微型渦噴發(fā)動機結構設計與商業(yè)價值

1、渦輪噴氣發(fā)動機制作圖注意事項：個人自制渦噴是一項能力挑戰(zhàn)，不建議無機械基礎及未成年人嘗試！另外在此申明：本資料如用于商業(yè)產(chǎn)品開發(fā)，請自行解決相關版權。謝謝合作！另外，制作中一定要有安全意識，！切記與高速運轉物體，與火打交道，安全第一！ 安全守則： 渦噴的制作不同于其他模型 ，由于渦噴在高溫與高速條件下工作 如果你不想被當成烤鴨請注意下面的事項！ 1.別被火噴成烤鴨，玩火要有科學知識指導。 2.渦輪一定要作動平衡才能用。 3.無論如何不要在共公場合試發(fā)動機，很多人圍觀不是好事。 4.渦輪轉速高達70000轉每分以上，沒機械基礎不要去試！ 5.發(fā)動機試運與工作中，永遠不要站在渦輪的兩側正對位，以免

2、渦輪發(fā)生事故時，鋼片高速飛出，象子彈一樣，危及生命！ 特別提醒!做渦噴一定要有機加工與材料常識，了解金屬，火災,爆炸原理，等安全知識，安全第一。 渦噴自制問題解答： 1:.發(fā)動機如何自己設計？ 到哪里找材料，價錢如何？ 模型用的發(fā)動機不是大的發(fā)動機的按比列縮小，任何試圖這樣做都很可能是失敗。值得推薦的是英國人-Kurt Schreckling設計的FD3-64航模渦噴發(fā)動機的設計，開創(chuàng)了小型發(fā)動機設計先河，用一個簡單方法制作的放射式壓氣機，環(huán)型燃燒室，一個用簡單方法制做出來的渦輪，達到了良好的效果。他的理念已被最新改進的各種新的設計所證實，并且都是以他的設計為基礎進行的提煉。數(shù)字顯示，許多愛好

3、者根據(jù)他的著作理論，成功地將發(fā)動機用在了航模上。 渦輪噴氣發(fā)動機材料為不銹鋼為主，材料成本很低，如果從材料本身的價值來說，以廣州為例，也就100元上下，但由于個人愛好者，有些可能無機床，氬弧焊的話，到外面加工的人力成本會貴過材料費。但也無妨。再就是如果有認識不銹鋼加工廠的話，找到邊角料足矣做一臺渦輪,如果你想省事些，可以用渦輪增壓器上的壓氣輪來代替木頭的壓氣輪。 2.渦輪容易加工嗎,沒專業(yè)設備如何做動平衡？ 渦輪是由型號為301,2.5mm不銹板剪口彎成，用一個小電鉆配小砂輪可以打磨出翼型即可，關鍵的動平衡測試，記住這一點很重要！否則會導致發(fā)動機解體！是用我們的大拇指與食指來感覺振動。靈敏度相

4、當高。足以完成渦輪的動平衡調(diào)試。 3.散熱與軸承問題 壓縮空氣將穿過軸套為軸承提供冷卻，軸承為簡單的滾珠軸承，用自身的壓縮空氣壓油提供油霧潤滑?？梢杂猛钙接停虻驼扯鹊臋C械潤滑油。 FD3-64的設計合理的利用壓氣機的空氣，將溫度控制在600度以下，從而保證各部件的強度。 在運行中我們要注意發(fā)動機的溫度不能超高。 畢 業(yè) 設 計(論文)題 目 微型渦噴發(fā)動機結構設計研究與制作院 系動力工程系專業(yè)班級熱能與動力工程0801班學生姓名指導教師王慶五 二0一二年六月微型渦噴發(fā)動機燃燒試驗和零件研究摘 要微型渦噴發(fā)動機具有重量輕、功率大、能量密度高的優(yōu)點，在軍、民領域都有廣泛的應用前景。目前，微型渦噴

5、發(fā)動機技術尚處于起步發(fā)展階段，其總體及部件設計技術還有待進一步的發(fā)展和完善。本文以10厘米級微型渦噴發(fā)動機作為研究對象，根據(jù)現(xiàn)有實驗條件，制作發(fā)動機樣機，并進行燃燒試驗和零件結構特點分析。通過制作10厘米級微型渦噴發(fā)動機，研究了微型渦噴發(fā)動機零件的制作方法，積累了零件加工的經(jīng)驗，也增強了動手實踐的能力。對柴油、汽油和柴油汽油混合物這三種燃料進行燃燒試驗，了解不同燃料的性質(zhì)，比較不同燃料的燃燒效果，選取最合適燃料來驅動微型渦噴發(fā)動機。為了簡化結構，本文中制作的10厘米級微型渦噴發(fā)動機以液化石油氣作為燃料，在制作過程中，分階段進行燃氣試驗。運用SolidWorks軟件的數(shù)值模擬功能，建立仿真模型，

6、設置邊界條件后，計算壓氣輪的增壓比和效率。對微型渦噴發(fā)動機主要零件進行研究，分析壓氣輪、擴壓器、燃燒室、渦輪等零件的結構特點。關鍵詞：微型渦噴發(fā)動機；制作；燃燒；仿真計算；結構特點Micro Turbine Engines Combustion Test And Parts StudyABSTRACTMicro Turbine Engine with the advantages of light weight, high power and high energy density, has broad application prospects in the field of militar

7、y and civilian. Currently, the technology of Micro Turbine Engine is still in the initial stage of development, and its overall and component design needs further development and perfection. 10-centimeter-level Micro Turbine Engine is the research object of this paper. According to the existing expe

8、rimental conditions, i make a micro turbine engine, with doing combustion experiments and analysis of the main parts structural features. Through the production of 10-centimeter-level micro turbine jet engine, i study the production methods of the engines parts, accumulate the experience of the part

9、s processing, and enhance the ability of practicing. Three kinds of fuel including diesel, petrol ,and the mixture of diesel and petrol are did combustion tests to understand the nature of the different fuels and different fuel combustion, in order to select the most appropriate fuel to drive the mi

10、cro turbine engine. In order to simplify the structure, produced 10-centimeter-level micro turbine engine use liquefied petroleum gas as fuel. In the production process gas combustion experiments are carried out in three stages. I use SolidWorks software with numerical simulation function to calcula

11、te the efficiency of the pressure gas turbine, and analyze the causes of loss. I analyze the structure characteristics of the micro turbine engines main parts including the pressure gas turbine, the diffuser, the combustor, the turbine and so on.Keyword: Micro Turbine Engine; production; combustion;

12、 numerical simulation; structure characteristics目 錄摘 要1ABSTRACT21 緒論51.1 選題背景和意義51.2 國內(nèi)外技術研究與發(fā)展現(xiàn)狀61.3 本文主要研究內(nèi)容82 微型渦噴發(fā)動機制作92.1工作原理92.2 零件加工92.2.1 進氣口102.2.2 壓氣輪102.2.3 擴壓器112.2.4 軸和軸套112.2.5 外殼122.2.6 燃燒器122.2.7 燃燒室132.2.8 渦輪142.2.9 導流器152.2.10 導流錐152.2.11 后端蓋162.3 整機組裝162.4 本章小結183 微型渦噴發(fā)動機燃料的燃燒試驗19

13、3. 1 燃油試驗193.1.1 燃料為柴油193.1.2 燃料為柴油和汽油混合物203.1.3 燃料為汽油203.2 燃氣實驗213.2.1 燃燒器制作完成后213.2.2 燃燒器與外缸配合213.2.3 燃燒器放入燃燒室內(nèi)223.3 本章小結224 壓氣輪仿真計算234.1 壓氣輪的結構234.2 壓氣輪模型和邊界條件244.2.1 物理模型244.2.2 邊界條件244.3 壓氣輪模擬結果分析254.4 本章小結265 微型渦噴發(fā)動機主要零件的結構特點275.1 壓氣輪275.2 擴壓器285.3 燃燒室285.4 渦輪295.5 導流器305.6 導流錐315.7 機匣325.8 軸承

14、325.9 冷卻系統(tǒng)335.10 本章小結33結論34參考文獻35致謝361 緒論1.1 選題背景和意義近年來，隨著微機電系統(tǒng)（Micro Electro-Mechanical Systems，MEMS）技術、新型半導體材料、陶瓷材料及其加工制造工藝、微型傳感器、微電子控制單元等多個學科領域技術的迅速發(fā)展，各種航空器也迅速開始出現(xiàn)了微型化的趨勢。微型飛行器具有許多優(yōu)點：其噪聲低、雷達反射信號小，因而隱蔽性好，可以完成多種任務，包括：戰(zhàn)場偵察和監(jiān)視目標確認、空中布雷、偵察大型建筑物和設施內(nèi)部乃至攻擊敵方重點敏感部位等。我國最近幾年也對微型飛行器給予了很大的重視，開始了相關技術的研究。開展微型飛行

15、器技術研究，需要解決的最為關鍵的技術之一就是高能量密度的微型動力裝置的研究。研究新型高能量存儲密度、高功率重量比的動力裝置是研制微型飛行器的首要任務。目前各種合適微型飛行器使用的能量儲存介質(zhì)中，化學燃料是能量儲存密度最高的，可達到50KJ/g，是電池的100倍，雖然熱機將化學能轉變?yōu)闄C械能的效率較低，但是使用化學燃料的推進系統(tǒng)的折合能量儲存密度按保守估計也將是電池的10倍以上。在普通尺寸的航空飛行器中，由于對推進系統(tǒng)功率重量比的迫切要求，人們首次研制出了渦輪噴氣發(fā)動機。所以，微型渦噴發(fā)動機(Micro Turbine Engine, MTE)是作為微型飛行器發(fā)動機最有希望的方案之一。MTE尺寸

16、大致是普通渦輪發(fā)動機的1/1001/10，但是其推重比有顯著提高。雖然微小尺度下氣動損失、傳熱問題以及加工制造問題的影響會制約MTE達到理想的高性能，但是它在性能方面的潛力是非常巨大的。近幾年，微型渦噴發(fā)動機技術得到了大力發(fā)展，并已進入學術界和產(chǎn)業(yè)界的合作階段，正在開發(fā)各種面向軍、民領域的產(chǎn)品。美國國防部預研計劃局（DARPA）于1997年制定了一項耗資3500萬美元的計劃，對微型飛行器的各項關鍵技術如：微型飛行器平臺、微型推進系統(tǒng)、飛行/控制系統(tǒng)、傳感器技術等進行研究。其中重點支持開展直徑介于5mm50mm，推力在0.01100N之間的微型渦噴發(fā)動機相關技術研究，并計劃在近一、兩年內(nèi)將此范圍

17、內(nèi)的各個推力級別的微型渦噴發(fā)動機相關技術推進到樣機實驗階段。微型渦噴發(fā)動機作為一種特殊的航空發(fā)動機，廣泛應用于無人機，巡航導彈以及航模等領域1。它還可以作為將來的野戰(zhàn)便攜式能源，它體積小、重量輕，以加油的方式補充能源比充電更為方便快捷。另外在電力行業(yè)，近年來獲得高度重視的分布式電源系統(tǒng)也以微型渦噴發(fā)動機為核心。微型渦噴發(fā)動機的結構特點和工作原理與常規(guī)的大型航空發(fā)動機基本類似，但是它在工作環(huán)境、使用要求等多方面都有別于大型發(fā)動機，具體表現(xiàn)在以下幾點：1）采用兩種燃料，主燃料為航空煤油，在燃燒室通過蒸發(fā)管氣化燃燒，輔助燃料為易燃氣體，如丙烷氣，用于在起動時對燃油加熱蒸發(fā)；2）起動過程比較復雜，需要

18、協(xié)調(diào)點火控制、起動電機控制及燃料供給的時機；3）主燃油的供油壓力不高，流量小，但控制精度要求高；4）微型渦噴發(fā)動機的起動過程容易出現(xiàn)懸掛，起動供油規(guī)律的確定有難度等。因此微型渦噴發(fā)動機的控制系統(tǒng)不能完全照搬大型發(fā)動機的控制系統(tǒng)，有必要針對微型渦噴發(fā)動機控制技術開展扎實而細致地基礎研究。1.2 國內(nèi)外技術研究與發(fā)展現(xiàn)狀微型渦噴發(fā)動機作為一個新興的研究領域具有廣闊的發(fā)展前景。身體結構相對纖細的昆蟲能夠舉起相當于自身體重幾十倍的重物，而最強壯的運動員也只能舉起略大于其體重的物體，這是因為機械的功率重量比值是隨著尺寸的縮小而增大的。同樣微型發(fā)動機較常規(guī)發(fā)動機尺寸有了較大幅度的減小，根據(jù)普惠公司給出的商

19、用動機推力密度與尺寸的關系，可以推斷出微型渦噴發(fā)動機可以具有遠高于常規(guī)發(fā)動機的推重比。目前國內(nèi)微型渦噴發(fā)動機的研究正處于起步階段。上海交通大學針對微型渦噴發(fā)動機燃燒關鍵技術，開展微細異型腔內(nèi)氫氣與空氣預混燃燒特性試驗研究。測試了微細型腔中氫氣與空氣預混燃燒的著火濃度極限和燃燒溫度變化規(guī)律，分析了微細型腔中保證燃氣火焰穩(wěn)定燃燒的工作條件和影響因素，認為在微細型腔內(nèi)進行氫氣與空氣的預混燃燒具有可行性，但可燃濃度范圍縮小，采用增壓燃燒可有效地擴大著火濃度極限，提高燃燒穩(wěn)定性。微型燃燒室為外徑20mm、內(nèi)徑10mm、高3mm的環(huán)形腔，在燃燒室進口端設置一個直徑20mm、間隙1mm的氣體預混腔。采用高溫

20、耐熱合金鋼以電火花工藝加工成型。國內(nèi)目前對于微型發(fā)動機的研究還停留在理論階段，和國外相比還有較大的差距2，這需要加大對于微型發(fā)動機的研究力度，在世界微型發(fā)動機的研究領域占有一席之地。國外已著手開展研究的微型發(fā)動機尺寸差別很大，大致可以將它們按尺寸分為三類：1）麻省理工學院的MTE接近紐扣大小，直徑約為1厘米，厚度約0.4厘米，推力0.1N左右（見圖1-1），技術特點為： 以硅和氮化硅為主要結構材料； 代表性制造工藝為反應離子蝕刻技術； 以氫為燃料，采用預先摻混的燃氣，整體式燃燒室，無冷卻氣流，燃燒溫度為1600K； 轉子轉速高達100200萬轉/分； 用途為微型飛行器動力、便攜式能源。圖1-1

21、 麻省理工的MTE2）斯坦福大學的MTE直徑約4厘米，長度略大于發(fā)動機直徑，推力約5N（見圖1-2），技術特點為： 以氮化硅陶瓷作為主要結構材料，代表性制造工藝為鑄模沉積成型制造技術； 以氫為燃料，回流式燃燒室，有冷卻氣流，燃燒溫度約為1600K； 采用單級離心式壓氣機，氮化硅陶瓷制作的單級向心渦輪； 轉子轉速達45萬轉/分，采用氣膜軸承支承。 用途為微型飛行器動力、便攜式能源。圖1-2 斯坦福大學的MTE3）更大一些的MTE，直10厘米左右，推力從5N100N不等(見圖1-3)。其技術特點為： 以鋁、高溫合金作為主要結構材料，采用常規(guī)發(fā)動機制造技術輔之以精密儀器制造技術； 以添加少量潤滑油的

22、航空煤油為燃料，燃燒溫度1100K左右； 一般采用單級離心壓氣機和單級向心（或軸流式）渦輪，葉輪造型為三維設計； 轉子轉速為10萬轉16萬轉/分，采用陶瓷滾珠軸承支承； 應用于微小型無人駕駛靶機、偵察機以及航模飛機中。圖1-3 10厘米級MTE雖然上述三類發(fā)動機的工作原理和設計思想基本相同，但在結構設計、加工制造工藝以及相關技術上的難度卻是隨著尺寸的減小而逐漸增大的。對于這三類微型發(fā)動機的研究，我國基本還處于起步階段。1.3 本文主要研究內(nèi)容本文開展的工作主要針對10厘米級微型渦輪噴氣發(fā)動機，進行了實際制作和理論分析，具體工作如下：1）微型渦噴發(fā)動機的零件加工和組裝；2）微型渦輪發(fā)動機燃料的燃

23、燒試驗研究；3）微型渦噴發(fā)動機壓氣輪的數(shù)值仿真和效率計算；4）微型渦噴發(fā)動機主要零件的結構特點分析。2 微型渦噴發(fā)動機制作微型渦噴發(fā)動機的制作對加工工藝要求很高，我們利用現(xiàn)有資源，根據(jù)實驗室實際條件，加工制作了10厘米級的微型渦噴發(fā)動機的試驗樣機。本章敘述了微型渦噴發(fā)動機的工作原理和樣機制作過程。由于條件有限，所制作的微型渦噴發(fā)動機還不盡人意，但是為微型渦噴發(fā)動機的加工制作和結構研究提供了寶貴經(jīng)驗。2.1工作原理圖2-1是10厘米級微型渦噴發(fā)動機簡單形式的典型結構。壓氣輪旋轉，吸入空氣，然后將其壓縮，使空氣壓力升高?？諝饨?jīng)過擴壓器后，壓力進一步升高，改變方向，流入燃燒室。在燃燒室內(nèi)，噴入的燃料

24、與空氣混合后劇烈燃燒，燃燒后高溫高壓的煙氣具有很大的做功能力。煙氣流過導流器，沖擊渦輪做功，渦輪通過軸傳動帶動壓氣輪轉動。煙氣釋放出推動壓氣機葉輪所需的能量，剩余的能量使煙氣加速到很高的速度，速度方向沿軸向，與飛行方向相反。根據(jù)動量守恒定理，微型渦噴發(fā)動機獲得與排氣方向相反的推動力。圖2-1 10厘米級微型渦噴發(fā)動機結構簡圖2.2 零件加工根據(jù)圖紙和實際條件，我們加工了10厘米級微型渦噴發(fā)動機的主要零件，包括：進氣口、壓氣輪、軸和軸套等。2.2.1 進氣口圖2-2是進氣口的設計圖，進氣口外側輪廓為光滑弧線，實際加工過程中，為了加工方便，將外輪廓線加工成直線，如圖2-3所示。進氣口以直徑110m

25、的鋁棒為原料，切取適當長度的鋁棒，在數(shù)控機床上加工而成。進氣口內(nèi)部流道為收縮擴張型流道，它的作用是引導外界空氣進入壓氣輪，對它的要求是要盡可能地減小氣流經(jīng)過時的壓力損失，并使氣流在進氣道出口處有盡可能的均勻氣體流場，對它的最基本要求是發(fā)動機在任何工作狀況下，進氣道都以最小的壓力損失滿足發(fā)動機對空氣流量的需求。圖2-2 進氣口設計圖 圖2-3 進氣口 壓氣輪 壓氣輪結構復雜，在數(shù)控機床上也很難加工，我們以大小相似的某型鑄造鋁合金壓氣輪為毛坯，在車床上打孔和去掉多余部分，制成我們所需的壓氣輪。加工后得到的壓氣輪如圖2-4所示。圖2-4 壓氣輪 擴壓器擴壓器原料為直徑為110mm的鋁棒，在數(shù)控機床上

26、加工而成，如圖2-5所示。 圖2-5 擴壓器 軸和軸套軸（見圖2-6）是高速旋轉的部件，在微型渦噴發(fā)動機運行時，要同時承受高溫和很大的扭矩，所以選用強度較大的不銹鋼棒作為材料。軸最粗的地方直徑為14mm，為了加工方便，選用直徑14mm的不銹鋼棒，加工時根據(jù)各段的尺寸要求分別車出對應的形狀。由于與軸承連接處有特殊的要求，需要根據(jù)粗糙度及配合公差用相應精度的磨具磨成。軸兩端的螺紋為左旋螺紋。圖2-6 軸 軸套的原料是直徑為40mm的鋁棒，用車床加工而成，如圖2-7所示。圖2-7 軸套 外殼外殼（見圖2-8）材料為不銹鋼，用直徑110毫米，厚度0.5毫米的不銹鋼杯子來制作。將不銹鋼杯子洗凈擦干之后，

27、固定在線切割機上，保留缸底，切割去杯口部分，剩下的杯體長度為100mm。由于一個不銹鋼杯的長度不夠，故再取另外一個杯子，切除其杯底和杯口部分，并從將余下的部分上截取長度為32mm的一段，焊接到第一段杯體上。圖2-8 外殼 燃燒器燃燒器（見圖2-9）要求有較好的耐熱性能，并且易于加工，選用銅管作為原料。首先，加工供油圈。選取外徑4mm的銅管，用相應直徑的模型將其彎曲成弧形。用鉗子將兩端開口夾扁封閉。封閉時一定要保證開口嚴格密封。再對照圖紙，用簽字筆將銅彎管相應的地方做上標記，以便打孔。用小方挫在標記的地方挫出小坑。再用圓柱挫挫出小槽，并用挫頂在小槽處戳出小孔。然后使用直徑2毫米的鉆頭鉆出標準的孔

28、。其中需注意的是供油孔是打在供油圈外側面的中心位置，以便燃油能向兩邊均勻供應。接下來加工噴油管。選直徑2毫米的銅管，截取出六根長度約70毫米的銅管。注意在截取的時候，用小挫子先挫出小槽，再用鉗子彎斷，不能直接用鉗子截斷，防止銅管開口處堵塞。在每根管子的一端，用挫子磨出一個斜切面，以便插入到供油圈里面時，方便將其里面的燃油順利引出。 噴油管制作完成之后，用高溫密封膠將其和供油圈粘接。注意粘接之前先用酒精清洗粘接面，并且保證噴油管的斜切面正對供油圈內(nèi)的來油方向。在粘接的過程中，裁剪一個紙板圓環(huán)，在和噴油管對應的位置打孔，在噴油管上涂膠之后，將紙板圓環(huán)套在噴油管上，以便暫時固定噴油管，防止在膠未干的

29、時候，噴油管傾斜。圖2-9 燃燒器 燃燒室燃燒室是微型渦噴發(fā)動機中的高溫部件，因此所需材料要有較好的耐熱性能和強度。我們選擇用厚度0.5毫米的不銹鋼板來加工燃燒室。燃燒室由三部分組成，即前端蓋、內(nèi)壁和外套。前端蓋（見圖2-10下部）用外徑110mm的不銹鋼杯的蓋子加工而成。先用線切割機切去杯蓋邊緣，使其外徑為100mm，然后在其中心切出直徑為39mm的孔。用線切割切出一個矩形的不銹鋼板。在紙上畫出1:1的平面內(nèi)壁圖紙，然后黏貼到不銹鋼板上，在搖臂鉆上打孔。打孔之后把不銹鋼板彎成圓筒狀，然后用電焊機焊接固定。焊接之前用酒精擦凈接觸部分。燃燒室內(nèi)壁如圖2-10上部所示。外套（見圖2-11）選用直徑

30、100mm的不銹鋼杯制作。用線切割機將杯口部分切去，剩余部分長度為77mm。接著在杯底切出直徑為71mm的孔。在杯體側面和上面打孔，為防止杯體被壓癟，在其內(nèi)部塞上圓形木塊。然后再將制作好的不銹鋼圈插到杯底的圓孔處，用點焊機焊接固定。用外徑6毫米內(nèi)徑4.5mm的不銹鋼管制作燃燒室內(nèi)直管六根，再用點焊機將直管焊接到燃燒室上。最后，將這三部分零件進行組裝。先將內(nèi)壁和前端蓋連接，用點焊機焊接固定。再將前端蓋與外套焊接在一起，然后用高溫膠將連接處的縫隙密封。組裝后的燃燒室如圖2-12所示。2-10 燃燒室內(nèi)壁和前端蓋 2-11 燃燒室外套2-12 燃燒室 渦輪渦輪用厚度6毫米不銹鋼板加工。先用線切割加工

31、出合適尺寸的不銹鋼圓板。然后在數(shù)控銑床上加工出毛坯。在葉片部分用線切割機等分切成19份，切割縫不能太小，以防止不能順利扭轉葉片。最后，用專用葉片彎扭工具，將渦輪外邊緣的葉片扭轉相同的角度，見圖2-13。加工后，渦輪如圖2-14所示。圖2-13 扭轉渦輪葉片 圖2-14 渦輪 導流器導流器由0.5mm厚的不銹鋼鋼板和0.5mm厚的白鐵皮制成。先用線切割切出兩個不同大小的矩形和一個環(huán)形不銹鋼板，如圖2-15所示。兩個矩形鋼板彎曲焊接固定后，形成兩個圓筒，即導流器的內(nèi)筒和外筒。在白鐵皮上剪出11個葉片，焊接到內(nèi)筒和外筒之間。最后，導流器組合后如圖2-16所示。圖2-15 矩形和圓環(huán)不銹鋼板 圖2-1

32、6 導流器 導流錐導流錐由厚度為0.5mm的不銹鋼板加工而成，首先用線切割將鋼板切成如圖2-17所示的兩塊，第一個用來制作導流錐外側殼體，第二個是加工成內(nèi)部錐體。將兩塊鋼板分別彎折成圓臺形狀，然后用點焊機焊接使其形狀固定，最后用鉗子等工具調(diào)整這兩個零件的形狀。導流錐內(nèi)部錐體與外側殼體通過不銹鋼薄片焊接固定，他們是同心的。外部殼體留有引腳，打孔彎曲后用來與渦噴主體連接。完成后的導流錐如圖2-18所示。圖2-17 制作導流錐用的不銹鋼板 圖2-18 導流錐 后端蓋后端蓋（見圖2-19）以直徑110mm鋁棒為原料，在車床上加工而成。圖2-19 導流錐2.3 整機組裝在所有零件加工完成之后，按照由內(nèi)到

33、外的順序，對微型渦噴發(fā)動機進行組裝。在組裝過程中，要注意零件之間的配合，部分零件組裝圖如圖2-20，2-21，2-22所示。 圖2-20 轉動部分圖2-21 轉動部分和軸承、軸套及擴壓器組裝在一起圖2-22 整體組裝2.4 本章小結本章敘述了10厘米級微型渦噴發(fā)動機的工作原理和制作過程。通過制作10厘米級微型渦噴發(fā)動機，以實踐的方式研究了其零件的加工方法，并對微型渦噴發(fā)動機的原理和結構有了更深的了解。3 微型渦噴發(fā)動機燃料的燃燒試驗如果沒有推力和效率要求，任何流動的、易燃的、不比柴油還易揮發(fā)的燃料，都可以用來驅動微型渦噴發(fā)動機正常運轉3。柴油或者相似的燃料，比如煤油或液體石蠟，都有著差不多的最

34、大發(fā)熱量，適合作為微型渦噴發(fā)動機的燃料。微型渦噴發(fā)動機也可以采用液化丙烷等氣體為燃料。噴氣發(fā)動機用的航空煤油是特別生產(chǎn)的飛行器燃料，現(xiàn)有實驗條件很難買到，而且太昂貴，于是選用柴油來代替。由于使用純柴油時，發(fā)動機有啟動方面的問題，而且在部分負荷下有噼啪的噪聲，于是在燃料中加15%到20%的普通汽油或者20%到30%的液體石蠟。只單獨使用普通汽油也是可行的，但是單位體積的熱值稍低，而且有可能在渦噴外部產(chǎn)生汽油和空氣的爆炸性混合物。微型渦噴發(fā)動機在啟動時一般用易燃氣體，如丙烷等，來預熱燃燒室，在達到一定負荷后，再投入燃油，升負荷到需要的功率。為了簡化系統(tǒng)和易于實現(xiàn)發(fā)動機正常運轉，本文制作的微型渦噴發(fā)

35、動機，以液化石油氣（主要成分是丙烷和丁烷）作為燃料。我們做了大量的燃油和燃氣試驗，以了解微型渦噴發(fā)動機燃料的性質(zhì)和燃燒效果。3. 1 燃油試驗燃油實驗裝置（圖3-1）由注射器，導管和細針頭組成，如圖3-1所示。噴射針頭固定在夾鉗上，然后將燃油吸入注射器內(nèi)，再從噴頭噴出并點燃，觀察燃燒效果。實驗中，主要觀察燃料為以下三種時的燃燒情況。圖3-1 燃油實驗裝置3.1.1 燃料為柴油從針頭噴射出的燃油很難點燃，即使點燃，很快就會熄滅，不能連貫燃燒，說明如果以純柴油為微型渦噴發(fā)動機的燃料，啟動時可能會比較困難。3.1.2 燃料為柴油和汽油混合物混合物中柴油與汽油比例約為4:1。燃燒情況如圖3-2所示，火

36、焰比較容易點燃，并且燃燒比較充分。說明柴油和汽油的混合物（比例約為4:1）比較適于作為微型渦噴發(fā)動機的燃料。圖3-2 柴油和汽油混合物的燃燒試驗3.1.3 燃料為汽油汽油燃燒情況如圖3-3所示，點燃比較容易，但是燃燒不是很充分，效果不如柴油汽油的混合物。圖3-3 汽油的燃燒試驗3.2 燃氣實驗本文中，我們制作的10厘米級渦噴發(fā)動機以液化石油氣為燃料，在制作燃燒器和燃燒室的過程中，我們分階段進行燃氣實驗，觀察其燃燒情況。主要有以下三個階段。3.2.1 燃燒器制作完成后向燃燒器內(nèi)通入適量液化石油氣，點燃六個噴嘴，如圖3-4所示。如果六個噴嘴出口的火焰長度基本相同，則說明燃燒器性能良好。圖3-4 燃

37、燒器噴氣燃燒試驗3.2.2 燃燒器與外缸配合在燃燒室外缸（見圖3-5）制作好之后，將燃燒器放入，進行燃氣實驗，燃燒情況如圖3-6所示。圖3-5 燃燒室外缸 圖3-6 燃燒器與外缸配合燃燒試驗3.2.3 燃燒器放入燃燒室內(nèi)在整個燃燒室制作完成之后，將燃燒器放入燃燒室內(nèi)，做燃燒試驗，如圖3-7所示。用電風扇向燃燒室內(nèi)吹風，在一定程度上模擬了微型渦噴發(fā)動機運行工況下的燃燒。在燃燒試驗后，檢查各部件是否有因高溫損壞，如果有，改進制作方法，以使各部件能承受燃燒的高溫。圖3-7 燃燒器在燃燒室內(nèi)燃燒試驗3.3 本章小結本章對微型渦噴發(fā)動機的燃料進行燃燒試驗。通過對柴油、汽油和柴油汽油混合物這三種燃料的燃燒

38、情況的對比，可以看出，柴油與汽油的混合物（比例約為4:1）較易點燃，燃燒充分、良好，在普通實驗條件下，最適于作為微型渦噴發(fā)動機的燃料。通過燃燒器制作完成后、燃燒器與外缸配合、燃燒器放入燃燒室內(nèi)這三個階段的燃氣實驗，在一定程度上了解了以液化石油氣作為微型渦噴發(fā)動機燃料時的燃燒效果，檢驗了燃燒部件的性能，為整機試驗打下了基礎。4 壓氣輪仿真計算壓氣輪作為微型渦噴發(fā)動機的關鍵部件，用于對進入發(fā)動機的空氣增壓，使空氣壓力達到預定值并作為發(fā)動機后續(xù)組件(主燃燒室)的氣源，本章針對微型渦噴發(fā)動機的微型壓氣輪進行研究，數(shù)值模擬了具有微三維結構的壓氣輪模型，應用流體力學仿真軟件對其內(nèi)部的氣體流場運動進行分析，

39、計算壓氣輪的增壓比和效率。4.1 壓氣輪的結構根據(jù)壓氣輪的結構形式和空氣的流動特點可將其分為軸流式、離心式(或稱徑流式)以及軸流與離心組合(混流)式3類。由于離心式壓氣輪具有單級壓比高、結構緊湊等特點,適應用于微型發(fā)動機，故本文中的微型渦噴發(fā)動機采用離心式結構壓氣輪。按葉輪出口葉片角可將葉輪分為前彎型、徑向型和后彎型3種形式。其中，前彎葉輪的效率最低，加工能力最大；后彎葉輪的加工能力較差，但效率最高；徑向葉輪則處于兩者之間4。由于微型渦輪發(fā)動機能量損失較大，故選擇效率較高的后彎型葉輪.。壓氣輪的主要幾何參數(shù)如圖1所示，已知葉輪外徑D2=63 mm，葉輪內(nèi)徑D1=13.5 mm，葉輪高度H21.

40、5mm。壓氣輪三維圖見圖4-2。圖4-1 壓氣輪工程圖圖4-2 壓氣輪三維圖4.2 壓氣輪模型和邊界條件 物理模型本文使用SolidWorks軟件對壓氣輪進行流體仿真，假設整個流場為均勻流場。流體仿真物理模型如圖4-3，4-4所示。進氣口為光滑流道，與壓氣輪相配合，壓氣輪葉片與進氣口內(nèi)壁之間的縫隙約為2mm。空氣經(jīng)過壓氣輪壓縮后，進入圓筒容器內(nèi)，再從圓筒容器出口流出。4-3 流體仿真物理模型 4-4 流體仿真物理模型右剖視圖 邊界條件壓氣輪轉動速度為12560rad/s，入口處壓力為標準大氣壓101325Pa，質(zhì)量流量為0.23kg/s，出口處壓力也是101325p，出入口氣體溫度都是293.

41、2K，氣體為理想氣體，標準大氣壓下的空氣密度為1.293kg/m3。設置邊界條件后的仿真模型如圖4-5所示，然后開始仿真計算。圖4-5 設置邊界條件后的仿真模型4.3 壓氣輪模擬結果分析圖4-6是仿真模型右剖視圖上的壓力分布圖，從圖上可以看，空氣基本上是均勻流入壓氣輪，經(jīng)壓氣輪壓縮后，壓力升高。在壓氣輪后的圓筒容器內(nèi)，越接近圓筒內(nèi)壁，氣體壓力越高。 圖4-6 仿真模型右剖視平面壓力分布圖圖4-7是壓氣輪流道截面上的壓力分布圖，空氣壓力在壓氣輪和進氣口內(nèi)壁之間分布均勻，在兩個葉片之間的流道內(nèi)，靠近葉片壓縮面的氣體壓力明顯高于葉片背面附近的氣體壓力，說明葉片有壓縮升壓的效果，但是由于葉片之間壓力分

42、布不均，會產(chǎn)生二次流，這是導致?lián)p失的一個重要原因。圖4-7 壓氣輪流道截面壓力分布圖經(jīng)過仿真計算得到壓氣輪出口平均壓力為193365Pa，扭矩為1.583N*m。已知壓氣輪進口壓力為標準大氣壓101325Pa，空氣體積流量為0.178m3/s，壓氣輪轉速為12560rad/s。通過公式（4-1）計算可得，壓氣輪的增壓比為1.91。運用公式（4-2）計算得到壓氣輪的效率為0.82。（4-1）（4-2）4.4 本章小結通過流體力學仿真對微型渦噴發(fā)動機的壓氣輪性能參數(shù)進行仿真計算，得到壓氣輪的增壓比為1.91，效率為0.82。通過分析發(fā)現(xiàn)，壓氣輪的葉片之間壓力分布不均，會產(chǎn)生二次流，這是壓氣輪效率損

43、失的重要原因之一。5 微型渦噴發(fā)動機主要零件的結構特點要研制尺寸小、重量輕的微型渦噴發(fā)動機，在結構設計上，決不是一般渦噴發(fā)動機的按比例縮小，而是常需采用零件歸并合一的結構簡化技術，目的是減少聯(lián)接件，減少零件數(shù)量，減輕發(fā)動機重量。為了高效運轉、提高性能，微型渦噴發(fā)動機的零件設計上都有其自身的結構特點。本章以微型渦噴發(fā)動機主要零件為研究對象，分析其結構特點和性能優(yōu)缺點。5.1 壓氣輪微型渦噴發(fā)動機采用單級離心壓氣輪，與單級軸流壓氣輪相比，其具有負荷大、效率高、結構緊湊的特點。在小流量和小雷諾數(shù)下能保持較高的性能指標。但是國內(nèi)外航空發(fā)動機技術在微型離心壓氣輪設計方面的研究經(jīng)驗還很欠缺。微型壓氣輪存在

44、粘性效應強、漏氣損失大等問題?？紤]到微型壓氣輪存在的問題，在10厘米級微型渦輪發(fā)動機上，我們采用如圖5-1所示的S型葉輪結構的壓氣輪，這種設計減少了零件數(shù)目，簡化了結構。采用精密鑄造工藝后，大大改善了制造工藝性，但對鑄造質(zhì)量要求很高，鑄造難度較大5。圖5-1 壓氣輪壓氣輪采用單級離心式而不采用軸流式，主要是考慮到為了得到與單級離心式壓氣輪同樣的增壓比的情況下，軸流式壓氣輪至少需要3級，多級壓氣輪將會造成結構的復雜及轉子動力特性的變化。壓氣輪采用與軸接觸的圓柱面定心，螺母連接傳力，磨擦傳扭，后端面定位。并用軸前端的螺紋與螺母連接將壓氣輪緊固。為防止連接螺母松動，采用反螺紋結構，保證起動及工作的可

45、靠性。5.2 擴壓器微型渦輪發(fā)動機采用葉片式擴壓器（圖5-2），葉片分為徑向和軸向兩部分，減少氣流流動損失，達到提高效率、簡化結構的目的。它將葉片、腹板做成一體，并與軸套聯(lián)結成一整體結構，構成擴壓器組件，發(fā)動機安裝座固定在外殼上。如果采用整體鑄造的擴壓器，可以改善制造工藝性6。圖5-2 擴壓器5.3 燃燒室微型渦噴發(fā)動機的燃燒室存在如下技術難點：1）面容比（S/V）大于常規(guī)燃燒室1-2個數(shù)量級，這使得傳熱損失大大增加；2）駐留時間短，大約2-3ms，這要求改進常規(guī)霧化混合方式；3）發(fā)動機尺寸小、結構緊湊，不易組織流動、燃燒7。通過研究和試驗設計，得到了圖5-3所示的環(huán)形燃燒室加蒸發(fā)管燃燒技術。

46、燃油充分吸熱蒸發(fā)，在微小空間中與氣體混合，利用燃燒室的幾何形狀形成穩(wěn)定火焰。環(huán)形燃燒室的結構特點是在燃燒室、外殼體之間的環(huán)腔內(nèi)，形成了一個由共同的火焰筒內(nèi)、外壁構成的環(huán)形燃燒區(qū)和摻混區(qū)。使用環(huán)形燃燒室能有效地利用燃燒空間、縮短轉子長度，增加燃燒效率，提高轉子的抗彎剛性從而能夠減小整個微型渦噴發(fā)動機的振動。圖5-3 環(huán)形燃燒室隨著微型渦噴發(fā)動機燃燒室尺寸的減小，燃料和空氣在燃燒室中的駐留時間減少，影響了燃料混合和化學反應所能占用的時間.此外，隨著尺寸的減小， 微型渦噴發(fā)動機燃燒室的面積與容積比迅速增加，由此產(chǎn)生的高傳熱損失，降低了微燃燒室的效率，并且微小尺寸產(chǎn)生的火焰淬熄可能會影響燃料的燃燒極限

47、.為了提髙微燃燒室的效率，需要在保證足夠的有效駐留時間的條件下盡量減小燃燒室的容積和表面積；通過提高質(zhì)量流率可以減少有效駐留時間，和固定質(zhì)量流率時減小燃燒室的容積效果相同；在微型渦噴發(fā)動機中，通過壁面的熱損失非常大，需要選擇有低傳熱系數(shù)和低輻射的材料作為燃燒室的壁面8。在蒸發(fā)式燃燒室內(nèi)，油氣的混合提前在蒸發(fā)管內(nèi)進行。燃油首先噴入處于高溫燃氣流中的、熾熱的蒸發(fā)管內(nèi)，迅速吸熱并轉化為燃油蒸汽，與進入蒸發(fā)管內(nèi)的少量空氣初步混合成油氣，然后從蒸發(fā)管噴入火焰筒的主燃燒區(qū)內(nèi)，與大量空氣混合后燃燒。燃燒室采用多種冷卻孔進行冷卻的方法，它的表面開有許多圓孔，有些孔與壁面切向形成一定夾角，以提高摻混和穩(wěn)定燃燒的

48、目的，有些孔是為了由火焰筒與燃燒室殼體之間引入二股氣流，從而在燃燒室殼體內(nèi)形成摻混區(qū)，氣膜冷卻區(qū)，隔離高溫燃氣與火焰筒內(nèi)表面，達到降溫、冷卻的目的。5.4 渦輪渦輪（見圖5-4）采用單級軸流式渦輪結構。它的功能主要是將煙氣的動能與熱能轉換成旋轉的機械功，帶動壓氣輪等其它部件。渦輪作為一個高速旋轉的動力部件，必然承受著很大的氣體負荷與質(zhì)量符合；加上它又被高溫燃氣所包圍，熱負荷相當可觀，故其可靠性應予以高度重視。圖5-4 渦輪同樣，微型渦噴發(fā)動機體積小，功率低，渦輪前溫度也較低，葉片結構尺寸小，采用冷卻式葉片難度較大，故未進行葉片的冷卻，如果向心渦輪采用高溫合金精密鑄造成型，就可以簡化結構，改善制

49、造工藝，降低成本。微型渦噴發(fā)動機扭矩小，單級渦輪連接時采用摩擦傳扭來代替套齒傳扭，使結構更加簡單。但如需要維修拆下輪盤再裝配時很可能會造成動平衡破壞，這將難以保證發(fā)動機的動平衡。為了解決這個問題，需要在動平衡時作好記號，以保證發(fā)動機再次裝配后的動平衡。當渦輪在高溫下工作時，軸與渦輪盤受熱膨脹，配合面預緊力減小，需要適當加大接觸面的摩擦力來傳遞扭矩。渦輪轉子由與軸的配合圓柱面定心，連接螺母傳力，摩擦傳扭，前端面定位。5.5 導流器導流器（見圖5-5）沒有離心載荷，強度問題不突出，可是由于“熱”的作用，除了采用具有良好高溫性能的材料，以保證零組件在高溫下安全可靠地工作外，在結構設計時，熱應力、熱變

50、形、熱定心以及熱沖擊、熱疲勞等問題已成為突出問題。圖5-5 導流器如果將導流器機匣與導流器做成一體，采用精密鑄造工藝，靠內(nèi)圈定心，通過導流器連接環(huán)與軸承機匣連接成一個整體，結構簡單，但鑄造工藝要求高，將其負荷傳到軸承機匣上。由于渦輪導向器易受熱膨脹，故導流器與燃燒室機匣配合面留有徑向間隙。5.6 導流錐導流錐如圖 5-6 所示，它由尾噴管、尾錐體組成，通過螺釘與燃燒室外機匣連接，尾錐體與緊固渦輪盤的螺母做成一體，以簡化結構。圖5-6 導流錐5.7 機匣機匣由前后兩個部分組成（如圖 5-7），前機匣用螺釘與進氣口及軸承機匣連接，后機匣前端也用螺釘與導流器及軸承機匣連接，后機匣上有點火器安裝孔，后

51、機匣后端用螺釘與錐形尾噴管連接。圖5-7 機匣5.8 軸承為了節(jié)約成本，在本文中制作的微型渦噴發(fā)動機使用的是普通軸承，只能短時間運轉，并且不能承受大負荷。微型渦輪發(fā)動機應采用氮化硅陶瓷軸承，氮化硅陶瓷具有密度小、硬度高、耐磨損、耐腐蝕、高溫強度好、彈性摸量大、磨擦系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)小、高溫時穩(wěn)定性和絕緣性好等許多優(yōu)良的機械、物理性能，是一種較好的滾動軸承材料。10厘米級微型渦輪發(fā)動機一般采用兩個高速滾動陶瓷軸承作為支承。高速滾動軸承運轉中的主要問題是：高速運轉時，滾動體產(chǎn)生很大離心力和陀螺力矩，增大了軸承的負荷，且相于對軸承圈套的滑動量增大，導致軸承溫升提高，使用壽命下降，剛度和精度降低。滾動

52、體產(chǎn)生的離心力和陀螺力矩與其材料的密度成正比，而用于制造陶瓷軸承的氮化硅（3 4SiN ）的密度只為軸承鋼的 40%，有利于用于高轉速。同時陶瓷材料的彈性模量大，熱膨脹系數(shù)小，是鋼的 25%，使陶瓷軸承剛度高，徑向間隙穩(wěn)定。氮化硅材料的陶瓷軸承，特別是由陶瓷滾動體和鋼套圈構成的組合陶瓷軸承，具有良好的耐磨性、較高的運轉精度和較長的使用壽命，常常應用于高速的精密設備。因此，小型和微型發(fā)動機中廣泛地采用了高精度陶瓷軸承的支承結構。5.9 冷卻系統(tǒng)微型渦輪發(fā)動機采用了非循環(huán)潤滑冷卻系統(tǒng)，它沒有單獨的滑油系統(tǒng)，而是使用加入 摻混少量潤滑油的燃油進行潤滑。一部分燃油由油管導入，噴至壓氣輪背面，從而反射到壓氣輪后的前軸承上，對軸承進行冷卻；再由高壓氣流將滑油吹入軸套的軸承腔內(nèi)，直至到達渦輪前的后軸承。冷卻后的滑油直接進入煙氣通道，由尾噴管排出，不再進行利用。這樣省去了復雜的滑油循環(huán)系統(tǒng)，簡化了發(fā)動機的結構，減輕了發(fā)動機重量。5.10 本章小結本章對微型渦噴發(fā)動機的壓氣輪、擴壓器、燃燒室等主要零件進行研究，分析了其結構特點，闡述這些零件的結構優(yōu)點和部分零件存在的缺陷。由于現(xiàn)有加工技術的限制，壓氣輪、擴壓器等零件的性能還不夠理想。隨著加工方法和技術的改進，微型渦噴發(fā)動機的性能將有很大的提升空間。結論微型渦輪發(fā)動機是推進動力/能源系統(tǒng)研究的新興領，具有尺寸小、重量輕、能量密度高、推