从这里读懂空天
一、 为什么要冷却？
举个例子，如果涡轮前温度为1600K，涡轮叶片材料的耐受温度仅为1200K，那么这样的材料能行吗？答案是，它可以hold住哦。但是必须有先进的冷却技术。以民用涡轮风扇发动机为例，其涡轮前温度与叶片材料耐受温度的差值已增至500K以上[1], 这就是冷却技术的魅力。
冷却技术对航空发动机来说至关重要，尽管材料已经限定了但是我们可以通过先进的涡轮冷却技术来提高涡轮的性能和涡轮叶片的寿命。早期的发动机中涡轮是没有应用冷却技术的，但是当时的涡轮前温度并不是很高，冷却技术的产生发展来源于一个“矛盾”，即涡轮叶片材料的发展落后于我们对航空发动机性能（涡轮前温度）的追求。尽管涡轮前燃气温度不能超过材料的耐受值，但是涡轮冷却技术的引入则彻底的改变这一情况。[2] 问题的另一面就是需求，这种需求促进了涡轮冷却技术的发展。
二、涡轮叶片冷却方式有?
在航空发动机领域先后发展出了对流冷却、冲击式冷却、气膜冷却、发散冷却等方式，冷却的目的就是提高涡轮前温度以提高发动机性能，使得叶片内的温度场分布均匀，减小热应力。
对流冷却
对流冷却是当下广泛采用的冷却方式之一。冷却空气从叶片内部若干专门的通道通过，通这种对流与叶片内壁面进行热交换，使得叶片温度降低达到冷却的效果，冷却效果为200℃到250℃。
对流冷却示意图
冲击式
冲击式冷却即喷射式冷却，利用一股或者多股的冷却空气射流正对着需冷却的表面，增强局部的换热能力，适用于局部高温区的强化冷却，如在叶片前缘，喷射冷却首先得到了采用。从原理上冲击冷却仍然属于对流冷却。
气膜冷却
冷却空气由叶片的端部进入叶片内腔，气膜冷却的涡轮叶片设计制造有大量的小孔，冷却空气从叶片内顺着小孔流出到叶片外表面，形成一层气膜，将叶片表面与高温燃气隔开，以达到冷却涡轮叶片的目的。
气膜冷却示意图（图片来自美言军事）
发散冷却
发散冷却又称发汗冷却，冷却空气从叶片内腔通过叶片壁面上无数微孔渗透出，就像出汗一样，是涡轮冷却技术的一种。
它是由高温合金多孔层板构造而成的空心叶片，高压冷却空气流团叶片内腔通过壁面的密集的细孔渗出并流到叶片外表面。在高温燃气与叶片表面之间形成一层完整连续的空穴隔热层，它既能使叶片表面与燃气完全隔开，又能吸收叶片表面部分热量，采用这种冷却方法，可使叶片材料温度接近于冷却空气温度。[3]
发散冷却示意图
这种冷却方式面临的技术问题有，多孔材料氧化后容易堵塞，每层需要有多孔，孔位不易对准，工艺复杂。
涡轮前温度每提高100℃，在发动机尺寸不变的条件下，则发动机的性能至少提高10%。这也是为什么涡轮前温度成为我们衡量发动机好坏的一项重要指标。
涡轮叶片所处的环境堪比天上老君的炼丹炉，没有一身金刚不坏之身怎么“刚”得住，所以涡轮叶片材料是航发的瓶颈之一。通过冷却使得涡轮叶片能适应涡轮前温度高于材料耐受温度，但是也是有代价的。涡轮叶片要冷却，涡轮盘也要冷却，本文我们只涉及到叶片的冷却方式，冷却是一个系统。我们获得的冷却空气来源于压气机做功压缩的空气，一边得到了一边就有所失去了，能量是守恒的。但是损失的空气量带来了非常有益的效果，能显著提高发动机的性能，所以被广泛应用。
图片来自网易博客鲜血╬荣耀
各种冷却方式改善了涡轮叶工作环境，但同时也使得涡轮叶片结构复杂，工艺也变得复杂。说涡轮叶片是航发的核心一点不假，材料难结构设计和工艺也难。相关的技术都是相当保密的，我们只能自力更生。以上就是本期的全部内容，欢迎各位小伙伴们继续关注阅读。
参考文献：
[1] 卫海洋，徐敏，刘晓曦. 涡轮叶片冷却技术的发展及关键技术
[2] DownsJ P，Landis K K. TurbineCooling Systems Design:Past，Present and Future［R］.
[3]航空发动机涡轮叶片定向结晶、单晶的冷却技术
空天知识局
从这里读懂空天
声明：原创文章，本文涉及图片均来源网络其版权归原作者所有，文章仅供学习使用，本公众号对此声明拥有最终解释权，转载需注明来自公众号空天知识局，如有涉及版权、以及其他内容请联系作者。
閱讀更多 空天知識局 的文章
