航空发动机涡轮叶片冷却技术综述

航空发动机涡轮叶片冷却技术综述

时潇男 1 马庆岩 2 范崇洋 3

1 中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，哈尔滨市 150066

2 中国人民解放军31434部队

3 空军航空大学航空作战勤务学院

摘要:航空发动机是飞机的心脏，而涡轮叶片是航空发动机核心部件之一，被誉为“皇冠上的明珠”。本文简单介绍了涡轮叶片冷却技术的重要性及其基本原理，分类列出了目前实际应用中的几种主要的涡轮叶片冷却技术。对相关文献资料进行汇总分析后提出了涡轮叶片冷却技术的发展趋势。

关键词: 航空发动机 涡轮叶片 冷却技术 传热系数

0 引言

1903年12月7日由莱特兄弟设计的“飞行者1号”实现了有动力、载人、持续、稳定和可操纵的重于空气的飞行器的首次升空。开创了航空飞行的新纪元。100多年过去了，航空事业得到了迅猛的发展。作为飞机的“心脏”，航空发动机也同样走过了百年的光辉历程，从最初的活塞式发动机，发展到后来的航空燃气涡轮发动机，再到目前正在研究的新概念、新能源发动机，航空发动机的性能也一直在进步。航空发动机决定着飞机的性能，对国防和国民经济具有重要意^[1]。现今的航空发动机以航空燃气涡轮发动机为主。分为涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、桨扇发动机等。涡轮部件在这些种类的发动机中起着极其重要的作用。

1 航空发动机涡轮叶片冷却的意义

航空发动机涡轮属于热端部件，涡轮叶片的工作环境非常恶劣：叶片工作温度很高，进口燃气温度已达1400 甚至更高，对高温下叶片材料的持久强度、蠕变强度、韧性、抗热疲劳和机械疲劳性能以及抗高温氧化和抗热腐蚀能力提出了更高的要求。

我国早期发展的航空燃气涡轮发动机涡轮叶片并没有采用冷却技术，这也在很大程度上限制了我国航空发动机的技术革新，使得涡轮前温度受限。涡轮叶片冷却技术的出现，在极大程度上解决了航空发动机涡轮叶片材料受限的难题，大大拓宽了航空发动机的技术革新领域，增大了航空发动机的气流冷却能力。理论与实践都已表明，应用新发展的冷却技术取得的发动机性能的提高远大于高温材料的发展速度，已成为提高发动机性能的有效、可行途径之一。先进的冷却设计能够带来巨大的经济和使用效益，主要体现在:①因提高涡轮进口燃气温度而提高了发动机性能;②因允许使用更简单的材料而降低了成本;③因减少金属壁厚度而减轻了重量;④因减小了冷气消耗量而提高了效率;⑤因延长部件寿命进而延长了发动机的使用期限^[2]。由此可见，开展叶片冷却技术的研究具有十分重要的意义。

2 涡轮叶片主要冷却方式

现阶段，航空发动机研究领域在涡轮叶片冷却方式的研究上已经做了不同程度的试验，目前广泛应用于航空发动机涡轮叶片冷却的基本冷却技术主要有冲击冷却、扰流柱冷却、带肋冷却、气膜冷却等。

2.1 冲击冷却

冲击冷却是涡轮叶片常见的冷却方式之一，该方式下的涡轮冷却主要利用了射流的冲击力，冷气通过细小的冲击孔，以很高的速度冲击到叶片内壁面，对内壁面进行有效的冷却，一部分通过气膜孔排出叶片，另一部分通过内流通道，从叶片尾缘排出。冲击冷却下涡轮叶片会因冲击腔内所受湍流强度较大而形成较高的换热系数，使得该法在航空发动机的一些热负荷较大的部位如涡轮叶片的前缘区域中得到了较好的应用，是最能有效加强局部换热系数的冷却方法。

2.2 扰流柱冷却

扰流柱冷却是指在航空发动机涡轮叶片中设置扰流柱来增大气流在涡轮叶片内部的扰动。扰动过程中，能够及时形成尾迹涡，加速涡轮叶片内部各个壁面边界层的分离，进一步提高涡轮叶片的换热效率，使得在巨大的气流进入时涡轮叶片能够及时做到有效对流换热，达到冷却气流的目的。该方法常用于叶片的一些厚度较为薄弱的地带，如叶片尾缘区域。在实现冷却的同时，还能更好地发挥自身的导热和支撑作用^[3]。

2.3 带肋冷却

带肋冷却法的带肋通道习惯分布于航空发动机涡轮叶片的中部区域。通过设置带肋通道，能够规范气流的进入，使得气流在经过肋片之后能够较为迅速地利用肋前肋后的结构形式形成较为复杂的涡流结构。这种涡流结构能够在一定程度上增加带肋通道内壁壁面的换热面积。实现对气流场有效扰动的同时能够在一定程度上迅速破坏掉涡轮流动边界层和热边界的发展，加速涡轮叶片的换热效率，提高冷却效果。

2.4 气膜冷却

气膜冷却是一种广泛采用的有效冷却技术，它通过在高温部件表面开设槽缝或小孔，将冷却介质以横向射流的形式注入到主流中。在主流的压力和摩擦力的作用下，射流弯曲并覆盖于高温部件表面，形成温度较低的冷气膜，从而对高温部件起到隔热和冷却的作用。涡轮叶片采用气膜冷却后，可以提高涡轮进口温度，增加热效率，提高推重比及降低耗油率。上世纪70年代开始气膜冷却逐渐被运用到涡轮叶片上，随着国内外学者对其不断深入的研究，现已成为涡轮叶片外表面的广泛采用的冷却技术

^[4]。

3 涡轮叶片冷却技术的发展趋势

目前国外冷却技术的发展方向是挖掘现有冷却方式的潜力，精细组织冷却气流提高冷却效果;发展新的冷却结构和冷却方式。新型冷却技术包括层板冷却和复合冷却技术。

3.1 层板冷却技术

层板冷却技术是在燃气轮机高温部件的冷却中，为了有效利用冷气，在形成气膜之前增强内部对流换热，即可以通过内部对流冷却、冲击冷却、扰流柱、肋壁等强化换热方式对叶片进行冷却。基于这种理论及全气膜冷却形成了多层壁气膜冷却结构。其基本原理类似于多孔发散冷却。冷气在层板内部许多细小的通道内流过并吸收热量，然后从气膜孔流出^[6]。

3.2 复合冷却技术

复合冷却技术是在涡轮叶片上同时使用多种冷却技术，并考虑它们之间的影响关系。由于其比较复杂，目前国内外在这方面的研究还不是很多。

3.3 冷却叶片设计优化

在发展冷却技术的同时，涡轮冷却叶片的设计优化也非常重要。目前，美国等西方发达国家正在努力发展航空发动机及涡轮冷却叶片的多学科优化技术（MDO），包括优化理论与算法、计算流体力学方法、多学科耦合分析等，取得了很大的进步，出现了多种MDO软件^[7]。

4 结束语

涡轮叶片冷却技术对于航空领域的重要性不言而喻。始终是一项需要不断技术创新和实践的大型研究项目。只有做好技术革新，才能更好地做好涡轮叶片的应用工作，充分提高航空发动机的冷却性能，进而保障飞机的安全、高效行驶。相信涡轮叶片冷却技术的发展必将把人类的航空事业推向一个新的高度。

参考文献

1. 刘大响，陈光.航空发动机：飞机的心脏（第二版）[M].北京：航空工业出版社，2015.

2. 倪萌，朱惠人，裘云，等.航空发动机涡轮叶片冷却技术综述[J]．燃气涡轮技术，2005，18(4):10

3. 赖建和.航空发动机涡轮叶片冷却技术综述[J].新型工业化，2021,11(8):39-40.

4. 戴萍，林枫.燃气轮机叶片气膜冷却研究进展[J].热能动力工程，2009，24(1):6.

5. 江龙平，徐可君，隋育松.涡轮叶片冷却技术的应用和发展[J].海军航空工程学院学报，2021(1):4.

6. 王婧超，李立州，岳珠峰.涡轮叶片MDO实现的进展[J].科学技术与工程，2005，5(007):457-459.