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渦輪葉片發(fā)展歷程、市場現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 航安型芯    2023-08-21

（1）渦輪葉片發(fā)展歷程及趨勢

渦輪葉片分為渦輪導(dǎo)向葉片和渦輪工作葉片兩類。

①渦輪導(dǎo)向葉片，主要作用為調(diào)整燃燒室排出的燃?xì)饬飨颍牧瞎ぷ鳒囟茸罡呖蛇_(dá) 1,100℃以上，渦輪導(dǎo)向葉片承受的應(yīng)力一般低于 70MPa；該部件往往由于受到較大熱應(yīng)力而引起扭曲，溫度劇變產(chǎn)生熱疲勞裂紋以及局部溫度過高導(dǎo)致燒傷而報(bào)廢。

②渦輪工作葉片，處于渦輪發(fā)動機(jī)中溫度最高、應(yīng)力最復(fù)雜、環(huán)境最惡劣的部位，該部件在承受高溫的同時需承受較大的離心應(yīng)力和熱應(yīng)力；其所承受溫度低于相應(yīng)渦輪導(dǎo)向葉片 50-100℃，但在高速轉(zhuǎn)動時，由于受到氣動力和離心力的作用，葉身部分所受應(yīng)力達(dá) 140MPa，葉根部分達(dá) 280-560MPa。渦輪工作葉片結(jié)構(gòu)與材料的不斷改進(jìn)已成為航空發(fā)動機(jī)性能提升的關(guān)鍵因素之一。

渦輪葉片與渦輪軸、渦輪盤等部件共同組成航空發(fā)動機(jī)的渦輪。渦輪是驅(qū)動壓氣機(jī)及其他附件的動力源。渦輪可以分為轉(zhuǎn)子和靜子兩個組件：

①渦輪轉(zhuǎn)子：是由渦輪工作葉片、輪盤、軸及裝在軸上的其他轉(zhuǎn)動零件組成的一個整體，負(fù)責(zé)將高溫高壓的氣流吸入燃燒器，以維持發(fā)動機(jī)的工作。渦輪轉(zhuǎn)子在高溫及高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下工作，并傳遞大功率，所以其工作條件極端惡劣。高溫工作時渦輪轉(zhuǎn)子要承受極高離心力，此外還要受到氣動力矩的作用等。高溫環(huán)境會使得渦輪葉片材料的極限強(qiáng)度下降，還會使渦輪葉片材料產(chǎn)生蠕變和侵蝕。

②渦輪靜子：是由渦輪導(dǎo)向葉片、外環(huán)和內(nèi)環(huán)等部件組成。其固定在機(jī)匣上，主要作用為擴(kuò)壓整流，為下一級渦輪轉(zhuǎn)子改變氣流方向，以迎合渦輪工作葉片的速度三角形。

為了提升推重比等性能指標(biāo)，航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片對高溫、高風(fēng)速等的耐受要求不斷提升。主流航空渦扇發(fā)動機(jī)中，渦輪驅(qū)動壓氣機(jī)以最高達(dá)每

秒上千轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入渦輪發(fā)動機(jī)的空氣在壓氣機(jī)中逐級增壓，多級壓氣機(jī)的增壓比可達(dá) 25 以上。增壓后的空氣進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒室，與燃油混合、燃燒。燃油火焰需要在以 100m/s 以上高速流動的高壓氣流中穩(wěn)定燃燒。

從燃燒室出來的高溫、高壓燃?xì)饬黩?qū)動渦輪工作葉片以每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)至上萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，通常渦輪前溫度要超過渦輪葉片材料的熔點(diǎn)。在工作過程中，現(xiàn)代發(fā)動機(jī)的渦輪葉片通常要承受 1600~1800℃的高溫，同時還要承受 300m/s 左右的風(fēng)速，以及由此帶來的巨大的空氣壓力。

渦輪葉片需要在這種極為惡劣的工作環(huán)境下可靠工作幾千小時至上萬小時。渦輪葉片型面復(fù)雜，大量使用定向凝固、粉末冶金、復(fù)雜空心葉片熔模鑄造、復(fù)雜陶瓷型芯制造、微孔加工等先進(jìn)制造技術(shù)。

渦輪葉片是目前“兩機(jī)”所有零部件中制造工序最多、周期最長、合格率最低的零部件之一，復(fù)雜空心渦輪葉片的制造已成為當(dāng)前“兩機(jī)”研制的核心技術(shù)。

圖片來源：中國航發(fā)商發(fā)官網(wǎng)

（2）市場現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

航空發(fā)動機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中的葉片主要包括風(fēng)扇葉片、渦輪葉片和壓氣機(jī)葉片，其中渦輪葉片價值量占葉片總體成本的 60%左右。相較風(fēng)扇葉片，渦輪葉片原材料價值更高、加工難度更大。

渦輪葉片作為發(fā)動機(jī)重要熱端部件，需要使用高溫合金材料，其冶煉技術(shù)要求高，并且部分金屬礦產(chǎn)資源較稀缺。在制造工藝上，渦輪葉片一般采用熔模鑄造，實(shí)現(xiàn)薄壁和復(fù)雜冷卻結(jié)構(gòu)，制造難度較其他葉片提升顯著。

如廣泛應(yīng)用于波音 737 系列和空客 320 系列的 CFM56 航空發(fā)動機(jī)中，渦輪葉片數(shù)量超過千個，單個成本均超過萬元，某些部位的渦輪葉片單價甚至超過 10 萬元。