涡轮发动机和涡扇发动机哪个好（什么是涡喷发动机涡轮）

涡轮又叫透平。其主要作用是：将燃烧室流出的高温、高压燃气的大部分能量转变为机械功，使涡轮高速旋转并产生大的功率，由涡轮轴输出。

涡轮输出的机械功可用来驱动风扇、压气机、螺旋桨、桨扇、直升机的旋翼及其他附件。在航空燃气涡轮发动机中，涡轮部件所承受的热负荷、气动负荷和机械负荷都是最大的。

(1) 涡轮的组成

图4-22、涡轮导向器与工作叶轮

如同压气机一样，涡轮也是由不动的静子（又称涡轮导向器）与转动的转子所组成（图4-22）。静子由导向器与固定它的机匣组成，转子由工作叶片、轮盘与轴组成，又称涡轮转子。

图4-23、燃气在涡轮导向叶片、工作叶片中流动情况

图4-23示出了燃气在涡轮导向叶片及工作叶片中的流动情况。高温、高压燃气首先流入涡轮导向叶片，由于导向叶片通道作成进口流道面积大于出口流道面积，亦即形成收敛通道。

因此，燃气是加速流过导向叶片通道的，其压强和温度都降低，在导向叶片出口处流速达到当地的声速（此处燃气温度很高，如燃气温度为1300℃时，当地声速约为800米/秒），并按叶片出口型面的角度流向工作叶片。

工作叶片型面如作成图4-23(A)中的进、出口流道面积相等时，燃气流在工作叶片中的流动速度不变，只是方向变化（由斜下方流入，斜上方流出），工作叶片在燃气的冲击作用下带着装叶片的轮盘高速旋转，这种工作方式的涡轮称为“冲击式涡轮”；

如果工作叶片型面作成如图4-23(B)中所示的出口流道面积小于进口流道面积即呈收敛形，燃气流过工作叶片时，不仅方向变化，而且继续膨胀，速度增加而压强及温度降低。

这时，涡轮工作叶片不仅受到高速燃气的高速冲击力，同时燃气在叶片通道中流动时，还向后上方加速流出，这相当于工作叶片对燃气流作用—个向上方的力，那么，这股流出的燃气就对工作叶片有一向下作用的反作用力，工作叶片在这两种力的作用下，带着装工作叶片的轮盘高速旋转，这种工作方式的涡轮称为“反力式涡轮”。

显然，它的工作能力比冲击式涡轮要大很多。一般来说，水力涡轮、蒸汽涡轮均是“冲击式涡轮”，而在航空燃气涡轮发动机中，全都采用“反力式涡轮”。

在涡轮中，由于燃气由高压处向低压处流动，气动工作条件比压气机好多了，除了不会发生在压气机中的“喘振”外，一级涡轮所作的功还能带动多级压气机，所以涡轮的级数要比压气机的少得多。

由图4-22可见，涡轮导向器是由许多装在外环与内环间的导向叶片所组成，工作叶片装在轮盘上。

上面已经讲到，特殊型面的导向叶片、工作叶片的叶片通道均作成收敛形，即叶片通道进口处的面积大，出口处的面积小。因此，燃气流过该通道时是加速的。

(3) 涡轮导向器与工作叶片的冷却方式

图4-24、涡轮导向器叶片和涡轮叶片的冷却

涡轮发出的功率大小与涡轮进口（即燃烧室出口）的燃气温度及涡轮前后压力之比（又称落压比）成正比，燃气温度和落压比越大，涡轮发出的功率也越大，发动机总体性能也就越好。

因此，涡轮前燃气温度的高低是影响发动机性能好坏的一个重要循环参数。

为了得到大功率，要求涡轮进口的燃气温度尽可能高，但是涡轮叶片（包括导向叶片、工作叶片）长期处于高温燃气冲击和侵蚀之下，尤其工作叶片本身还承受很大的离心力，涡轮叶片材料会承受不了，又限制了燃气温度的提高，从而影响了发动机性能的提高。

长期以来，为了不断提高发动机的性能，要求不断提高涡轮进口燃气温度。航空发动机研制部门通常采取两方面的措施来实现这一要求：即一方面提高涡轮叶片材料的耐高温性能；

另一方面则是加强冷却，提高涡轮叶片的冷却效果。仅采取其中一种措施是不能满足要求的，只能两者双管齐下。

图4-25、涡轮导向器叶片及其冷却

在对叶片进行冷却方面，航空燃气涡轮发动机大都采用气冷涡轮，通过不断改进叶片内部冷却通道的结构和冷却方式，逐步提高叶片材料的冷却效果。

通常要从压气机引出高压空气来对涡轮叶片进行冷却，图4-25一示出了典型的气冷式涡轮导向器叶片和涡轮工作叶片的冷却空气流路图。

早期的涡轮叶片采用较为简单的冷却结构，例如在工作叶片叶身中，从上向下开有多个圆孔或特型孔，冷却空气由下面的孔引入，再由上面的孔排出，从而带走叶片材料中的部分热量，达到降温的目的。

这种简单的冷却方式，冷却效果约为100℃左右（即可使材料温度降低100℃左右），远不能满足发动机发展的需要。

因此，在近20～30年间，对涡轮叶片的冷却结构作了大量改进，冷却方式有对流、冲击、气膜、发散、层板及其复合等多种，当今的叶片冷却结构已非常复杂，当然它的冷却效果也较高，约为350～400℃左右。

图4-26 、涡轮工作叶片冷却结构的变化

图4-26为典型的涡轮工作叶片的冷却结构变化图，图4-27为典型的涡轮工作叶片的铸造型芯实物。现在正在研究超级冷却的涡轮叶片，可使叶片材料温度降低约500～650℃。

此外，还采用在叶片表面上喷涂隔热材料（热障涂层）的方法，来达到更好地冷却涡轮叶片的效果。

(4)涡轮叶片的材料及制造工艺

图4-27、 典型的涡轮工作叶片的铸造型芯实物

在材料方面，除改进高温合金中的合金成分、将镍的成分增多并适当添加微量稀有元素，以进一步提高材料本身的耐高温性能之外，在叶片的熔炼工艺方面也进行了大量的研究和改进工作。

在20世纪60年代，涡轮叶片毛坯的制造方法已由锻造改为真空条件下的精密铸造，20世纪70～80年代，又由铸造的多晶结构发展为定向结晶结构，现在己实现能将整个叶片铸成一个晶体，即单晶叶片，这种改进不仅可提高叶片的耐高温性能，还能延长叶片在高温条件下的工作寿命。图4-28示出普通铸造、定向结晶及单晶材料的显微结构图。

虽然在涡轮工作叶片的材料、冷却结构上作了很大努力，并已取得突出的成就，但仍不能满足发动机性能日益提高的要求。

图4-28、普通铸造、定向结晶、单晶涡轮工作叶片

目前正在大力开发陶瓷等新材料、新技术，估计在不远的将来，新的、性能更好的、采用陶瓷材料作的涡轮工作叶片及用其它新技术装备起来的航空发动机可望投入使用，到那时军、民用飞机的性能必将有大幅度的提高。

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