渦輪葉片

渦輪葉片是安裝在渦xxx邊緣的徑向翼型，它產生使渦輪轉子旋轉的切向力。 每個渦xxx都有許多葉片。 因此，它們用于燃氣渦輪發動機和蒸汽渦輪機。 葉片負責從燃燒器產生的高溫、高壓氣體中提取能量。 渦輪葉片通常是燃氣輪機的限制部件。 為了在這種困難的環境中生存，渦輪葉片通常使用超級合金等特殊材料和許多不同的冷卻方法，這些冷卻方法可分為內部和外部冷卻以及熱障涂層。 葉片疲勞是汽輪機和燃氣輪機發生故障的主要原因。 疲勞是由機械工作范圍內的振動和共振引起的應力引起的。 為了保護葉片免受這些高動態應力的影響，使用了摩擦阻尼器。

風力渦輪機和水力渦輪機的葉片設計用于在不同條件下運行，這些條件通常涉及較低的轉速和溫度。

在燃氣渦輪發動機中，單個渦輪級由一個裝有許多渦輪葉片的旋轉盤和葉片前面的固定噴嘴導葉環組成。 渦輪機使用軸（完整的旋轉組件有時稱為閥芯）連接到壓縮機。 空氣在通過壓縮機時被壓縮，從而提高壓力和溫度。 然后，通過位于壓縮機和渦輪機之間的燃燒室中的燃料燃燒，溫度會升高。 高溫高壓氣體然后通過渦輪機。 渦輪級從該氣流中提取能量，降低氣體的壓力和溫度，并將動能傳遞給壓縮機。 例如，就氣體和機器之間的能量交換而言，渦輪機的工作方式類似于壓縮機的工作方式，只是相反。 氣體溫度變化的多少（壓縮機增加，渦輪減少）與軸功率輸入（壓縮機）或輸出（渦輪）之間存在直接關系。

對于渦輪風扇發動機，驅動風扇所需的渦輪級數隨著涵道比的增加而增加，除非可以通過在渦輪和風扇之間添加齒輪箱來提高渦輪速度，在這種情況下需要更少的級數。 渦輪級的數量對如何為每一級設計渦輪葉片有很大影響。 許多燃氣渦輪發動機都是雙轉子設計，這意味著有一個高壓轉子和一個低壓轉子。 其他燃氣輪機使用三個閥芯，在高壓和低壓閥芯之間添加一個中壓閥芯。 高壓渦輪機暴露在最熱、壓力最高的空氣中，而低壓渦輪機暴露在溫度較低、壓力較低的空氣中。 條件的差異導致高壓和低壓渦輪葉片的設計，即使空氣動力學和熱力學原理相同，但在材料和冷卻選擇上也存在顯著差異。燃氣和蒸汽渦輪機內部在這些惡劣的運行條件下， 葉片面臨高溫、高應力和潛在的高振動。 汽輪機葉片是發電廠的關鍵部件，它將高溫高壓蒸汽沿壓力梯度向下流動的直線運動轉換為渦輪軸的旋轉運動。

渦輪葉片在燃氣輪機內承受非常艱苦的環境。 他們面臨著高溫、高壓力和潛在的高振動環境。 所有這三個因素都可能導致葉片故障，可能會損壞發動機，因此渦輪葉片經過精心設計以抵抗這些條件。

渦輪葉片會受到離心力（渦輪級可以每分鐘數萬轉 (RPM) 的速度旋轉）和流體力的應力，這些應力會導致斷裂、屈服或蠕變失效。

此外，現代燃氣輪機的xxx級（緊接燃燒器之后的級）面臨的溫度約為 2,500 °F（1,370 °C），而早期燃氣輪機的溫度約為 1,500 °F（820 °C）。 現代軍用噴氣發動機，如 Snecma M88，渦輪溫度可達 2,900°F（1,590°C）。 這些高溫會削弱葉片并使它們更容易發生蠕變故障。 高溫還可能使葉片容易腐蝕失效。 最后，發動機和渦輪機本身的振動會導致疲勞失效。

早期噴氣發動機的一個限制因素是發動機熱區（燃燒室和渦輪）可用材料的性能。 對更好材料的需求激發了合金和制造技術領域的大量研究。