任你烈焰焚天，不及我芭蕉一煽的风情
上期小编介绍了涡轮的功能和基本结构，这期谈一谈涡轮设计中的技术难点。涡轮设计是一个十分综合性的问题，打油诗曰：
材料工艺必分析，
气冷强度都要算，
涡轮设计好不好，
最终事实来把关。
在很多人心中，涡轮可是重达几百千克的大铁家伙，可是涡轮其实是十分“敏感”的，在飞行史上屡屡看到它“闹别扭”的身影，造成了不少的经济损失，甚至引发危害生命财产安全的重大事故。
1988年5月30日，中国民航的B-2604苏制图-154客机起飞后10min，发动机发生了严重断轴故障，4级低压涡轮全部甩出机身。事故调查表明，故障原因是低压传动轴外侧隔热套筒下陷；
1999年1月初，美国卢克空军基地，一架装配F100-PW-220的F-16战斗机出现了A级事故。事后发现这是由于发动机1级低压涡轮中叶片损坏造成的。该发动机的涡轮前燃气温度稍微提高后，叶片出现蠕变伸长，从而导致叶冠卷边和断裂；
1999年7月12日，一加F-16C战斗机由于发动机高压涡轮故障坠毁，事故原因是两片高压涡轮工作叶片折断飞出，导致发动机熄火且打坏飞机；
1997年GE90发动机低压涡轮1级导叶后窜碰到工作叶片，叶片断裂击穿机匣，导致飞机停止起飞；
2010年10月14日，澳航QF38航班一A380(Trent900)伦敦-新加坡-悉尼航班从新加坡起飞后爬升达到2134m高度，2号发动机爆炸，中圧涡轮盘破裂甩出发动机，打坏飞机多处，多个系统失灵。
▲ 澳航QF38航班（资料来源于公开文献）
发动机涡轮为何如此故障频出？这和涡轮的技术难点是分不开的。俗话说，一叶知秋，就从一片叶片的故事来看看涡轮的设计吧。
上一篇提到，涡轮工作过程中高温燃气首先通过一排静止的叶片（又叫喷嘴、静叶、导叶），在其中膨胀加速并以合适的角度喷出，随后冲击到一圈旋转的工作叶片上（又叫动叶），继续膨胀并推动工作叶片，带动整个涡轮盘转动，并通过轴系将能量传递给压气机等部件。这个过程中的主角，就是叶片。
▲ 想象中的叶片
当然，此叶片非彼叶片，小编现在要介绍的，是高压涡轮叶片的故事。如下图：
▲ 高压一导和一动叶片（资料来源于公开文献）
▲ 流体流过静叶和动叶（资料来源于公开文献）
叶片的工作过程是不是看似很简单？但俗话说的好，疾风知劲草，烈火见真金，工作条件不一样，难度水平也自然不同。燃气在喷嘴中的加速可以达到700~800米每秒，最强台风的速度是五十多米每秒，而常温下声速也只有340米每秒，叶片要保证气体能够有条不紊的通过，才能保障流量和效率。那么这小小的叶片，是如何达标的呢？
俗话说，气体就怕搓，一搓就成涡。气体未必会老老实实沿着涡轮提供流道走，叶片三维叶型、流道扩张角度等选取不合理，或涡轮运行工况的改变，都可导致损失增加，一会儿有一股气体从叶片表面分离了，一会儿有另一股气体沿着叶顶的缝隙从动叶压力比较大的一面跑到压力比较小的一面却没对叶片做功…叶片的气动性能都会因此受到危害，所以，工程师们必须对叶片进行多次的改进，并逐渐采用一些全三维气动优化，非轴对称端壁设计，主动/被动间隙控制等技术。与压气机不同，涡轮气动设计过程中还存在冷气掺混影响的估计，尾缘厚度也因冷却而增大，增大了设计难度。
▲ 叶尖流动
高温燃气的温度可以高达1600℃以上，试问高压涡轮叶片如何受得？首先当然是材料。高压涡轮叶片通常都用单晶材料精密铸造而成。关于单晶叶片加工，可算材料和工艺的高科技领域，之后会有材料大牛们亲临解释，在此不班门弄斧。
然而，在高温、高速旋转的工作情况下，即使单晶材料也不能直接承受燃气的加热而满足强度储备的要求，在设计日趋精细的情况下，任何一点的超温、应力过大都有可能成为压垮骆驼的最后一根稻草，怎么办？答案是：冷却。高压涡轮叶片可不是实心的“铁疙瘩”，而是加工了颇具艺术气息的冷却结构：
▲ 动叶的冷却结构（资料来源于公开文献）
实际上，燃烧室、过渡段、高压涡轮叶片和外环、级间机匣整流叶片、低压涡轮前部的叶片等热端部件上都采用了冷却，但高压涡轮叶片的冷却是非常有代表性的，它有三重防护：
▲ 全副武装
第一重，是叶片由内而外喷出的多股冷气，这些冷气覆盖在叶片表面，形成一层保护膜，叫做气膜。气膜是从大量零点几毫米直径的小孔喷出的，这些小孔结构复杂，出口可以有各种形式的扩张、倾斜，最后才能达到较好的覆盖效果。这层气膜就像一层看不见的衣服，它必须天衣无缝，把叶片和高温燃气分开，而且越是高温的叶片，这层防护越是重要。不过这层防护也有其代价，喷出的冷气可能会影响叶片的气动性能，也需要较高的供气压力，增大了抽气损失。气膜孔加工精度要求很高，要避免微裂纹等，因而涉及到很多特种加工技术，有激光加工、电火花加工、电化学加工等。
▲ V2500叶片上的气膜孔，来源于维基百科
第二重，是叶片身体表面一层陶瓷铠甲，叫做热障涂层。别看它只有零点几毫米，它可以使金属温度降低几十度，对叶片发挥重要的保护作用。热障涂层可不是喷层油漆那么简单，经典的热障涂层是由陶瓷表面层和金属粘结层构成的涂层系统，陶瓷材料（如6%~8%Y2O3部分稳定的ZrO2陶瓷）专攻“隔热”，具有抗高温氧化、抗腐蚀、低导热系数、高热反射率等特点；而粘结层材料（如MCrAlY粘结层）则有点像“双面胶”，用于解决陶瓷层和基体材料的热膨胀不匹配问题，并提高基体抗氧化性。热障涂层使用特殊的工艺（如等离子喷涂或者电子束-物理气相沉积）牢牢的粘在叶片的金属表面上，要有良好的寿命，不易剥落。它的开发需要进行大量的试验测试，可以说是淘金狂沙始见金。
▲ 热障涂层的微观结构：图(a)大气等离子喷涂，图(b)电子束物理气相沉积（资料来源于公开文献）
▲ 热障涂层的加工 （资料来源于公开文献）
第三重，是叶片复杂的内部结构，里面源源不断的流动着低温的冷却气体。这些结构既包括曲折的、带有各种凹陷和突起（肋片、扰流柱等）的蛇形通道，也包括以及带有不同密度冲击孔的衬套等等。这是叶片最早采用的冷却技术，不过它至今仍在发挥作用，一方面勤勤恳恳的为气膜冷却输送着冷气，另一方面不断的与金属壁面进行热交换，降低金属温度，是热量的“搬运工”。
（资料来源于公开文献）
这样的冷却是如何维系的呢？全靠涡轮体内非常复杂的气体通路，进行着冷气从压气机到涡轮的长途运输。这些通路的设计也是很关键的。内腔压力小了，燃气入侵就会烧坏涡轮材料；压力过大或间隙过大，就会损失珍贵的冷气，降低效率；同时，还要考虑除尘等问题。至于这部分通路的详细故事，就要靠空气系统讲述了。
叶片气动冷却设计完成后，如何对可靠性进行把关？谁来确信叶片不裂不断，在运行中能“长寿”？那就不得不提到强度分析。其实，小到一个叶片甚至一个螺栓结构，大到整个涡轮，都要经过反复的强度分析，比如变形是否可以接受？是否会和其他零组件发生碰撞？静强度是否能满足？叶片、盘、机匣等能否正常工作达到一定时间不发生损坏？零组件的振动量是否可以接受？是否会发生共振？…方方面面考虑之后，经过反复迭代，方案才能得到初步的“批准”。
最终，叶片的设计要投射到图纸上，要有一整套精确无误的图纸，同时还考虑到便于拆装维修，便于加工制造，并得到各方会签认可，叶片才走出设计所的大门。随后图纸奔赴工厂，在和加工超差，制造缺陷，工期延长等沟沟坎坎反复斗争后，叶片才能等待装配。
回答涡轮设计难在哪里本身就是一个不太简单的问题，涡轮设计作为一个工程问题，有各种各样的难点，技术难，管理难，比起GE、Rolls-Royce等发达国家成熟的OEM，一些目前国外已经掌握，但对中国保密的核心技术对我们而言也是难点，例如GE公司自1996年起进行了长达10年的考核以实现TiAl合金在航空发动机低压涡轮的工程应用，我国则刚起步。在此，小编结合一些调研提出一家之言：
涡轮设计是对极限参数的挑战
涡轮面临的问题可以归纳为，在高温和高速旋转情况下，实现高性能、高可靠性、长寿命、低重量、低成本。涡轮同时承受着温度载荷、离心载荷、振动载荷，在运行过程中还会出现各种性能降低，需要解决各零组件在冷热态下的变形协调，但它必须在如此恶劣的工作环境下完成做功任务，尤其是民航必须满足一系列严格的参数要求，例如首次大修时间不低于上万循环数，等等。
所以，涡轮的设计就是一个挑战多重极限的过程：要挑战材料疲劳寿命与高温的极限、重量轻体积小与强度高相互矛盾的极限，对民机而言还要挑战高投入与低成本的极限。为此，需要注重新技术的开发，如前面提到的间隙控制技术、新型冷却和气动设计技术、新材料和工艺等等。
加工制造技术和设计技术都需要提升
加工影响了设计的可选范围，加工中问题对生产进度和产品质量都影响较大。目前我国在高温合金、粉末盘等技术上已经取得了不少进步，正在逐渐从“望尘莫及”走向“望其项背”。涡轮加工制造技术中，高温合金单晶叶片的精密铸造、大型薄壁件铸造等铸造技术，复杂形状气膜孔加工，热障涂层加工，粉末盘加工和表面强化，惯性摩擦焊等焊接技术，热处理规范的严格化都有一些进步空间。
值得注意的是，近年来飞秒激光、3D打印技术的发展，给一些之前难以实现的结构的加工带来了曙光。此外，陶瓷基复合材料叶片、新的热障涂层材料的开发、低压涡轮TiAl合金叶片，整体叶盘技术等，也为降低冷却量或涡轮减重等工作提供了更多可能。关于这些高大上的时髦技术，商发的攻城狮们也在积极开展攻关，而且有些领域已经取得了可喜的成果，请大家期待我们的捷报哦~
在设计技术方面，由于发动机运行环境复杂，数值模拟对传热等很多工程问题的预测能力不足，目前试验仍是极其重要和根本的设计手段。但通过优化设计体系，充分积累试验数据库，从而最终提升设计的水平，减小试验中的故障和反复调试次数，达到节约经费，节省时间的效果也是有可能的。
想弄懂涡轮，还是要靠阅读大量专业技术资料并亲身参与设计过程。本期小编介绍了涡轮设计这个一个多学科综合问题的冰山一角，供大家初步了解涡轮这个“人小鬼大”的家伙，连目录也不算：
后续，就让我们期待下期——控制系统的精彩表现吧！
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作者：阚瑞
责编：赵诗棋