那么，什么是航空發(fā)動機的渦輪葉片呢？

一、 航空發(fā)動機渦輪葉片的工作原理簡述

為了說清渦輪葉片，我們先要說說渦輪這檔子事兒。

圖1：航空渦扇發(fā)動機結構示意圖

從圖1可知：航空渦扇發(fā)動機的基本結構，，以風扇開始，從左往右以次是風扇，向后是低壓壓氣機，接著是發(fā)動機的核心機三大件兒——高壓壓氣機、主燃燒室和高壓渦輪。再往后，是低壓渦輪、加力燃燒室（如果不是戰(zhàn)斗機，一般沒有加力燃燒室這個部分。例外如黑鳥的J-58發(fā)動，屬于絕對另類）和尾噴管。我們沒有談及外涵道，也不討論雙轉子和三轉子發(fā)動機等更復雜的結構。因為本系列要討論的，就是主燃燒室后面的那個高壓渦輪上和低壓渦輪上的葉片。

渦輪葉片包括兩類，一類通常是非轉動件，稱為導向葉片（或定子/靜子葉片），即在渦輪工作過程中不承受離心力。第二類是轉動件，稱為工作葉片（或轉子/動作葉片））。它們的作用也可以從圖1看出來。燃氣和空氣的混合氣體從主燃燒室噴出后，高溫高壓氣流就會沿著導向葉片之間的收斂通道流動，并膨脹-增速-降壓，形成幾百米/秒的高速氣流。

在這個過程中，導向葉片的主要作用，就是讓氣流轉向。使得高速氣流以設計的適當角度，沖向渦輪的工作葉片，驅動工作葉片高速旋轉，并進一步通過渦輪軸帶動壓氣機旋轉。

從圖1和從上述工作過程可以看出，除了渦輪葉片，航空發(fā)動機上還有很多其他葉片，比如風扇葉片、低壓壓氣機和高壓壓氣機葉片等。但這些葉片都是燃燒室之前的葉片，工作溫度很低。因此它們也都屬于發(fā)動機的冷端部件，不是我們這次討論的內容。

而渦輪葉片則屬于熱端部件，處于溫度最高，應力最復雜、環(huán)境最惡劣的部位。

渦輪導向葉片的主要考驗在于：

高溫工作：要承受700-1100℃以上的高溫考驗的工作溫度。

溫場劇變：在發(fā)動機啟動、停車或加速、減速的每一次循環(huán)過程中，都伴隨著瞬態(tài)溫度的急劇變化，承受極大的熱應力和熱應變。經過多次循環(huán)積累，最后導致熱疲勞裂紋萌生、擴展或葉身彎曲變形。由于溫度場不均勻，在局部高溫區(qū)，葉身容易被燒傷，少數(shù)葉片局部出現(xiàn)鼓包、皺紋乃至裂紋

燃氣負荷：MPa級以上的高壓燃氣沖刷引起的氣動負荷和振動應力

雜質腐蝕：燃氣雜質使葉片發(fā)生腐蝕，葉片表面被氧化、腐蝕、出現(xiàn)斑痕。

而渦輪工作葉片，在承受上述種種考驗之外，還要承受高速旋轉時相當于自重2000倍的離心力與氣動力。在這兩種力量的作用下，會產生的巨大拉伸應力和彎曲應力。另外，高壓渦輪葉片要比低壓渦輪葉片承受更高的工作溫度；工作葉片又比導向葉片承受更高的工作溫度。因此高壓渦輪工作葉片承受的溫度是渦輪葉片中最高的，大家可以在后文數(shù)據(jù)中注意比較。

由于上述種種惡劣環(huán)境，都是導致渦輪葉片的失效的不利因素。包括熱疲勞在內的低循環(huán)疲勞；振動引起的高循環(huán)疲勞；高溫燃氣沖刷熱腐蝕和氧化腐蝕；以及外物導致的損傷和變形；高溫長時間載荷下的蠕變變形和蠕變應力斷裂。這其中，熱疲勞和高溫蠕變性能又是渦輪轉子葉片最重要的失效抗力指標。

葉片的損傷，在表征上，會造成葉面的凹坑、進氣邊掉塊、表層脫落、彎曲變形、葉身進氣排氣邊裂紋、葉身龜裂和折斷等。2007年，武直-10的動力——渦軸-9發(fā)動機在試驗中，就發(fā)生了渦輪葉片榫頭裂紋現(xiàn)象，當時要求跟飛人員每5個飛行小時從發(fā)動機尾噴管用孔探儀對發(fā)動機渦輪葉片進行檢查。連續(xù)不間斷的檢查了兩個多月，直至問題解決，可見葉片裂紋的問題有多么危險。

葉面的變形，會造成葉片與機匣摩擦導致葉片與機匣的雙重受損；

葉片的斷裂，是上述所有失效損害發(fā)展下去的最終歸宿。它出現(xiàn)的概率較高，危害也最大。常見的葉片斷裂，包括葉身疲勞斷裂、葉根或第I榫齒轉接R處疲勞斷裂，等等（記住R處斷裂這個詞，后面談到工藝篇時會講到）。

可以想象，一個葉片的斷裂，往往打壞其他正常的葉片產生更多的斷裂，繼而像多米諾骨牌那樣，導致整個發(fā)動機出現(xiàn)嚴重破損而無法工作。所謂航空發(fā)動機的“噴零件”，往往就與葉片斷裂有直接關系。

正因為渦輪葉片的工作條件和工作環(huán)境是最為惡劣的，因此制造渦輪葉片的難度極高。其所需的高溫合金，也被列為航空發(fā)動機材料的第一關鍵，并被譽為航空發(fā)動機王冠上的明珠。

這里插一句，直20直升機的動力，也是武直-10替代渦軸-9的下一代動力，渦軸16發(fā)動機，由中航工業(yè)東安與法國賽峰公司聯(lián)合研制。渦軸-16的法國型號是阿蒂丹-3，源于TM333渦軸發(fā)動機的改型。根據(jù)網上的報道，在費用上，雙方各承擔研制費用的50%。然而，在分工上，東安負責冷端部件，而熱端部件都由賽峰負責。如果這個消息屬實，那么從兵器迷的角度看，這款發(fā)動機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關于“1600千瓦渦軸發(fā)動機”的展板，卻赫然寫著“立足國內成熟材料和技術水平，完全獨立自主研制的先進渦軸發(fā)動機”。難不成2014年法方將首批發(fā)動機交付中方，2年時間中方就已經實現(xiàn)熱端部件國產化了？讓人看著疑惑，歡迎大家拍磚啊。

書歸正傳。

一臺發(fā)動機上，可能有多級高壓渦輪和多級低壓渦輪，比如大運C-919原型機的航空發(fā)動機LEAP-1C的核心機， 有2級高壓渦輪和6級低壓渦輪。

而LEAP-1C的國產化備胎CJ1000A發(fā)動機，則是由2級高壓渦輪和7級低壓渦輪組成。

每一級渦輪都會有渦輪葉片，因此渦輪葉片的數(shù)量也較多。比如渦噴-6發(fā)動機上，就有218片渦輪葉片，算是比較多的了。而某中推渦扇發(fā)動機的導向器有36片導向葉片，渦輪工作葉片有58片。

有些渦輪工作葉片長得樣子很奇怪，比如下圖：

這位朋友說，這好像是帶了一個帽子??！

您說對了，這就是帶冠渦輪葉片。葉片帶冠是因為，隨著發(fā)動機性能的提高，空氣流量加大，有些渦輪工作葉片又薄而長，因此容易出現(xiàn)振動，引起共振和顫振的危險。因此在展弦比較大的渦輪葉片頂部采用帶冠結構，有些還是鋸齒冠，可以減少葉片尖部的漏氣，提高渦輪工作效率，而且相鄰葉片葉冠間產生的摩擦可以吸收振動能量，起到減振的作用。

下面看導向葉片：

圖5：二級渦輪導向葉片

導向葉片直徑一般不大，而且主要是引導氣流轉向的，就是個氣流通道，也不用高速旋轉，因此有的導向葉片，看上去似乎真不像是一個葉片。

既然渦輪葉片的工作環(huán)境如此殘酷，那么，要用什么材料制造呢？