涡轮丨湘潭大学杨丽：关于航空发动机热障涂层工况模拟试验涡轮模型设计的一些探讨

热障涂层是目前保护航空发动机内部热端部件、提高其热效率最常用的方法和发动机必备的关键技术之一。航空发动机热障涂层服役环境极其严苛，其剥落失效面临巨大瓶颈，研制热障涂层服役环境模拟装置是理解热障涂层机制的重点。该文基于航空发动机热障涂层热、力、化多场耦合等实际服役环境，探讨有关热障涂层工况模拟试验用涡轮模型的设计。该模型是热障涂层工况模拟装置的核心模块之一。主要内容如下：(1)基于动力学平衡原理，结合发动机两类叶片数量之比等比例设计导向、工作叶片热障涂层的数量和位置；(2)基于高温燃气与高速旋转交互作用后尾迹、湍流的位置设计导向叶片与工作叶片之间的夹角；(3)基于涡轮叶片高速旋转线速度来设计模型件关键部件，包括导向叶片、工作叶片、涡轮盘的尺寸；(4)基于不同试验目标与测试要求选用不同类型的涡轮模型，第一类模型适用于工作叶片热障涂层的模拟考核与导向叶片热障涂层检测，第二类模型适用于工作叶片热障涂层的检测与机制研究。

航空发动机是衡量一个国家国防实力和科技水平的重要标志，推重比的提升是航空发动机发展的永恒追求.随着推重比的提高，涡轮前燃气进口温度也会大幅度地提高.后来，美国NASA提出了热障涂层的概念，即在高温合金基底的表面喷涂一层耐高温、高隔热的防护涂层，以降低合金表面温度，从而提高发动机的热效率.

研制模拟热障涂层服役环境的试验平台，研究涂层剥落的机制，是解决涂层剥落失效的必然途径，也是国际这一研究领域的重点与绝密内容.我国热障涂层的服役寿命较国际水平还有较大差距，发动机试车前的评价技术与试验平台极度匮乏，尤其是缺乏能够模拟发动机叶片高速旋转的试验平台.涡轮涵盖了高速旋转涡轮盘与涡轮叶片的整体制备，包含不旋转的静子部分和旋转的转子部分.静子部分包含导向叶片等，转子部分主要有工作叶片、涡轮盘等.热障涂层剥落失效除了涂层本身极为复杂的结构和极其严苛的服役环境等因素外，涡轮的高速旋转也是导致热障涂层剥落失效的主要原因之一.然而，由于航空发动机涡轮盘的加工工艺极为复杂且造价过高，不适合高校和普通科研院所进行基础研究.为了充分研究和有效预测热障涂层的失效和可靠性问题，研制相关的试验加载装置来模拟热障涂层的服役环境对其破坏机理进行分析是热障涂层领域的研究热点和发展趋势.国内外众多航空航天研究机构投入了大量的人力和物力研制模拟实际服役状态下的试验模拟装置.

热障涂层技术是目前提高航空发动机服役温度最切实可行的技术，是世界航空推进计划的关键隔热防护技术.国内外的众多科研院所研究表明，热力化耦合是造成热障涂层剥落失效的本质原因.由于热障涂层的失效机制是非常复杂的，所以单纯依靠常规的力学实验方法如拉伸、弯曲、加载等是不现实的，研制热障涂层服役环境的模拟装置是理解热障涂层机制的重点，也是发动机强国的核心保密技术.在此装置中，涡轮是其中的一个关键部件，也是一个技术难点.现代发动机的设计不仅对静强度设计提出了要求，更重要的是要进行疲劳、蠕变等设计，最终满足总的寿命和可靠性要求.满足了寿命和可靠性等要求，静强度也是基本可以满足的或者说是可以接受的.结构设计应与强度设计同时进行，互相协调，才能最终设计出好的涡轮模型.

基于此，本文探讨了一种热障涂层工况模拟试验用涡轮模型设计方法，是着重讨论了导向叶片、工作叶片的数量、位置、尺寸，以及涡轮盘的尺寸，同时，根据测试的需求，探讨了两种不同类型的涡轮模型设计.该涡轮模型主要用于在热障涂层工况模拟试验中进行叶片的夹持和高速旋转.

1 涡轮模型的设计方法

1.1 涡轮模型的工作环境

涡轮是航空发动机的核心部件之一，也是最危险的部件之一，承担着将燃气推动涡轮叶片所做的功传递至轴，以带动风扇、压气机等部件工作的任务.其固有的工作环境和工作特点可概括如下：

(1)涡轮位于燃烧室之后，其热环境极其严峻，目前的高性能航空发动机涡轮里的温度已经超过了1 000 K，在这种温度环境下，涡轮材料的强度性能急剧下降，从而不能满足寿命及可靠性的要求，往往需要对涡轮加以冷却.

(2)涡轮盘是涡轮的核心部件，其工作转速一般超过10 000 r/min，承受了极大的离心载荷；由于对涡轮盘的冷却和热环境的分布不均，涡轮盘上受到复杂且随运行工况不断变化的热应力载荷.所以，涡轮盘上受到的总应力水平非常高.

正因为以上特点，涡轮是航空发动机最危险的部件之一.航空发动机涡轮盘在工作过程中不同部位承受的温度和应力载荷不同.航空发动机涡轮盘的轮毂部位承受较高应力和较低温度，航空发动机涡轮盘的轮缘部位承受较低应力和较高温度.这就要求航空发动机涡轮盘的轮缘部位在较高温下具有高的持久、蠕变强度和损伤容限，航空发动机涡轮盘的轮毂部位在较低温度下具有高的屈服强度和低周疲劳性能.

1.2 涡轮模型的设计依据

涡轮模型的设计主要从如下几个方面进行考虑：

(1)工作条件

高温、高转速、高负荷.

(2)几何约束

流道、内孔、盘心处宽度、连接处及连接方式选择，工艺条件的限制.

流道尺寸须由涡轮的性能计算给定，涡轮的结构设计应尽量满足这些要求.流道尺寸确定后，涡轮盘设计的最大外径和盘缘宽度范围也就基本确定了.根据叶片与盘的连接方式，是否有伸根段等，盘的最大外径会有些变化.

(3)强度约束、寿命和可靠性要求

强度约束就是要满足强度设计准则的各项要求.它包括最大径向应力、平均周向应力、内孔处的周向应力、辐板处的周向应力等各项应力水平不超过规定值，以及满足总的安全储备等.具体要求可参考有关的强度设计准则.

现代发动机的设计不仅对静强度设计提出了要求，更重要的是要进行疲劳、蠕变等设计，从而最终满足总的寿命和可靠性要求.满足了寿命和可靠性等要求，静强度也是基本可以满足的或者说是可以接受的.结构设计应与强度设计同时进行，互相协调，才能最终设计出好的涡轮.

1.3 拟定的涡轮模型设计方法

本文从实际应用需求出发，对热障涂层模拟试验涡轮模型的设计进行一些探讨.本文探讨的涡轮模型设计方法主要包括以下几个方面：

(1)基于动力学平衡原理，结合发动机两类叶片数量之比等比例设计导向、工作叶片热障涂层的数量和位置.

(2)基于高温燃气与高速旋转交互作用后尾迹、湍流的位置设计导向叶片与工作叶片之间的夹角.

(3)基于涡轮叶片高速旋转线速度来设计模型件关键部件，包括导向叶片、工作叶片、涡轮盘的尺寸.

2 实施方案

本文拟采用的方案是：根据实际型号发动机的实体件，按照相同的几何形状和尺寸比例进行设计、加工，由于涡轮盘和叶片都按照实际比例进行了缩小，故可以称为模型或者试样.旋转时，根据实际型号叶片的线速度，折算成转速，用以设定和调节试验转速，以保证与实际发动机的工作状态相同.

2.1 涡轮模型关键部分的设计方法

根据以上的设计方法，着重探讨涡轮模型的几个关键部分的设计思路.

(1)导向、工作叶片热障涂层的数量和位置应满足动力学平衡原理.

在喷枪气流的作用下，导向叶片热障涂层数量为两片时，形成气流流道.为保证旋转的稳定性，可以在一个涡轮盘上设计三组导向、工作叶片.导向叶片热障涂层数量应为两片，从而形成气流流道，每一组导向叶片、工作叶片的比例为2∶3，工作叶片每组装1～3个叶片，中间为真实实验叶片，两边为模拟叶片.依据动力学平衡原理，可以得出各组工作叶片之间的夹角应为120°.每组工作叶片、导向叶片之间的夹角为15°.

(2)涡轮模型件的尺寸，如涡轮盘直径、叶片长度，应根据与发动机叶片线速度相似来设计.

为模拟航空发动机叶片真实工作情况，试验用涡轮模型件叶片将采用与之一致的线速度，依据线速度与转速的换算公式(v=2πnr)，已知真实叶片的线速度，拟定模拟叶片的转速，便可求得涡轮盘、叶片的相关尺寸.

拟定试验要求是：转速要求达到20 000 rad/min或线速度400 m/s.根据上述方法，可得出旋转最大外直径382 mm，涡轮盘的直径拟定300 mm左右，叶片长度100 mm左右.

(3)基于高温燃气与高速旋转交互作用后尾迹、湍流的位置设计导向叶片与工作叶片之间的夹角.

依据速度三角形原理，拟定相对速度W1为510 m/s，绝对速度V1为340 m/s，切向线速度U1为400 m/s，根据上述方法，可以求得θ为51.5°.

2.2 针对不同测试目标所延伸的两种设计方案

根据不同的测试目标，可拟定如下两种设计方案，上述的设计思路对如下两种方案通用：

(1)工作叶片旋转、导向叶片静止

如要模拟航空发动机涡轮叶片热障涂层的真实工作状态，需将涡轮盘与工作叶片安装在旋转轴上高速旋转，此时工作叶片不易开展实时监测，但是可以对静止的导向叶片开展实时检测，此法可用于发动机工作叶片热障涂层性能考核以及导叶破坏机制研究.

(2)工作叶片静止、导向叶片旋转

目前的条件下，要实现对高速旋转的对象进行实时动态测试难度很大.为了实现对工作叶片热障涂层破坏过程的实时检测，需采用导向叶片旋转、工作叶片静止的工作方式.此时，将导向叶片通过蜗壳安装在高速旋转轴上，工作叶片固定在试验台上，并通过拉伸机在工作叶片上施加拉伸载荷来模拟离心力.喷枪喷射出的带颗粒的高速燃气经含输入口的封闭室流向导向叶片，由导向叶片加速、反向旋转后加载至静止的工作叶片上.这样设计的最大优势是为热障涂层失效过程的实时监测带来很大的方便.缺陷是工作叶片的拉力是均匀的，无法模拟不均匀的离心力，但作为破坏机制的研究，可以详细分析各种拉力(不同离心力)作用下涂层的破坏机理.此种模式下，工作叶片高速旋转的方式和发动机实际情况的工作方式、服役环境与载荷基本相同，可以用于发动机热障涂层的模拟考核.导向叶片高速旋转在保证了工作叶片热障涂层等效载荷的情况下，实现了实时监测.

3 结论

随着航空发动机朝着大涵道比、高推重比的方向发展，涡轮前燃气进口温度将不断提升，热障涂层技术已成为高性能航空发动机必不可缺的热防护技术.涂层的开裂、剥落失效是热障涂层急需解决的关键问题，找到影响热障涂层失效的关键参数是解决涂层剥落失效的根本，而考虑实际工况对热障涂层失效行为的影响是找到关键参数的必然要求.

本文在上述背景下探讨了模拟航空发动机热障涂层服役环境下模拟装置的关键技术——涡轮模型的设计.该涡轮模型主要用于在热障涂层工况模拟试验中进行叶片的夹持和高速旋转，可模拟高温、腐蚀、冲蚀以及动态旋转或静止的服役环境，为开展涡轮模型的研制提供了理论参考.

声明: 文章内容来源于《湘潭大学学报(自然科学版)》