渦軸發(fā)動機渦輪葉片冷卻技術(shù)

■ 李洋 陳競煒 曾飛 賀宜紅 陳文彬 / 中國航發(fā)動研所

渦軸發(fā)動機功重比的提高要求渦軸發(fā)動機的渦輪前溫度隨之升高，傳統(tǒng)的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計將難以滿足需求。因此，基于渦軸發(fā)動機渦輪葉片的尺寸小、轉(zhuǎn)速高、中等熱力循環(huán)參數(shù)等特點發(fā)展新型高效的冷卻方式，將是未來渦軸發(fā)動機渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要方向。

渦軸發(fā)動機是以輸出軸功率為主的航空燃氣渦輪發(fā)動機，具有結(jié)構(gòu)緊湊、單位體積功率高、轉(zhuǎn)速高、振動小等典型特征。渦輪是渦軸發(fā)動機的主要部件之一，燃氣在渦輪中膨脹產(chǎn)生機械功帶動壓氣機、直升機旋翼及附件傳動系統(tǒng)。渦輪葉片的工作環(huán)境最為惡劣、應(yīng)力最為復(fù)雜，是確保發(fā)動機在全生命周期內(nèi)正常運行的關(guān)鍵部件。采用冷卻技術(shù)以保證渦輪葉片在高熱負荷環(huán)境下的可靠工作，一方面提高了渦輪前進口溫度水平進而提升發(fā)動機性能，但另一方面大量空氣用于冷卻也導(dǎo)致了總體性能的降低。因此，采用高效冷卻技術(shù)，以最少的冷氣量滿足渦輪葉片的冷卻需求，是發(fā)展高性能渦軸發(fā)動機的支撐技術(shù)之一。

導(dǎo)向葉片冷卻結(jié)構(gòu)剖面

基于沖擊套管的導(dǎo)向葉片

渦軸發(fā)動機渦輪葉片冷卻技術(shù)特點

一般情況下，渦軸發(fā)動機的壓氣機進口流量較小，綜合考慮其燃油經(jīng)濟性、發(fā)動機成本、長壽命等方面的需求，渦輪前進口溫度水平相比于同時代的先進渦扇發(fā)動機往往低100 ～300K，通常在1500 ～1800K的范圍內(nèi)。由于渦軸發(fā)動機渦輪葉片具有尺寸小、轉(zhuǎn)速高、中等熱力循環(huán)參數(shù)等特點，其葉片冷卻技術(shù)主要采用工藝性較好的簡單結(jié)構(gòu)組合冷卻技術(shù)方案。

導(dǎo)向葉片冷卻技術(shù)特點

渦軸發(fā)動機常用小展弦比導(dǎo)向葉片設(shè)計，其冷卻構(gòu)型主要采用基于沖擊套管的沖擊冷卻方式。在渦輪前進口溫度為1500K量級的導(dǎo)向葉片中，一般采用單腔沖擊冷卻加擾流柱強化換熱技術(shù)方案，葉身無氣膜冷卻設(shè)計，冷氣主要從尾緣劈縫排出。進口溫度水平提高至1600 ～1700K時，導(dǎo)向葉片的熱負荷進一步提升，一般采用兩腔沖擊冷卻技術(shù)方案，確保葉片前緣供氣的獨立性。葉身采用局部氣膜冷卻設(shè)計，尤其是葉片前緣采用噴淋式氣膜冷卻設(shè)計。葉片端壁采用內(nèi)側(cè)（即冷氣側(cè)）沖擊冷卻方式。在1800K量級的導(dǎo)向葉片冷卻設(shè)計中，在內(nèi)部兩腔沖擊冷卻的基礎(chǔ)上，氣膜冷卻進一步強化，葉身氣孔可達10 ～15排，端壁也采用離散式氣膜冷卻設(shè)計。

工作葉片冷卻技術(shù)特點

渦軸發(fā)動機渦輪工作葉片尺寸小、轉(zhuǎn)速高的特點尤為明顯，其冷卻主要采用大壁厚、小內(nèi)腔的設(shè)計思路。在高轉(zhuǎn)速的影響下，工作葉片內(nèi)部冷氣受到旋轉(zhuǎn)泵壓的影響非常明顯，在高半徑區(qū)的冷氣出流孔設(shè)計中需考慮冷氣節(jié)流設(shè)計。在渦輪前進口溫度為1600K量級時，工作葉片采用簡單的多腔回流肋化通道冷卻技術(shù)方案，冷氣從尾緣劈縫及葉尖出流孔中排出。進口溫度提升至1700 ～1800K時，工作葉片的前緣采用獨立供氣的沖擊加氣膜冷卻技術(shù)方案，中部及尾緣采用多腔回流柱肋組合冷卻技術(shù)方案。除葉片前緣外，葉盆側(cè)也引入局部氣膜以改善局部的高溫區(qū)。

渦軸發(fā)動機渦輪葉片冷卻技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著渦軸發(fā)動機功率質(zhì)量比的提高，發(fā)動機的壓氣機增壓比提高至20以上，渦輪前進口溫度提升至1800 ～1900K之間。冷氣溫度的升高及主流燃氣熱負荷的提升導(dǎo)致了渦輪葉片冷卻設(shè)計更具挑戰(zhàn)性?；诔Ｒ?guī)冷卻結(jié)構(gòu)的渦輪葉片冷卻效果特性曲線在大冷氣量下進入增長的平緩期，冷氣量的提升對冷卻效果的增幅影響有限，因此，在全葉身氣膜冷卻的基礎(chǔ)上需進一步采用熱障涂層進行熱防護設(shè)計。在高循環(huán)參數(shù)的需求下，渦軸發(fā)動機渦輪葉片冷卻技術(shù)主要從以下幾個方面發(fā)展和突破。

一是采用高效冷卻與低損失復(fù)合冷卻技術(shù)。渦輪葉片的常規(guī)冷卻設(shè)計朝著精細化發(fā)展，工作葉片的沖擊冷卻技術(shù)、低損失異形擾流柱技術(shù)、收縮-擴張尾緣劈縫冷卻技術(shù)、異形氣膜孔技術(shù)等均是實現(xiàn)葉片冷效進一步提高的有效手段。

二是熱障涂層與氣膜耦合熱防護技術(shù)。熱障涂層與氣膜冷卻的耦合冷卻技術(shù)是應(yīng)對渦輪進口溫度升高的關(guān)鍵手段。其中，熱障涂層與氣膜冷卻的耦合設(shè)計及分析方法、熱障涂層局部剝落與燒蝕的預(yù)估模型、熱障涂層的隔熱性能與壽命預(yù)測等是亟須攻關(guān)的重點方向。

三是高熱負荷渦輪葉片端壁及葉尖熱防護技術(shù)。渦輪葉片的端壁及葉尖的熱防護手段較為受限，且試驗驗證難度大。葉片端壁的陣列式氣膜冷卻設(shè)計技術(shù)、葉片端壁低裕度周向封嚴(yán)技術(shù)、考慮旋轉(zhuǎn)因素的葉尖傳熱特性、低泄漏的葉尖結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)等方面是當(dāng)下亟需解決的難題。

結(jié)束語

渦軸發(fā)動機的渦輪葉片具有尺寸小、轉(zhuǎn)速高的特點，導(dǎo)向葉片主要采用基于沖擊套管的沖擊冷卻方式，工作葉片主要采用大壁厚、小內(nèi)腔的設(shè)計思路，均采用工藝性較好的簡單結(jié)構(gòu)組合冷卻技術(shù)方案。隨著渦輪前溫度進一步提高，葉片冷卻技術(shù)主要在高效冷卻與低損失復(fù)合冷卻技術(shù)、熱障涂層與氣膜耦合熱防護技術(shù)、高熱負荷渦輪葉片端壁及葉尖熱防護技術(shù)等方面進行突破以滿足葉片的熱防護需求。