渦輪葉片-渦輪引擎的硬體瓶頸

渦輪機提供渦輪引擎的動力輸出，藉著氣流驅動渦輪葉片轉動同軸的壓縮機來做功給氣流，提高氣流的壓力與溫度，另外也藉著渦輪葉片加速氣流，以提供一部分的推力。

一級渦輪葉片分為前置的定子葉片及後置的轉子葉片，在渦扇引擎中，通常會有一到二級的高壓渦輪葉片及4-6級的低壓渦輪葉片，定子葉片在GE的引擎稱為Nozzle Guide Vane(NGV, 噴嘴導引葉片)，在轉變氣流的方向及加速，使氣流能夠在設計的角度衝向轉子葉片(Blade)，得到最佳的能量轉換，葉片的形狀大抵如下：

圖1. 渦輪葉片與速度三角

氣流大抵會順著葉片的排列角度流動，為了得到最大的速度去衝擊轉子，定子的偏轉角度會很大，約略偏離軸向速度70度左右，原因是在定子出口的軸流速度固定的情況下，出口的偏角越大，其周向速度越大，總和的流速也就越大，最佳進入轉子的角度依據其轉子前緣角度及轉子的額定轉速決定。

圖2. 高壓渦輪組件

圖2顯示一個高壓渦輪中的第一級NGV及第一、二級的轉子，第一級的NGV是鎖在連結機匣的構件上，由於葉片級易損傷，需要更換，通常由單片或是兩個葉片構成的元件組成一個環，轉子則是由單個葉片個別嵌入輪盤上，圖中包含了已組在一起的短軸、第一級輪盤、級間轉動氣封圈及第二級輪盤。

圖3. 定子葉片 (摘自維基百科)

圖3是IAE V2500的定子葉片(以往工作時的照片沒留下來，只好找維基百科的圖)，兩側上下都有細槽，組裝時會嵌入薄金屬片來維持葉片組合後的氣密，嵌槽以放電加工製作，非常耗時；白色部分是熱障塗層(TBC, Thermal Barrier Coating)，高壓渦輪的定子及轉子葉片都會有氣孔，低壓渦輪則沒有。氣孔加工早年使用放電加工，近代多用雷射，雖然加工時間縮短很多，但需要後處理。

圖4. 渦輪轉子葉片(摘自維基百科)

轉子葉片大約如圖4，葉片下方(圖左)是鳩尾結構，用於嵌入輪盤的鳩尾槽中，葉片上方(圖右)則是有幾個凸角，作為氣封使用，葉片本身和NGV相似，也有熱障塗層及氣孔，圖4中的葉片尚未披覆熱障塗層。

要提高渦輪引擎的輸出最直接有效的是提高燃燒溫度，在整個引擎中溫度最高的區域是燃燒室，但是燃燒過程中，燃燒室匯入大量的冷空氣，對燃燒室的零件形成保護，反而負荷不像其下游的渦輪葉片嚴重，葉片耐高溫耐腐蝕耐疲勞的能力，直接影響其運轉壽命及引擎大修的間隔，而提高葉片耐熱疲勞的方法分三個方向：

1. 更耐熱蝕疲勞的材料：各種不同的耐高溫耐腐蝕的超合金陸續被開發出來，基本上都是鎳基的超合金，為了更耐用，其合金從最早的多軸晶結構改進成單軸晶結構，在廿世紀末更全面換成單晶結構，這個冶金技術要求很高，一片葉片不只外型複雜外，內部還有複雜的氣流通道，而整個葉片在鑄造過程中要拉成一個單一的晶體，也就是一片葉片只由一個晶體構成，生產過程中還要維持很高的良率。鎳基超合金的熔點雖然可超過1300度C，但其長時間可工作的溫度約在700度C，目前設計的工作溫度大約在1000度C左右，因此每隔一段時間仍必須更換。
2. 導入冷卻氣流：

圖5. 渦輪轉子葉片與各部名稱

這個方式最早在二戰德軍的Jumo 004引擎就已經使用，現代的葉片內部管道更複雜，冷卻氣流由壓縮機的主流道中導出，由葉片的下方進入轉子葉片的下方流入內部，圖5是一個轉子葉片的截面示意圖，氣流經由內部彎曲管道流過來冷卻葉片內壁，管道的設計必須考慮到葉片各部分的表面與內壁的溫差能均勻，降低熱應力的差異。

3. 阻隔熱氣流：最直接的就是在葉片表面塗上熱障塗層，GE的高壓渦輪葉片通常會上兩種熱噴塗的塗層，一層含貴金屬的隔熱鍍層，最後才是常見的釔安定氧化鋯塗層(如圖4白色塗層)，

圖6. 氣流隔熱層

另外在葉片密集的氣孔是要讓部分的冷卻氣流流出，在葉片表面形成一層低溫的氣流隔熱層(圖6)，不只這些氣孔的位置排列非常重要，出來的角度甚至孔的出口倒角對隔熱層的覆蓋都有影響，運轉後的耗損也必須考慮，由於氣流流出所形成氣膜覆蓋並不完全，因此必須保護最容易受損的區域，會依據實際使用的狀況作變更調整，像是波音747使用的CF6-80C2引擎就修改了十餘次。

每次引擎進廠大修時，渦輪葉片必須全部翻修，其中報廢換新的比例也不低。

順道一提，引擎翻修的間隔是以其操作的總累計循環(TAC, Total Accumulated Cycles)次數計算，每次起飛到降落完成算一次循環(cycle)，每次翻修後TAC重新歸零，原因是起飛時發動機的負荷最大，內部溫度壓力都最高，直接影響到相關零件，特別是渦輪葉片的壽命。以CF6-80C2引擎為例，起飛時高壓渦輪的出口溫度接近900度C，巡航速度時只有約700度C，因此巡航階段對引擎零件的使用壽命影響不大。常見網友談到引擎壽命，其實講的是翻修間隔，而提及某引擎壽命有幾千小時並不是專業的說法，正確來說是要講多少TAC，而不能換算成飛行小時，例如引擎的翻修間隔是6000 TAC，飛長途的飛機每次10小時，其飛行總時數可以達到6萬小時，但飛短途的飛機每次只有2小時，則其飛行時數只有1萬2千小時。

2024/12/14補充說明：引擎的零件中有所謂的壽限件(Life Limited Part)，其最長使用壽命絕大多數也是限制其累計的循環次數，但不會在翻修後歸零，而是在更換新件時歸零，若更換二手件，其循環次數仍在已使用的循環數上持續累計。零件的壽命綁定在零件本身，所以壽限件除了件號外都會有序號單獨識別。