发动机故事系列⑧
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废话已经说太多，在你们开始取关之前，下面开始正文
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当空气经过燃烧室燃烧以后呢，产生了大量的热，然后就开始自我膨胀了。
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膨胀了就想逆天，想反杀。这时候，发动机觉得不能让它一直这么膨胀，就决定让膨胀的废气冷静冷静。
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想反杀是不可能了，那就只能继续往后走。这时候废气就开始进入到了涡轮段。涡轮是干嘛的呢，涡轮大约会吸收60%-70%的废气能量，它是负责把把废气里面的一部分动能转化为机械能然后驱动前面的压气机和附件工作的，这样才能产生发动机需要的推力。一边吸着有毒的尾气，一边工作，有木有很伟大。
和压气机类似，涡轮也是由静子（stator）和转子（rotor）两部分组成，但是一个最明显的不同是，压气机是转子在前静子在后，这样构成一级压气机，而涡轮是静子在前转子在后构成一级涡轮。静子我们有很多种称呼（下文统一称呼涡轮喷嘴叶片），常见的有涡轮进口导向叶片（Turbine Inlet Guide Vane），涡轮进口喷嘴叶片（Turbine Inlet Nozzle Vane）和喷嘴导流片（nozzle diaphragm）。
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涡轮喷嘴叶片
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涡轮转子叶片
涡轮喷嘴叶片就在燃烧室出口处，在第一级涡轮转子前面。这个位置是整个发动机金属直接接触到的最高温度（燃烧室的内外环上有气膜冷却），由于温度高，所以涡轮进口温度必须被控制得很好以免烧坏叶片。而这个进口温度就是我们前面说过的EGT（具体可以看《燃烧吧，发动机》第一篇最后）。
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上图就是一段涡轮喷嘴叶片，形状看上去和压气机的叶片有点类似，但是根据伯努利定律，叶片之间却不是扩散口的形状，而是收缩口，保证能够实现降压加速的目的。
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上图左边是伯努利定律示意图，经过收缩口时，速度增加，压力和温度降低。右边的图是涡轮的侧视图，气流先是经过涡轮喷嘴叶片，注意看叶片之间是一个收缩口，废气速度增加压力降低，这是涡轮喷嘴的第一个作用。废气经过导向后必须以合适的角度撞击到转动的转子叶片上，所以涡轮喷嘴叶片还有给空气导向的第二个作用。
涡轮喷嘴组件为了保证叶片都是固定的，在叶片两头会各有一个内环一个外环来固定，这是为了增加整体的强度而设计的。根据不同的发动机的类型和尺寸，叶片的数量和尺寸也会有差异。一般常见的有可拆卸的叶片和整体焊接的叶片。
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上面A图是可拆卸的叶片，B图是整体焊接的叶片
但是根据之前那张图我们可以看到，涡轮喷嘴叶片都是一段一段的，这是为什么呢？
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在涡轮段，由于温度真的是灰常高，这时候就带来了另外一个非常严重的问题，严重到什么程度呢，一个处理不好就GG了。
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相信根据文章一开始的内容，大家已经猜到了，这个严重的问题就是高温引起的
高温就会膨胀，膨胀就会药丸带来一系列的问题。这里热膨胀是说的涡轮喷嘴由于受热的膨胀。在设计整个涡轮组件的时候，不管是能拆装的还是焊接的，这些部件都要考虑到热膨胀的问题，可拆装叶片的设计保证了每一个零件之间都有会有足够的空间膨胀。如果是整体设计，由于温度变化剧烈，时间长了就会出现变形，卷曲等问题，为了解决这个问题，所以便把涡轮进口喷嘴设计成一段一段的。
接下来我们来说说转子部分
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转子部分由涡轮机叶轮（turbine wheel）和转动轴（shaft）组成。涡轮机叶轮是一个动平衡单元然后由涡轮盘和连接在上面的叶片组成。只有当叶片装在涡轮盘上面这个部件才叫做涡轮机叶轮（turbine wheel），单独的一个盘我们就叫做涡轮盘（disk）。
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这个涡轮盘又和传动轴连接在一起，最终形成了一个涡轮转子组件。在涡轮叶轮转动时，由于转速很高，所以涡轮机叶轮上面会有巨大的离心荷载（centrifugal load），同时这个位置的温度又非常高，这两点都会降低材料本身的强度，所以转速和高温我们都需要控制的很好。
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说到温度控制，我们最后来唠唠主动间隙控制（Active Clearance Control，简称ACC）系统。首先我们看图可以发现涡轮叶片的尖端会有两条凸起。
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这两条凸起的玩意是用来封住气体的，不让气体从尖端流走导致效率的降低。但是呢，由于涡轮部分的温度太高，外部的机匣受热也会膨胀，这时候气体仍然会从尖端流过。在冷车的时候，由于机匣温度低，叶片便会对机匣发生碰磨。叶尖的间隙过大和过小都会对发动机造成不利的影响，为了解决这个问题，ACC就出现了。
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上图就是一套ACC系统
ACC可以分为热控制，机械控制和压力控制三种。热控制就是从发动机的风扇或压气机处引气，对涡轮机匣，外环这些地方进行冷却冲击，减少热膨胀。同时通过控制引气的流量和温度来对膨胀量进行控制。机械控制是靠连接装置和驱动装置一起工作实现间隙控制。压力控制就是靠发动机内部和外部供应的压力加上活门的调节使得发生载荷偏移，使得涡轮外环发生位移从而控制间隙。这三种方式里面，由于热控制结构简单并且技术成熟，现在的民航发动机基本上都是采用热控制的方法，例如我们熟悉的CFM56，V2500，GE90等发动机，所以我们就着重看看热控制。
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ACC由许多的管子组成，在高压涡轮（HPT）段，ACC的管子比低压涡轮（LPT）粗很多，这是因为高压涡轮部分涡轮更加的高。
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我们前面的文章有提到过发动机的引气，这里也是靠引气过来然后给不同级数的涡轮降温。上图中蓝色的尖头表示引气，先要经过一个控制阀门，然后进入到一个空气分配的盒子里（air distribution box），然后在分配到每一个圆形所代表的环状的管道中去给机匣降温。
CFM56的ACC在慢车阶段从压气机的后几级引入热空气来让机匣膨胀，从而避免叶尖与机匣碰磨。当飞机在巡航阶段便从风扇或者压气机前几级引气来给机匣降温，从而保证机匣不会过于膨胀导致叶尖的间隙增大。像V2500，GE90和LEAP-X等发动机只会在飞机爬升的最后阶段引入风扇的冷空气来给涡轮机匣降温。这一种装置结构更为简单，现在大部分发动机都是这种操作。
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以上就是今天的全部内容
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