航空發動機渦輪葉片冷卻技術綜述

賴建和

（中國航發西安航空發動機有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

航空發動機是飛機中極為重要的零部件之一，其可以為飛機的爬升以及飛行提供充足的動力。在最初時，飛機中所使用的航空發動機是活塞式發動機。但此類發動機不僅僅具有較大的重量，并且其在輸出動力方面也具有較大的欠缺。因此，活塞式發動機最終無法滿足飛機所需的動力[1]。為了更好的滿足飛機所需的推力，工程師還陸續推出了水冷式發動機以及氣冷式發動機等。雖然上述航空發動機可以實現飛機的升空及飛行，但由于其輸出功率較低，因此仍無法實現飛機的快速飛行。隨著科技的快速發展，工程師逐步發明出了渦輪式航空發動機。此類發動機主要由渦輪葉片的快速轉動從而實現對空氣的壓縮，進而有效提升內燃機對燃料的燃燒效率。

1 航空發動機渦輪葉片冷卻的意義

渦葉冷卻技術當前已經在航天發動機冷卻技術領域得到了較好的應用。實踐證明渦輪葉片冷卻技術在航空發動機冷卻過程中起著尤為重要的作用，在同等條件下采用渦輪葉片冷卻技術能夠更好地提高航空發動機的冷卻效果，保障航空發動機的正常運行，確保航天飛機的安全運行。現階段，為了更好地深入該項冷卻技術的研究，我國就航空發動機渦輪葉片冷卻技術做了相關的冷卻效果檢驗，以此來驗證該項技術的可行性。我國航天領域早期擁有的發動機渦輪葉片并沒有采用冷卻技術，這也在很大程度上限制了我國航天發動機的技術革新，使得渦輪葉片溫度受限。至今，渦輪葉片冷卻技術的出現，在極大程度上解決了過去存在于航空發動機渦輪葉片材料受限的難題，大大拓寬了航天發動機的技術革新領域，并增大了航空發動機的氣流冷卻能力[2]。與此同時，現有的航空渦輪葉片冷卻技術有多種，且不同的渦輪葉片冷卻技術有著不同的冷卻效果，可以被應用于發動機不同的渦輪葉片構件中，結合各個發動機部位性能的不同可以適當選擇合適的渦輪葉片冷卻技術，以此來達到發動機的高效冷卻目的。

2 渦輪葉片主要冷卻方式

關于航空發動機渦輪葉片主要冷卻方式的研究很有現實意義，在實際研究過程中技術人員會根據發動機的不同發展階段渦輪進口溫度的變化，采用不同種類的渦輪冷卻方式，以此來提高航空發動機渦輪葉片的有效運轉。現階段，航空發動機研究領域在渦輪葉片冷卻方式的研究上已經做了不同程度的試驗，并將渦輪葉片冷卻方式主要劃分為以下幾種，分別為：沖擊冷卻、擾流柱冷卻、帶肋冷卻、氣模冷卻、雙層壁冷卻等。

2.1 沖擊冷卻

沖擊冷卻是渦輪葉片常見的冷卻方式之一，該方式下的渦輪冷卻主要利用了射流的沖擊力，當射流在渦輪沖擊點及附近的邊界層形成沖擊后，就會形成較強的冷卻力度。需要注意的是沖擊冷卻下渦輪葉片會因沖擊腔內所受湍流強度較大而形成較高的換熱系數[3]。單孔沖擊射流冷卻法在渦輪沖擊冷卻中應用的范圍較為廣泛，當氣流從單孔中噴射而出，緊接著就會樁基到待冷卻的靶面上，以此來形成壁面的冷卻。基于沖擊冷卻法下渦輪葉片在承受巨大的射流沖擊的過程中將會更好地實現氣流冷卻效果，使得該法在航空發動機的一些熱負荷較大的部位中得到了較好的應用。現階段，沖擊冷卻主要應用與航空發動機渦輪葉片的前緣區域。

2.2 擾流柱冷卻

擾流柱冷卻方案強調在航空發動機渦輪葉片中設置擾流柱，而擾流柱的設置意在在原有渦輪葉片設計的基礎上通過增加擾流柱來增大氣流在渦輪葉片內部的擾動。擾動過程中，能夠及時形成尾跡渦，加速渦輪葉片內部各個壁面邊界層的分離，進一步提高渦輪葉片的換熱效率，使得在巨大的氣流進入時渦輪葉片能夠及時做到有效對流換熱，達到冷卻氣流的目的。基于擾流柱冷卻法的特殊性，在設置擾流柱時需要盡量選擇渦輪葉片的一些厚度較為薄弱的地帶，如葉片尾緣區域。在實現冷卻的同時，還能更好地發揮自身的導熱和支撐作用。

2.3 帶肋冷卻

同上述兩個冷卻方案的具體布置方式有所不同，帶肋冷卻法下的帶肋通道習慣分部于航空發動機渦輪葉片的中部區域。通過設置帶肋通道，能夠規范氣流的進入，使得氣流在經過肋片之后能夠較為迅速地利用肋前肋后的形式形成較為復雜的渦流結構。這種渦流結構能夠在一定程度上增加帶肋通道內壁壁面的換熱面積。實現對氣流場有效擾動的同時，能夠在一定程度上迅速破壞掉渦輪流動邊界層和熱邊界的發展，加速渦輪葉片的換熱效率，提高冷卻效果。

2.4 氣膜冷卻

氣膜冷卻屬于一種外部渦輪葉片冷卻方式，同其他部件相比，氣膜冷卻下的結構相對比較簡單，很好實現，且在冷卻過程中有著較高的冷卻效率。在實際冷卻工作中，氣膜冷卻的葉片上設計由較多不同形狀的氣膜孔，這些孔位的存在能夠較好地幫助氣膜內部形成氣流引流，將一些氣流引到渦輪葉片的外部，這種情況下能夠避免外界高溫對其造成的不良侵蝕，在一定程度上實現良好的隔熱和氣流冷卻。

2.5 雙層壁冷卻

同其他航空發動機渦輪葉片冷卻技術有所不同，雙層壁冷卻技術重要采用的是一種復合冷卻的方式。復合冷卻方式主要應用兩種冷卻方式，沖擊冷卻和內外部冷卻。這種情況下，可以強化復合冷卻的換熱方式，如當冷氣來臨時，可以通過內壁面的沖擊孔朝著外壁內側射流沖擊，而后可以從外表面的那些氣膜孔中流出，由此形成冷卻氣膜覆蓋。此法下，能夠在極大程度上增大冷卻效率。

3 冷卻方式具體應用

就目前而言，我國航空技術研究領域已經獲得了較好的技術創新研究成果，關于航空發動機渦輪葉片冷卻方式的技術研究已經較為成熟，且已經充分被應用到了航空發動機的各個組成部位中。如下所述，冷卻方式的具體應用主要在導向葉片和轉子葉片中。

3.1 導向葉片

渦輪葉片冷卻方式當前已經在航空打洞機高壓渦輪導向葉片中得到了較高的應用。相應的，該技術在導向葉片中的應用更是證實了渦輪葉片冷卻技術的有效性，后續研究發現航空發動機高壓渦輪導向葉片在完成渦輪葉片冷卻過程中主要采用的冷卻方式是組合冷卻方式，分別應用了擾流柱冷卻、氣膜冷卻、沖擊冷卻，兩兩組合，更好地實現了發動機的高效冷卻[4]。

3.2 轉子葉片

轉子葉片中也應用了渦輪葉片冷卻方式。針對渦輪葉片不同冷卻方式的不同特點，轉子葉片也是根據各個部分的性能不同采用了不同的冷卻方式。轉子葉片前緣部分當前主要應用了沖擊冷卻方式，沖擊冷卻方式下形成的巨大的沖擊氣流能夠提高轉子葉片前緣部分的換熱能力。其次，轉子葉片中間的部分主要利用了擾流肋的通道冷卻法，基于擾流、帶肋冷卻法下會在轉子葉片中間形成一個形似蛇形的一個通道，更加適宜轉子葉片的中間部分的氣流冷卻。而后，針對轉子葉片尾部的二點，則主要利用了劈縫結構冷卻法[5]。

4 結語

綜上所述，飛機的飛行離不開發動機，可以說發動機是飛機的“心臟”，因而關于航天發動機的研究是一個較大的研究工程，且深受國際各界的關注。渦輪葉片作為航空發動機組成部件的重要組成部分，更是決定著航空發動機的受熱程度和機械荷載程度。在本文的研究中闡述了航空發動機渦輪葉片冷卻的相關技術，并就相關冷卻技術的分類展開了敘述，而關于該項技術的研究于航空研究領域而言始終是一項需要不斷技術創新和實踐的大型研究項目。只有做好技術革新，才能更好地做好渦輪葉片的應用工作，充分提高航空發動機的冷卻性能，進而保障飛機的安全、高效行駛。