涡轮叶片发展历程、市场现状与发展趋势分析
思瀚产业研究院 航安型芯    2023-08-21

（1）涡轮叶片发展历程及趋势

涡轮叶片分为涡轮导向叶片和涡轮工作叶片两类。

①涡轮导向叶片，主要作用为调整燃烧室排出的燃气流向，材料工作温度最高可达 1,100℃以上，涡轮导向叶片承受的应力一般低于 70MPa；该部件往往由于受到较大热应力而引起扭曲，温度剧变产生热疲劳裂纹以及局部温度过高导致烧伤而报废。

②涡轮工作叶片，处于涡轮发动机中温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，该部件在承受高温的同时需承受较大的离心应力和热应力；其所承受温度低于相应涡轮导向叶片 50-100℃，但在高速转动时，由于受到气动力和离心力的作用，叶身部分所受应力达 140MPa，叶根部分达 280-560MPa。涡轮工作叶片结构与材料的不断改进已成为航空发动机性能提升的关键因素之一。

涡轮叶片与涡轮轴、涡轮盘等部件共同组成航空发动机的涡轮。涡轮是驱动压气机及其他附件的动力源。涡轮可以分为转子和静子两个组件：

①涡轮转子：是由涡轮工作叶片、轮盘、轴及装在轴上的其他转动零件组成的一个整体，负责将高温高压的气流吸入燃烧器，以维持发动机的工作。涡轮转子在高温及高转速状态下工作，并传递大功率，所以其工作条件极端恶劣。高温工作时涡轮转子要承受极高离心力，此外还要受到气动力矩的作用等。高温环境会使得涡轮叶片材料的极限强度下降，还会使涡轮叶片材料产生蠕变和侵蚀。

②涡轮静子：是由涡轮导向叶片、外环和内环等部件组成。其固定在机匣上，主要作用为扩压整流，为下一级涡轮转子改变气流方向，以迎合涡轮工作叶片的速度三角形。

为了提升推重比等性能指标，航空发动机及燃气轮机涡轮叶片对高温、高风速等的耐受要求不断提升。主流航空涡扇发动机中，涡轮驱动压气机以最高达每

秒上千转的转速高速旋转，进入涡轮发动机的空气在压气机中逐级增压，多级压气机的增压比可达 25 以上。增压后的空气进入发动机燃烧室，与燃油混合、燃烧。燃油火焰需要在以 100m/s 以上高速流动的高压气流中稳定燃烧。

从燃烧室出来的高温、高压燃气流驱动涡轮工作叶片以每分钟数千转至上万转的转速运转，通常涡轮前温度要超过涡轮叶片材料的熔点。在工作过程中，现代发动机的涡轮叶片通常要承受 1600~1800℃的高温，同时还要承受 300m/s 左右的风速，以及由此带来的巨大的空气压力。

涡轮叶片需要在这种极为恶劣的工作环境下可靠工作几千小时至上万小时。涡轮叶片型面复杂，大量使用定向凝固、粉末冶金、复杂空心叶片熔模铸造、复杂陶瓷型芯制造、微孔加工等先进制造技术。

涡轮叶片是目前“两机”所有零部件中制造工序最多、周期最长、合格率最低的零部件之一，复杂空心涡轮叶片的制造已成为当前“两机”研制的核心技术。

图片来源：中国航发商发官网

（2）市场现状与发展趋势

航空发动机和燃气轮机中的叶片主要包括风扇叶片、涡轮叶片和压气机叶片，其中涡轮叶片价值量占叶片总体成本的 60%左右。相较风扇叶片，涡轮叶片原材料价值更高、加工难度更大。

涡轮叶片作为发动机重要热端部件，需要使用高温合金材料，其冶炼技术要求高，并且部分金属矿产资源较稀缺。在制造工艺上，涡轮叶片一般采用熔模铸造，实现薄壁和复杂冷却结构，制造难度较其他叶片提升显著。

如广泛应用于波音 737 系列和空客 320 系列的 CFM56 航空发动机中，涡轮叶片数量超过千个，单个成本均超过万元，某些部位的涡轮叶片单价甚至超过 10 万元。