的通道內(nèi)流過(guò)并吸收熱量，然后從氣膜孔流出。圖4給出了層板冷卻的結(jié)構(gòu)示意圖。

3.2復(fù)合冷卻技術(shù)

復(fù)合冷卻技術(shù)（見(jiàn)圖5)就是在渦輪葉片上同時(shí)使用多種冷卻技術(shù)，但并不是簡(jiǎn)單的組合，因?yàn)椴煌鋮s方式之間會(huì)產(chǎn)生相互的影響，比如冷卻氣流經(jīng)過(guò)肋的擾動(dòng)形成的二次流會(huì)對(duì)氣膜孔的出流產(chǎn)生—定的影響。因此，復(fù)合冷卻的研究相對(duì)比較復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)外在這方面的研究還不是很多。

3.3冷卻葉片設(shè)計(jì)優(yōu)化

在發(fā)展冷卻技術(shù)的同時(shí)，渦輪冷卻葉片的設(shè)計(jì)優(yōu)化也非常重要。目前，美國(guó)等西方發(fā)達(dá)國(guó)家正在努力發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)及渦輪冷卻葉片的多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)（MDO)，包括優(yōu)化理論與算法、計(jì)算流體力學(xué)方法、多學(xué)科耦合分析等，取得了很大的進(jìn)步，出現(xiàn)了多種MDO軟件。

4、關(guān)鍵技術(shù)

渦輪冷卻技術(shù)的研究在國(guó)外已經(jīng)有60多年的發(fā)展歷史，到現(xiàn)在已經(jīng)取得了顯著的成果，總結(jié)出了一些渦輪冷卻設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)和方法。但是由于渦輪冷卻技術(shù)具有多學(xué)科的復(fù)雜性，至今并不算十分完善，還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決，以進(jìn)一步提高渦輪冷卻的效率。

在后續(xù)渦輪冷卻技術(shù)的研究中如下關(guān)鍵技術(shù)和研究方向有待關(guān)注：

1.         研究合理的渦輪冷卻葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。選擇合理的冷卻結(jié)構(gòu)，降低冷卻結(jié)構(gòu)對(duì)葉片強(qiáng)度、氣流流動(dòng)的影響;

2.         設(shè)計(jì)有效的渦輪葉片冷卻系統(tǒng)，必須充分了解渦輪內(nèi)部詳細(xì)的燃?xì)饬鲃?dòng)特性，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)葉片的冷卻效果和熱分布，防止出現(xiàn)局部熱斑；

3.         完善冷卻系統(tǒng)和向流通通道放氣的方法。目的是減小所需的冷卻空氣流量和所用的能量，以及附加損失；

4.         減少冷卻系統(tǒng)的空氣泄流（采用的方法有密封冷卻系統(tǒng)，應(yīng)用渦輪導(dǎo)向器裝置等），以及發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低負(fù)荷時(shí)，關(guān)閉冷卻系統(tǒng)；

5.         研究冷卻結(jié)構(gòu)和工藝方法，以提高渦輪冷卻效率。如在葉片上涂隔熱涂層、冷卻氣路設(shè)計(jì)等。

5、結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)國(guó)外的渦輪葉片冷卻技術(shù)發(fā)展及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究，認(rèn)為采用渦輪葉片冷卻技術(shù)能夠大幅度提高渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，并且具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，國(guó)外先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)基本均已采用此項(xiàng)技術(shù)。對(duì)于彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)而言，隨著導(dǎo)彈的不斷發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求越來(lái)越高，采用渦輪葉片冷卻技術(shù)將是一個(gè)必然的發(fā)展趨勢(shì)。

圖6 渦輪葉片的發(fā)展歷程

因此，加大研究力度，注重吸取國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)理論研究和試驗(yàn)相結(jié)合。相信渦輪葉片冷卻技術(shù)的發(fā)展必將把彈用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)推向一個(gè)新的高度。