科普男：今天我们来继续顺着航空发动机的主流通道往下，进入到下一个部件——涡轮吧！
听众：这里就是航空发动机的热端部件了吧？
科普男：是的。涡轮，紧随燃烧室其后（图1），是一种能将燃烧室流出的高温、高压燃气的大部分能量转化为扭矩输出的机械装置，在高速旋转下产生大的功率，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。
图1 航空发动机中的涡轮
听众：涡轮的结构形式看起来和压气机很相像啊！
科普男：结构上看，涡轮的基本结构是由一个导向器和一个涡轮转子组合成一个涡轮级。涡轮可由一个或几个涡轮级组成，分别叫做单级涡轮或多级涡轮。看似结构相同的涡轮与压气机实则大有不同：涡轮是导向器在转子之前，且两叶片间形成的通道呈收敛形（通道入口处面积比出口大），我们也称出口最小截面为“喉道”（图2）。燃气气流在收敛通道中流过时，速度提高、压力降低。这里给大家一个定量上的概念，“喉道”部分的流速可达当地声速，而在极高的燃气温度下其速到可达800m/s。也就是说，涡轮导向器出口气流是在以高铁的速度在跑。而且在临界截面后气流还将进一步加速，以超音速进入转子叶轮。
图2 涡轮导向器的“喉道”及其通过气流
听众：还不如火车头大的航空发动机内部竟然有这么高的流速！
科普男：涡轮叶片还有一个特点就是沿叶高方向上是扭转的，这是因为沿叶高方向上气流切向速度大小会变化，导致相对速度大小和方向改变，因此涡轮叶片都是沿叶高方向上的基元级叠加而成（图3）。
图3 扭转的涡轮叶片
科普男：值得一提的是，涡轮的工作环境可谓“炙焰炼狱”。涡轮工作叶片在被高温燃气包围的同时还要受到转子高速旋转时叶片自身的离心力、气动力、热应力以及振动负荷,而且在热燃气作用下还易于腐蚀。高速（每分钟几万转）旋转下叶片自身将承受一万倍的离心力，相当于给每个叶片上面吊上近十头非洲森林大象（图4）。另外,由于航空发动机的工况不断变化,叶片还得经受冷热疲劳,所以它是发动机中工作条件最为恶劣的零件。
图4 高速旋转下叶片承受的超强离心力
听众：那么为什么不能降低燃烧室出口温度给涡轮降降温呢？
科普男：这是个好问题，实际上这么高的涡轮进口温度也是航空发动机性能提升的需求下提出的必要条件之一。航空发动机的基本热力循环是布雷顿循环（Brayton cycle），如图5所示。空气在压气机中等熵压缩，在燃烧过程中等压加热，在涡轮与尾喷管中等熵膨胀，在机体外释放热量。而对于发动机中的真实循环来说，因为摩擦、气动损失等不可逆过程的存在，气体的压缩和膨胀过程并不是等熵的，而是一个熵增过程。为实现高的整机工作效率，通常的方法是提高压气机的压比（Pressure Ratio，PR）和提高涡轮进口温度（Turbine Entry Temperature，TET）。也就是说，第一级涡轮的温度对航空发动机性能的提升至关重要。
图5 航空发动机中的布雷顿循环
听众：那么发动机中的TET到底有多高呢？
科普男：随着科学技术的进步，近年来发动机设计中涡轮进口温度与日俱增，罗罗的Trent系列更是直逼2000K，这已经远远大于大多数的金属合金的熔点，给涡轮设计和材料与工艺生产均带来极大的挑战。
图6 近年来涡轮进口温度演变趋势
科普男：在如此高温的环境中长时间工作，普通的钛合金都会软化变形。陶瓷虽耐高温却脆性太大，高温合金方面镍系合金材料的确能够耐高温，但其密度较大，会拉低发动机的推重比（发动机推力与自重之比）。因此在需要斤斤计较的航空发动机上就需要科研人员集中精力开发耐高温的轻合金材料和加工工艺来满足生产涡轮盘和涡轮叶片材料的需求。这种配方也都是各国航空发动机的核心机密。
听众：看来材料和工艺对发动机的研制也是至关重要的啊！
科普男：是的。即便经过缜密的发动机设计，由于涡轮部件身处恶劣环境，仍然可能在工作状态下发生故障，而且其故障往往引起严重的后果。CS100客机用的PW1500G低压涡轮1级轮盘爆裂非包容故障就是由于庞巴迪的试车人员未遵守停车前必须在高压转子转速低于70%下至少运转10min以冷却发动机这个规定，多次在大转速下直接停车，使滑油导管上的封严圈在高温作用下失效，漏出的滑油在高温下自燃，连续不断的燃烧火焰，在轮盘上烧出一个整环的缺口，盘外缘在离心力作用下爆裂，其断片击穿机匣甩出发动机，打伤飞机多处结构（图7）。
图7 PW1500G涡轮盘爆裂非包容故障
科普男：遄达1000中压涡轮工作叶片隔热凃层未到设计寿命而过早地脱落，使叶片表面与高温燃气接触，造成叶片硫腐蚀而断裂，一口气打伤1-5级静子叶片与工作叶片，类似的事故屡屡造成787客机扒地停飞（图8）。罗罗公司一名高级管理人员对媒体宣称，2018年公司用于处理中压涡轮工作叶片腐蚀断裂故障的费用高达4亿5千万英镑。
图8 涡轮叶片断裂787停飞造成巨额经济损失
听众：那还有什么设计办法能给涡轮降降温吗？
科普男：为了让涡轮叶片在“炙焰炼狱”中得以喘息，设计人员目前采取的主要手段是对其应用冷却技术和涂层保护：叶片内部制成空心结构并用高速流动的冷空气带走热量；叶片外部还需要有保护膜，外加热障涂层减低热传递，降低到达叶片的热量。
科普男：所以小小叶片结构上蕴藏着大讲究：为了实现有效冷却，科研人员在叶片内部发展出多种冷却结构形式，包括蛇形通道，扰流肋结构，气膜冷却，冲击冷却，双层壁结构……（图9）在狭窄的叶身里重重组合，可谓是“螺蛳壳里做道场”！
(a)蛇形通道
(b)扰流肋结构
(c)气膜冷却
(d)冲击冷却
(e)冲击冷却
(f)双层壁结构
图9 多种多样的涡轮叶片冷却结构
听众：原来涡轮叶片有这么复杂而多样的冷却结构啊！
科普男：其实，涡轮还有很多有趣的设计：比如，为了提升气动效率，很多发动机特别是比较先进的发动机的涡轮工作叶片常采用“带冠”结构以减少叶片尖部由叶盆向叶背的漏气,降低二次损失，同时还可以缓解振动问题（图10）。
图10 “带冠”涡轮叶片
听众：涡轮的结构设计真的充满学问！
科普男：是的，涡轮结构设计是一门大学问，需要兼顾性能需求和材料工艺水平。同学们回去也可以就感兴趣的内容深入学习！我们下一讲再见！
听众：再见！
