漫天流火中，是谁在拨动大发？
谈到发动机，就离不开核心机的三大部件：压气机、燃烧室、涡轮。作为“三大巨头”之一的涡轮，其设计水平对发动机的总体性能的最终达标十分重要，也是影响发动机寿命的关键部件之一。
如果说总体是指挥战役的元帅，涡轮便是攻城拔寨的一员上将，要和元帅有效沟通战场情况，与其它部队配合作战，在严苛的环境下确保各项指标的成功攻克。小编将为大家带来涡轮系列的两篇故事，本篇将介绍涡轮的功能和基本结构，下一篇将介绍涡轮设计面临的挑战。打油诗曰：
真金不怕烈火熔，
御风运力建奇功。
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发动机的“力量之源”
涡轮，英文名turbine，就是发动机名称Gas turbine里面的turbine。自20世纪30年代第一台涡喷发动机问世，航空发动机的涡轮也随之诞生。我国自20世纪50年代中后期开始仿制工作，50年代末开始设计涡喷上的单轴涡轮，60年代中开始改进和自行设计双轴涡轮以及气冷叶片的研究，推动国产涡轮技术不断发展。
在大发里，涡轮不像风扇那样显眼，它住在燃烧室的后面，包裹在短舱和机匣内默默的辛勤工作，即使你常坐飞机，除非参与检修，否则也是见不到涡轮的真身的。然而真人不露相，涡轮担负的任务却是既重要又艰巨。
▲ PW2000发动机
▲ F119-PW-100涡扇发动机（图片来自于网络）
为何涡轮如此重要？发动机是飞机的“心脏”，为飞机提供推力。前期小丫提到，压气机和风扇上提供的推力比例是很大的。涡轮呢？恩，涡轮转子上的推力是向后的，换言之，是把发动机往后拖~要和压气机搞平衡嘛。
▲ （图片来自于网络）
小编似乎听到板砖飞来了…且住！
涡轮可是发动机中独一无二的做功部件。家里的风扇转起来，靠的是电机，发动机上的压气机转起来，动力来自哪里呢？火车跑得快，全靠车头带，压气机和风扇转得快，也全靠涡轮带。在大发上，涡轮提供了数万千瓦的功率，足以带动一百万个电风扇。
在发动机中，压气机将空气加压，燃烧室对压缩空气加热，产生高温高压的燃气，这些燃气随后去了哪儿呢？就是涡轮。气流在涡轮中转弯膨胀，产生机械功，进而带动压气机、风扇、传动系统等。可以说，大发能够“转”起来，直接的力量之源就是涡轮。
为何涡轮任务艰巨？那是因为涡轮面临着高温、高速旋转、高性能、高可靠性、长寿命、轻质量和低成本的挑战。“高温”突出了涡轮工作环境的恶劣，燃烧室加温的燃气，流量每秒可达几十公斤，可以轻易将一个成人吹飞；压力可达四十个大气压以上，一般高压锅只有不到两个大气压；温度温度可以高达1600℃以上，而一般钢材的熔点只有1400℃。
或许你会说，这算什么，电站锅炉的压力不是可以更大吗？燃烧室的温度不是可以更高吗？但涡轮更难在后面几个特点“高速旋转”到“低成本”，在苛刻环境下不仅要能工作，还要把活儿干好。
例如，轻质量，就不能用锅炉这样又大又厚的材料来增加强度；高速旋转，就不能像燃烧室那样自由的选择耐高温材料，材料还需要较好的承受离心应力、振动载荷等。既然这么恶劣，咱把参数降降？然而这却不能，因为涡轮前温提高，才能使发动机热力循环效率提高，耗油率才能降下来，总体的“孔小乙”们才能不来涡轮部砸门。
在这种情况下，还要实现“高性能”的要求，这对涡轮设计绝对是挑战。涡轮的设计环境就像太上老君的炼丹炉，最后能跳出来的都是火眼金睛的孙悟空。
小编在此岔开一句，谈论起做功的叶轮机械，它们在国民经济中的应用可是相当普遍的，比如水轮机、汽轮机、风力机、重型燃气轮机……孜孜不倦的为祖国的各行各业提供驱动力和电能。仔细看看，它们都有好多叶片，与涡轮基因相似，攀攀关系，也算是“涡轮家族”的远房亲戚了。
事实上，航空发动机上的涡轮做的功都被发动机和飞机附件吃掉了，发动机落在地上改一改，涡轮也是可以多做功用来发电的，然而说来话长，在此按下暂且不表。
▲ 北海电厂1#机组汽轮机
▲ 首台国产三峡右岸电站70万千瓦水轮机转轮
▲ 风力发电（图片来自于网络）
知道了涡轮的功能，那么涡轮到底长什么样？围观群众纷纷表示，总体图上看不清楚，需要更多真相。下图就是罗罗公司的某款涡轮：
（资料来源：RollsRoyce- the jet engine）
涡轮结构看似复杂，实则…更复杂，但可一言以蔽之，它是一种叶轮机械的构件。百度有言曰，叶轮机械是一种以连续旋转叶片为本体，使能量在流体工质与轴动力之间相互转换的动力机械。
涡轮的基本结构是由一列静叶和一列动叶组成的“级”，气流在静叶中降压加速膨胀，并获得适当的气流方向；在动叶中，气流继续膨胀加速，对叶片产生“冲动”和“反击”，使动叶绕轴旋转做功。用大白话说，就是涡轮和汽车发动机里头一上一下的活塞不一样，它有一个轴，轴上像风车一样有很多叶片，大风吹过这些叶片，推动叶片带着轴转动，就像风车带动磨坊一样带动着压气机等，风的能量就转化成了轴上做的功。看看各种涡轮图，是不是都有一堆叶片和几根轴？
▲ 一种三转子涡轮（资料来源：RollsRoyce- the jet engine）
在做功过程中的关键运动就是转动，而涡轮的结构，正是围绕着这种“转动”来布置的。根据转动与否，涡轮的各部分可以分为静子和转子：不旋转的部分是静子，包括导叶、涡轮机匣、轴承座等；旋转的部分叫转子，包括动叶，涡轮盘，涡轮轴等。此外，还有轴承系统和封严系统的构件。功率、效率等设计需求改变时，涡轮的结构也随之变化，以最常用的轴流式涡轮为例，存在三轴和双轴、是否对转的设计，亚声速、高亚声速和跨声速的涡轮设计…而不同产品高低压涡轮级数、流道尺寸、叶型、冷却设计等也各不相同。
▲ 一种工作叶片（属于转子）
（资料来源：RollsRoyce- the jet engine）
▲ 一种导向叶片（属于静子）
（资料来源：RollsRoyce- the jet engine）
根据功能的不同，双转子的涡轮又分为低压涡轮和高压涡轮（三转子则多出一个中压涡轮），对典型的涡扇发动机，低压涡轮是带动风扇和增压级的，高压涡轮是带动高压压气机的。为什么分两部分？因为风扇通常只有几千转，高压压气机却可以有上万转，转速不同。
▲ 高压涡轮轴
▲ 低压涡轮轴
高压涡轮大哥，便是前面提到的核心机三大部件中特指的“涡轮”。大哥身材短小精悍，最佳拍档是高压压气机，二者相亲相爱，快慢一致，气息频传…咳，咳。民用发动机高压涡轮通常1~2级，著名的CFM56系列发动机，PW8000发动机就采用了单级高负荷的高压涡轮，结构简单，冷气量少，不过单级高压涡轮的效率比两级略低。
燃烧室出口的高温高压燃气直接冲击在高压涡轮的叶片上，这里是前面提到的高温、高转速问题的重灾区，因而高压涡轮采用了各种高精尖的手段。
单晶叶片、热障涂层，来吧！
叶片冷却、外环冷却、冷气封严、主动间隙控制、全三维气动设计，来吧！
把最好的部队招呼上来，还嫌不够，需要不断开发新技术才行。前段时间网络上热播的“粉末盘”就是高压涡轮的部件，插入广告曰：“粉末高温合金具有综合力学性能优异、冷热工艺性能好等优点，已成为先进的航空发动机涡轮盘不可或缺的关键材料。”而该盘子从母合金熔炼到分级热处理，都是考验技术打造精品的过程。
高压涡轮的故事太长，将在下一篇中更详细的讲述。
▲ 高压涡轮
低压涡轮老弟，它的搭档是拉风的风扇和增压级。虽然进口参数低了，但它也有自身的特点。对高压涡轮大哥而言，军机和民机差距不大，而低压涡轮老弟则是大发最有特色的地方之一。
一个重要原因是，由于民机的最大迎风面积出现在风扇处，所以低压涡轮流道的抬高是可行的。低压涡轮效率要求高，通常采用更多级的涡轮（4~6级），加之为了获得较高的切线速度等原因，低压涡轮的流道抬高，最终导致它的个头比高压涡轮大出一节。气体的膨胀导致低压涡轮末级叶片很长，高展弦比叶片对设计和工艺均提出了挑战。
值得注意的是，在普惠公司的PW1000G发动机中，2级高压涡轮和3级低压涡轮采用反转，不仅取消了低压涡轮的一排导向叶片，而且由于采用了传动风扇减速器，使低压涡轮能够工作于高转速下，提高了气动效率且大大减小级数和重量。
低压涡轮也涉及到了大量创新的技术，例如，TiAl基合金比强度和比模量高，GEnx发动机的低压涡轮后两级工作叶片选用该合金后实现发动机减重181kg。又如，在LEAP发动机中，低压涡轮导向器叶片采用了陶瓷基复合材料（CMC），密度只有传统镍基合金的1/2甚至更轻，而且耐高温、耐腐蚀、无需冷却。
▲ 低压涡轮
统筹兼顾
——谁在左右涡轮设计？
涡轮表示很自豪，家里人在各行各业势力强大，而且自己也掌握发动机动力大权，当能号令众人，只是然并卵，真相其实是：
涡轮设计的基本参数，如涡轮前温度、涡轮效率、涡轮转速和转向、涡轮的尺寸等，并不能自己做主，都是涡轮设计部门与总体等部门协调的结果。
▲ （图片来自于网络）
协调不是请客吃饭，协调不顺利也是可以吃不下饭的。例如，在涡轮设计中，最常被提及的参数之一无疑就是涡轮前温度。发动机的热力循环中，提升压比和涡轮前温度对发动机效率和单位推力的提升十分有利。发动机推进效率的提升最终体现在耗油率的下降，降低了飞机的燃料成本，节约了能源。
因此，自发动机诞生以来，其涡轮前温度不断提高：五六十年代，航空发动机涡轮前温尚不足1000℃，而目前发动机参数已经跃升到1600℃以上，一些试验中的发动机甚至已经在1900℃的涡轮前温下工作（发电用燃气轮机也已经提出了1700℃的目标）。总体设计师当然期待着更高的涡轮前温度。
然而，不断提升的涡轮前温对涡轮的设计带来了大量挑战，几乎所有的涡轮材料在高温下性能迅速降低，而且通常高温合金材料密度大，这就更增加了涡轮重量和盘的负荷。为了降低材料温度，涡轮通常采用冷却设计，但涡轮冷却尽管十分重要，却也会带来副作用：当前涡轮的冷却气体流量已高达压气机进口的20%~30%，这部分气体没有经过燃烧室加热，在发动机内的掺混还会有降低气动性能等效应，会对整个发动机的功率和效率产生不利影响，甚至抵消涡轮前温提升的好处。因此，最终温度的选择必须得到涡轮设计师和总体设计师共同的认可。
▲ 长期运行后的涡轮叶片
（来源：“AEROENGINEHIGH PRESSURE TURBINE BLADE COOLING SYSTEM CONCEPT，GT2013-95789）
类似的问题有很多，如：关键性的涡轮综合性指标涡轮效率，要经由经验、计算、试验反复调整到最终到位，虚报效率会对发动机试车带来显著危害；由于压气机气动设计难度较大，一般涡轮转速要由压气机提出，但又要满足涡轮强度的需求；高低压涡轮反转能够简化结构降低重量，但转子转向要综合考虑转子力矩、轴承寿命等。
可见，涡轮设计也不能“闭门造轮”，而是要“讨价还价”。
等和总体一轮一轮协调下来，设计参数确定之后，涡轮设计师就需要克服困难，确保成功。预知涡轮设计的详情，涡轮设计的难点，请看下期！
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作者：阚瑞
责编：孙怡琼
特别鸣谢：南京航空航天大学能源与动力学院提供的视频支持