[科普中国]-涡轮叶片

涡轮叶片是燃气涡轮发动机中涡轮段的重要组成部件。高速旋转的叶片负责将高温高压的气流吸入燃烧器，以维持引擎的工作。为了能保证在高温高压的极端环境下稳定长时间工作，涡轮叶片往往采用高温合金锻造，并采用不同方式来冷却例如内部气流冷却、边界层冷却、抑或采用保护叶片的热障涂层等方式来保证运转时的可靠性。在蒸汽涡轮发动机和燃气涡轮发动机中，叶片的金属疲劳是发动机故障最主要的原因。强烈的震动或者共振都有可能导致金属疲劳。工程师往往采用摩擦阻尼器来降低这些因素对叶片带来的损害。

简介涡轮发动机叶片一般承受较大的工作应力和较高的工作温度, 且应力和温度的变化也较频繁和剧烈,此外还有腐蚀和磨损问题 ,其对工作条件的要求非常苛刻 , 因此要求叶片的加工精度很高。同时 ,为提高涡轮效率,涡轮叶片的表面形状通常设计成扭曲的变截面曲面, 形状复杂。因而 , 涡轮叶片的精确几何造型就成了涡轮加工的必要前提。涡轮叶片几何造型实质就是要找到一种既能有效地满足形状表示和几何设计要求 ,又便于形状信息和产品数据交换的数学方法来描述涡轮叶片曲面。

几何造型用的涡轮叶片原始数据为根据流体动力学原理计算出来的沿叶高方向上的截面型值点数据 。在图一中给出了叶片在叶高方向的5个截面 。

大型燃气涡轮叶片冷却技术近年来，随着大型燃气轮机性能的不断提高，为进一步减少有效气体的消耗．提出了汽雾两相流冷却方案，即涡轮叶片由空气冷却逐渐转向空气和蒸汽双工质冷却，现已日益成为研究的热点。大量研究表明，汽雾冷却具有冷却快、冷效高、流阻小和结构简单等优点，将在下一代高性能燃气轮机的涡轮叶片冷却中发挥重要作用。通过对带冲击气膜结构冷却的数值模拟，平均冷却效率明显提高，且低温区明显延长。

燃气轮机作为大型动力装置，广泛应用于发电及各种工业领域。其主要性能指标为系统循环热效率和输出功率，均随涡轮转子燃气进口温度的增加而增加；据计算，RIT在1073—1273 K范围内每提高100度。燃气轮机的输出功率将增加20%～25%，节省燃料6%一7%。燃气轮机性能的不断提高，关键在于RIT的提高，而RIT的增加要考虑燃气轮机热端部件材料的耐温程度和低NO戈排放量。RIT远高于涡轮叶片金属材料的熔点，尤其下一代燃气轮机将以氢气和人造气为燃料，RIT将会更高，所以冷却必不可少。先进的冷却技术可使热端部件能承受更高的工作温度，提高燃气轮机的循环热效率，延长燃气轮机的使用寿命，提高了系统工作的安全可靠性。据推算，如果无冷却导向叶片材料的使用温度能达到1470 K，则该导向叶片采用内部对流冷却时，可使涡轮进口温度提高到2200 K。由此可见，开展叶片冷却技术的研究具有十分重要的意义。1

轮叶片冷却技术发展早期的涡轮叶片没有采用冷却技术，由于受叶片材料的限制，RIT难以超过1323 K。随着冷却技术和耐高温复合材料的发展，20世纪50年代有冷却的RIT最高为1203 K，到了60年代，采用了气冷式涡轮后R1T突破了1273 K，到60年代末R1T达到1423 K，十年内R1T提高493 K，70年代和80年代初的RIT增加到1643 K，十年内又增加了493K，如图l所示。随着冷却技术的日益成熟。已形成了多种基本的涡轮叶片空气冷却技术引。

航空发动机涡轮叶片的多学科设计优化在传统涡轮叶片设计中,一般遵循以下一个过程先由总体性能部门定出叶片所要达到的性能指标,然后由结构设计部门进行设计,设计出达到气动性能要求的叶片后,移交强度计算部门进行强度~振动~寿命计算,如合格,则叶片设计就告一段落,如不合格,则由设计部门重新进行设计,然后由强度部门进行计算,如此循环,达到要求为止,这样的设计不仅仅周期长,而且也很难找到叶片最佳设计形状,不符合现代航空发动机研制发展要求。

本文2提出采用多学科设计优化方法(MDO)进行单级实心涡轮动叶设计,多学科设计优化是一门新兴的交叉科学,是航空航天科技飞速发展的产物,将MDO开辟为一个新的研究领域是近二十年的事情,九十年代国际上,尤其是美国在MDO领域展开了积极的探索研究,每年都有大量与该领域相关的研究论文发表;当前,MDO是国际上飞行器设计方法研究中的一个最新~最活跃的领域,但在航空发动机领域的研究和应用非常少,对航空发动机涡轮叶片,由于工作环境非常恶劣,不仅承受高速旋转的离心力,同时还承受气流流场~温度场等的作用力,因此,其分析将涉及到气动\传热\结构\强度\振动等多个学科,是典型的多学科设计问题,有必要借助多学科设计优化方法进行设计G多学科设计优化方法可同时考虑各学科的影响,借助现代计算机技术,在短时间内分析比较成百上千个设计方案,预先淘汰绝大多数非优方案,一步步逼近多学科整体最优解,从而有效的提高设计质量并大大加快设计进度。

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任毅如 - 副教授 - 湖南大学