涡轮叶片

涡轮叶片是安装在涡xxx边缘的径向翼型，它产生使涡轮转子旋转的切向力。 每个涡xxx都有许多叶片。 因此，它们用于燃气涡轮发动机和蒸汽涡轮机。 叶片负责从燃烧器产生的高温、高压气体中提取能量。 涡轮叶片通常是燃气轮机的限制部件。 为了在这种困难的环境中生存，涡轮叶片通常使用超级合金等特殊材料和许多不同的冷却方法，这些冷却方法可分为内部和外部冷却以及热障涂层。 叶片疲劳是汽轮机和燃气轮机发生故障的主要原因。 疲劳是由机械工作范围内的振动和共振引起的应力引起的。 为了保护叶片免受这些高动态应力的影响，使用了摩擦阻尼器。

风力涡轮机和水力涡轮机的叶片设计用于在不同条件下运行，这些条件通常涉及较低的转速和温度。

在燃气涡轮发动机中，单个涡轮级由一个装有许多涡轮叶片的旋转盘和叶片前面的固定喷嘴导叶环组成。 涡轮机使用轴（完整的旋转组件有时称为阀芯）连接到压缩机。 空气在通过压缩机时被压缩，从而提高压力和温度。 然后，通过位于压缩机和涡轮机之间的燃烧室中的燃料燃烧，温度会升高。 高温高压气体然后通过涡轮机。 涡轮级从该气流中提取能量，降低气体的压力和温度，并将动能传递给压缩机。 例如，就气体和机器之间的能量交换而言，涡轮机的工作方式类似于压缩机的工作方式，只是相反。 气体温度变化的多少（压缩机增加，涡轮减少）与轴功率输入（压缩机）或输出（涡轮）之间存在直接关系。

对于涡轮风扇发动机，驱动风扇所需的涡轮级数随着涵道比的增加而增加，除非可以通过在涡轮和风扇之间添加齿轮箱来提高涡轮速度，在这种情况下需要更少的级数。 涡轮级的数量对如何为每一级设计涡轮叶片有很大影响。 许多燃气涡轮发动机都是双转子设计，这意味着有一个高压转子和一个低压转子。 其他燃气轮机使用三个阀芯，在高压和低压阀芯之间添加一个中压阀芯。 高压涡轮机暴露在最热、压力最高的空气中，而低压涡轮机暴露在温度较低、压力较低的空气中。 条件的差异导致高压和低压涡轮叶片的设计，即使空气动力学和热力学原理相同，但在材料和冷却选择上也存在显着差异。燃气和蒸汽涡轮机内部在这些恶劣的运行条件下， 叶片面临高温、高应力和潜在的高振动。 汽轮机叶片是发电厂的关键部件，它将高温高压蒸汽沿压力梯度向下流动的直线运动转换为涡轮轴的旋转运动。

涡轮叶片在燃气轮机内承受非常艰苦的环境。 他们面临着高温、高压力和潜在的高振动环境。 所有这三个因素都可能导致叶片故障，可能会损坏发动机，因此涡轮叶片经过精心设计以抵抗这些条件。

涡轮叶片会受到离心力（涡轮级可以每分钟数万转 (RPM) 的速度旋转）和流体力的应力，这些应力会导致断裂、屈服或蠕变失效。

此外，现代燃气轮机的xxx级（紧接燃烧器之后的级）面临的温度约为 2,500 °F（1,370 °C），而早期燃气轮机的温度约为 1,500 °F（820 °C）。 现代军用喷气发动机，如 Snecma M88，涡轮温度可达 2,900°F（1,590°C）。 这些高温会削弱叶片并使它们更容易发生蠕变故障。 高温还可能使叶片容易腐蚀失效。 最后，发动机和涡轮机本身的振动会导致疲劳失效。

早期喷气发动机的一个限制因素是发动机热区（燃烧室和涡轮）可用材料的性能。 对更好材料的需求激发了合金和制造技术领域的大量研究。