在不同可持续航空燃料作用下的涡轮叶片中流体-结构相互作用：一项关于机械行为的重点研究

《Fuel》：Fluid-structure interaction in turbine blade under different sustainable aviation fuel: a featured study of mechanical behavior

研究采用CFD-FEA两向耦合方法分析Jet-A1及HEFA、ATJ、CHJ四种可持续航空燃料对高压涡轮叶片的热-力耦合效应，发现SAFs降低氧化应力12-18%、 creep应变8-10%，延长疲劳寿命10-15%，其中ATJ因燃烧温度较低（TIT降低约2-3%）表现最佳，而CHJ因局部应变增长5-7%导致疲劳寿命下降。该模型为SAF航空发动机适配性评估提供新工具，对冷却策略优化和材料设计具有重要指导意义。

　　随着全球对环境保护意识的增强，航空业面临着日益严峻的碳排放挑战。可持续航空燃料（SAFs）作为传统航空燃料的替代品，近年来受到广泛关注。本研究通过流体-结构相互作用（FSI）分析，探讨了高压力涡轮叶片在Jet-A1燃料和三种SAFs（HEFA、ATJ、CHJ）燃烧环境下的表现差异。研究结果表明，Jet-A1和CHJ燃料会导致更高的热负荷，从而引发更大的应力并缩短涡轮叶片的疲劳寿命。相比之下，ATJ燃料表现出较低的燃烧温度和更稳定的机械性能，有助于提高涡轮叶片的疲劳抗性。此外，PtL-SAF虽然略微提高了涡轮入口温度（TIT），但其影响相对较小，仅导致局部应变增长5–7%。

涡轮叶片是航空发动机中承受极端热力和机械载荷的关键部件，其性能直接影响飞行安全和发动机寿命。SAFs的引入不仅有助于减少碳排放，还可能改善涡轮叶片的结构耐久性。然而，SAFs的燃烧特性与Jet-A1燃料存在显著差异，这些差异可能会对涡轮叶片的热力学环境和机械行为产生深远影响。例如，SAFs的燃烧温度较低，可以减少涡轮入口温度，从而降低叶片的热应力和变形。此外，SAFs的燃烧过程更为清洁，减少了氧化和腐蚀的可能性，这对叶片材料的长期性能至关重要。

SAFs的燃烧特性包括不同的火焰温度、热释放速率和排气成分。这些因素不仅影响发动机的热力学性能，还可能改变涡轮叶片的应力分布和疲劳寿命。研究中采用的FSI方法结合了计算流体力学（CFD）和有限元分析（FEA），能够更准确地模拟SAFs燃烧对叶片结构的影响。通过这种两向耦合的模拟方法，研究人员可以评估不同燃料对叶片热膨胀、应力分布、蠕变变形和疲劳寿命的具体影响。结果表明，SAFs在某些情况下可以降低氧化诱导应力12–18%，减少蠕变应变约8–10%，并延长疲劳寿命10–15%。这些发现为航空业在选择可持续燃料、优化材料设计和改进冷却策略方面提供了重要的理论依据。

涡轮入口温度（TIT）是影响涡轮叶片性能的关键参数之一。TIT的升高会导致叶片材料的热应力增加，从而加速疲劳和蠕变过程。研究表明，SAFs的燃烧特性可以有效降低TIT，进而减少叶片的热应力和变形。然而，TIT的降低也可能带来净推力的下降，这需要在实际应用中进行权衡。例如，乙醇和甲醇燃料由于燃烧温度较低，可能导致净推力减少11%和30%。因此，在选择SAFs时，必须综合考虑其对发动机性能和叶片寿命的影响。

此外，SAFs的燃烧特性还可能影响排气中的污染物组成，如氮氧化物（NOx）和硫氧化物（SOx）。这些污染物的减少有助于降低对环境的负面影响，特别是高海拔地区的对流云（contrails）形成。然而，这些非CO?排放的变化对涡轮叶片的机械性能也有潜在影响。例如，某些SAFs可能由于燃烧过程中产生的不同化学物质，导致叶片表面的热负荷和应力分布发生变化，从而影响其长期运行的安全性和可靠性。

为了更全面地评估SAFs对涡轮叶片的影响，研究采用了高保真度的CFD和FEA模型。CFD模拟主要用于分析燃烧过程中的气体流动、压力波动和温度分布，而FEA则用于评估叶片的结构响应，包括热膨胀、应力分布、蠕变变形和疲劳寿命。通过这种耦合方法，研究人员能够更精确地预测不同燃料对叶片性能的具体影响。例如，PtL-SAF在燃烧过程中产生的平均温度约为1700°C，这可能导致局部热应力的增加，但其对整体叶片性能的影响仍需进一步研究。

SAFs的引入还可能带来新的挑战，特别是在涡轮叶片的设计和制造方面。由于SAFs的燃烧特性与传统燃料不同，现有的涡轮叶片设计可能需要进行调整以适应新的热力学环境。例如，某些SAFs可能需要更高效的冷却策略，以确保叶片在高温下的结构完整性。此外，SAFs的燃烧过程中可能产生的不同化学物质，如较低的芳香烃含量，可能对叶片材料的耐腐蚀性和抗氧化性产生影响。这些因素都需要在设计和制造阶段进行充分考虑。

研究还指出，目前大多数FSI模拟仍然基于Jet-A1燃料的燃烧条件，而忽略了SAFs特有的燃烧特征。这种简化可能导致对叶片应力和变形的预测不够准确。例如，数值模拟显示，SAFs与Jet-A1燃料之间的温度边界条件差异可达150–200°C，这会显著影响叶片的热应力和疲劳寿命。因此，为了更准确地评估SAFs对涡轮叶片的影响，必须在FSI框架中引入真实的燃烧条件，包括温度分布、热释放速率和排气成分等。

在实际应用中，SAFs的燃烧特性可能对涡轮叶片的长期运行产生重要影响。例如，某些SAFs可能在燃烧过程中产生不同的热负荷分布，导致叶片不同部位的应力和应变发生变化。这种变化可能会影响叶片的变形模式和疲劳寿命。因此，研究SAFs对涡轮叶片的影响不仅需要关注其对发动机性能的提升，还需要评估其对叶片结构安全性的潜在影响。

综上所述，SAFs的引入为航空业提供了减少碳排放和提高可持续性的机会，但其对涡轮叶片性能的影响仍需深入研究。通过FSI分析，研究人员可以更全面地理解SAFs燃烧对叶片热力学环境和机械行为的影响，从而为未来的燃料选择、材料设计和冷却策略提供科学依据。这种研究对于确保航空发动机在使用SAFs时的长期运行安全性和可靠性具有重要意义。