文 | 三楼的泡芙

为了实现亚兆瓦级涡轮机的高效率（40%），必须在涡轮机入口温度（TIT）高于1300°C的条件下运行，将废气回收到布雷顿循环中。

研究人员提出一种新颖的涡轮配置，称为由内而外的陶瓷涡轮（ICT）叶轮配置，该配置使用整体陶瓷叶片以实现高效的亚兆瓦回热式发动机。

ICT叶轮的配置采用了内部向外的结构，它利用旋转的结构环或护罩将离心力转化为压缩叶片的负载。

滑动叶片涡轮机设计

摩擦力在叶片和结构护罩之间形成，结合了弹簧施加的力，在各种条件下都能保持涡轮机的完整性，叶片的运动由结构护罩因离心载荷而引起的膨胀来决定，随着转速的增加，护罩的半径也增加，使叶片上升到各自的滑动平面。

滑动叶片架构使用了一组轴向弹簧，这些弹簧排列成星形盘的形式，每个叶片都与一个辐条相连，这确保了每个叶片在沿其滑动平面移动时受到独立的力。

为了验证所提出的设计，制造了一个功能原型，其中包括由Proof Research Advanced Composites Division制造的结构护罩。

还包括轴向弹簧、冷却环和由Inconel 718制成的轮毂，以及由SN235P氮化硅制成的整体陶瓷刀片。

这个原型使用了较小的涡轮机外径（75毫米），以降低开发成本，但可以扩展到几兆瓦的涡轮机，这个滑动叶片ICT原型是同类产品中首款将功能设计与涡轮级材料相结合的原型，能够在叶尖速度达到350 m/s，同时承受1100°C的高温。

实验装置及方法

在一个实验室环境中进行了一项ICT（涡轮增压器冷却技术）原型的性能验证，这个原型涉及滚珠轴承和压缩机轮的使用，它们被取出自汽车涡轮增压器单元，并安装到一个特制的水冷外壳中。

在这个验证过程中，罐式燃烧器采用丙烷和氢气作为燃料来引燃火焰，为了测量温度，燃烧室的末端放置了四个K型热电偶阵列，用于测量温度（TIT）。

位于压缩机和燃烧室之间的远程致动放气阀用于控制质量流量，外部压缩机提供冷却。

验证过程分为两个阶段进行，先进行了一系列五次为期5分钟的测试，逐渐将TIT从950°C增加到1100°C，同时逐渐增加叶尖速度从300 m/s到350 m/s，随后在1100°C TIT和350 m/s叶尖速度下进行了长达一小时的连续测试。

在每个测试期间，TIT在15秒内以120 m/s（40 krpm）的最大叶尖速度升至测试温度，这个状态被保持恒定40秒，之后在60秒内升至测试目标速度，测试的时间从这一点开始计算。

为了防止热浸，测试完成后，降低温度和转速，然后切断燃料供应，在每次测试中，冷却环中的平均冷却质量流量被保持在主流量的11%。

需要注意的是，这种冷却质量流量是用于概念验证阶段，未来的涡轮机中可能会大幅减少，报告中提到的TIT是四个热电偶放置在燃烧室末端所测得的平均值，这是关键的性能参数。

为了测量关键涡轮机部件的温度，采用了热致变色涂料，具体来说是热致变色涂料KN5，它可以观察到宽广的温度范围（260–1250°C）。

测试后的油漆颜色与校准后的优惠券进行比较，以确保准确性，每个试样都按制造商建议的高温操作流程进行固化，即在260°C下进行1小时的固化，然后升温至校准温度，并保持5分钟。

制造商提供的校准试样符合内部测试，涡轮机叶轮的所有陶瓷和金属部件都喷涂有热涂料，以确保测量精度。

这项研究的目的是验证ICT原型的性能，以便在未来的涡轮机中应用这一技术，通过以上的描述，可以清晰地了解这项实验的方法和步骤。

在经过持续1小时的测试后，样机经过目视检查和拆解，未出现任何损坏或退化的迹象，这一重要的成就标志着信息通信技术（ICT）配置的发展迈出了重要一步。

需要注意的是，由于测试装置的最高工作温度限制，测试仅涵盖了涡轮增压器的入口温度，但结果显示叶片和涡轮机没有发生退化。

这远低于该材料的玻璃化转变点（335°C），此外，冷却环的温度也得到了有效控制，与叶片的接口处的最高温度为600°C，这些数据反映出叶片的温度范围在600°C到900°C之间。

这些结果为ICT配置的可行性提供了坚实的支持，通过有效的冷却系统和关键部件的表现，该技术似乎可以在未来的涡轮机应用中发挥关键作用，这一研究为进一步的发展和改进提供了有力的基础。

陶瓷刀片寿命分析

为了评估测试原型的预期寿命，研究团队进行了热机械有限元（FE）模拟分析，以深入了解涡轮机的性能。

有限元模型在分析过程中用于研究温度分布，识别涡轮机叶片的临界应力位置，并确定叶片的可靠性，这项分析是在Ansys Workbench中执行的，其中涉及了热结构耦合有限元分析。

在这个模拟中，考虑到测试温度（TIT）为1100°C，对于叶片轮廓和叶片护罩，应用了表面平均对流系数，分别为840瓦/米2·°C和490瓦/米2·°C，冷却环的对流系数为1250瓦/米2·°C，这个值是基于参考文献中的理论和一维传热模型提取的。

由于冷却环是通过三维打印制造的，因此在计算对流系数时，研究人员还考虑了由于制造工艺引起的高表面粗糙度对热传递的影响。

冷却环的入口温度为77°C，出口温度升至150°C，在实际发动机中，具有约为8的压力比的情况下，冷却环可能需要通过中间冷却器供气。

根据轴承位置的油温测量，轮毂和轴的底部被固定在227°C，其他表面被视为绝热表面，通过热分析得到的最终温度分布与使用热涂料获得的温度测量结果一致。

热分析的结果被引入结构分析中，为了简化模型的收敛，所有金属与金属之间的界面都采用了无摩擦接触。

在冷却环和结构护罩之间采用了75μm径向压配合的粗接触，通过初始压配合和高压界面，防止了冷却环相对于结构护罩的滑动，根据研究人员的工作，叶片（Si3N4）与冷却环（Inconel 718）之间采用了0.3的摩擦系数。

经过长达5000小时的运行，由于压缩应力引起的蠕变问题可以被忽略，研究团队还使用Cares软件分析了叶片慢速裂纹扩展的可靠性。

这些模拟和分析结果为评估测试原型的寿命提供了重要的信息，有助于了解涡轮机性能和叶片可靠性。

Cares是一款能够根据商业有限元分析软件计算出的输入应力水平来预测陶瓷部件失效概率的工具，失效概率（Pf）的计算基于独立作用原理（PIA）理论。

根据PIA理论，给定元素的Pf是各个主应力引起的Pf乘积，通过将所有元素的Pf乘积汇总，可以得到组件级的Pf。

根据相关数据，小型飞机的多个涡轮发动机要求危险故障率低于每小时10^(-7)，这相当于运行5000小时的故障概率低于5 × 10^(-4)，前提是失效概率是恒定的。

16叶片组在不同运行时间下对应的故障概率制成图表，可以观察到，当排除了顶部接口的情况时，16叶片组的总故障概率低于10^(-5)5000小时，甚至超过了这个目标。

当考虑到叶片顶部时，由16个叶片组成的完整叶片组的故障概率目前尚未达到所要求的目标。

这种失效概率差异源于叶片核心与整个叶片之间的应力分布，特别是在靠近叶片与冷却环界面的小体积内。

降低界面处的摩擦和应力是一个合理的解决方案，通过在相同的有限元分析下考虑不同摩擦系数（μ = 0.1-0.3），可以观察到在运行5000小时后对叶片Pf的影响。

与冷却环与陶瓷界面的摩擦系数相关的叶片失效概率的结果趋势表明，界面处摩擦的轻微减小会导致失效概率呈指数下降，这表明通过减少界面处的摩擦，最终可能会实现在实际发动机应用中可接受的叶片故障概率。

这种新的 ICT 架构使原型机在 1100 °C 的 TIT 和 350 m/s (115 krpm) 的叶尖速度下成功进行了超过 1 小时的连续测试，涡轮机未出现任何故障或损坏。

这些成就标志着ICT发展的一个重要里程碑，但很明显，陶瓷叶片顶部高压界面处的拉应力必须降低才能达到可接受的可靠性。

数值灵敏度分析表明，减少该界面处的摩擦将导致叶片故障概率可接受，克服这一挑战可能会导致一种发动机为需要大型燃气轮机功率密度、效率和可靠性但规模较小的应用开辟新的可能性。

将对滑动叶片架构进行进一步的设计迭代和更长时间的测试，以探索 ICT 配置在叶尖速度和入口温度方面的性能极限。

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