微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及商業(yè)價(jià)值

1、華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)制作圖注意事項(xiàng)：個(gè)人自制渦噴是一項(xiàng)能力挑戰(zhàn)，不建議無機(jī)械基礎(chǔ)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(qǐng)自行解決相關(guān)版權(quán)。謝謝合作！另外，制作中一定要有安全意識(shí)，！切記與高速運(yùn)轉(zhuǎn)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(dāng)成烤鴨請(qǐng)注意下面的事項(xiàng)！ 1.別被火噴成烤鴨，玩火要有科學(xué)知識(shí)指導(dǎo)。 2.渦輪一定要作動(dòng)平衡才能用。 3.無論如何不要在共公場(chǎng)合試發(fā)動(dòng)機(jī)，很多人圍觀不是好事。 4.渦輪轉(zhuǎn)速高達(dá)70000轉(zhuǎn)每分以上，沒機(jī)械基礎(chǔ)不要去試！ 5.發(fā)動(dòng)機(jī)試運(yùn)與工作中，永

2、遠(yuǎn)不要站在渦輪的兩側(cè)正對(duì)位，以免渦輪發(fā)生事故時(shí)，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(jī)加工與材料常識(shí)，了解金屬，火災(zāi),爆炸原理，等安全知識(shí)，安全第一。 渦噴自制問題解答： 1:.發(fā)動(dòng)機(jī)如何自己設(shè)計(jì)？ 到哪里找材料，價(jià)錢如何？ 模型用的發(fā)動(dòng)機(jī)不是大的發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)人-Kurt Schreckling設(shè)計(jì)的FD3-64航模渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，開創(chuàng)了小型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)先河，用一個(gè)簡(jiǎn)單方法制作的放射式壓氣機(jī)，環(huán)型燃燒室，一個(gè)用簡(jiǎn)單方法制做出來的渦輪，達(dá)到了良好的效果。他的理念已被最新改進(jìn)的各種新的設(shè)計(jì)所證實(shí)，并且都是以他的設(shè)計(jì)為基

3、礎(chǔ)進(jìn)行的提煉。數(shù)字顯示，許多愛好者根據(jù)他的著作理論，成功地將發(fā)動(dòng)機(jī)用在了航模上。 渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)材料為不銹鋼為主，材料成本很低，如果從材料本身的價(jià)值來說，以廣州為例，也就100元上下，但由于個(gè)人愛好者，有些可能無機(jī)床，氬弧焊的話，到外面加工的人力成本會(huì)貴過材料費(fèi)。但也無妨。再就是如果有認(rèn)識(shí)不銹鋼加工廠的話，找到邊角料足矣做一臺(tái)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(shè)備如何做動(dòng)平衡？ 渦輪是由型號(hào)為301,2.5mm不銹板剪口彎成，用一個(gè)小電鉆配小砂輪可以打磨出翼型即可，關(guān)鍵的動(dòng)平衡測(cè)試，記住這一點(diǎn)很重要！否則會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)解體！是用我們的

4、大拇指與食指來感覺振動(dòng)。靈敏度相當(dāng)高。足以完成渦輪的動(dòng)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(jiǎn)單的滾珠軸承，用自身的壓縮空氣壓油提供油霧潤(rùn)滑。可以用透平油，或低粘度的機(jī)械潤(rùn)滑油。 FD3-64的設(shè)計(jì)合理的利用壓氣機(jī)的空氣，將溫度控制在600度以下，從而保證各部件的強(qiáng)度。 在運(yùn)行中我們要注意發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度不能超高。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)(論文)題 目 微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究與制作院 系動(dòng)力工程系專業(yè)班級(jí)熱能與動(dòng)力工程0801班學(xué)生姓名指導(dǎo)教師王慶五 二0一二年六月微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒試驗(yàn)和零件研究摘 要微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)具有重量輕、功率大、能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，在軍、民領(lǐng)域都

5、有廣泛的應(yīng)用前景。目前，微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)尚處于起步發(fā)展階段，其總體及部件設(shè)計(jì)技術(shù)還有待進(jìn)一步的發(fā)展和完善。本文以10厘米級(jí)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象，根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，制作發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)，并進(jìn)行燃燒試驗(yàn)和零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析。通過制作10厘米級(jí)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，研究了微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)零件的制作方法，積累了零件加工的經(jīng)驗(yàn)，也增強(qiáng)了動(dòng)手實(shí)踐的能力。對(duì)柴油、汽油和柴油汽油混合物這三種燃料進(jìn)行燃燒試驗(yàn)，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(qū)動(dòng)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，本文中制作的10厘米級(jí)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)以液化石油氣作為燃料，在制作過程中，分階段進(jìn)行燃?xì)庠囼?yàn)。運(yùn)用SolidWorks軟

6、件的數(shù)值模擬功能，建立仿真模型，設(shè)置邊界條件后，計(jì)算壓氣輪的增壓比和效率。對(duì)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)主要零件進(jìn)行研究，分析壓氣輪、擴(kuò)壓器、燃燒室、渦輪等零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)；制作；燃燒；仿真計(jì)算；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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

7、field of military 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 t

8、he existing experimental 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 experi

9、ence of the parts 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

10、 to drive the micro 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 fun

11、ction to calculate 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; product

12、ion; combustion; numerical simulation; structure characteristics目 錄摘 要1ABSTRACT21 緒論51.1 選題背景和意義51.2 國(guó)內(nèi)外技術(shù)研究與發(fā)展現(xiàn)狀61.3 本文主要研究?jī)?nèi)容82 微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)制作92.1工作原理92.2 零件加工92.2.1 進(jìn)氣口102.2.2 壓氣輪102.2.3 擴(kuò)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(dǎo)流器152.2.10 導(dǎo)流錐152.2.11 后端蓋162.3 整機(jī)組裝162.4 本章小結(jié)183

13、微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的燃燒試驗(yàn)193. 1 燃油試驗(yàn)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?xì)鈱?shí)驗(yàn)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(jié)224 壓氣輪仿真計(jì)算234.1 壓氣輪的結(jié)構(gòu)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(jié)果分析254.4 本章小結(jié)265 微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)主要零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)275.1 壓氣輪275.2 擴(kuò)壓器285.3 燃燒室285.4 渦輪295.5 導(dǎo)流器305.6 導(dǎo)流錐

14、315.7 機(jī)匣325.8 軸承325.9 冷卻系統(tǒng)335.10 本章小結(jié)33結(jié)論34參考文獻(xiàn)35致謝361 緒論1.1 選題背景和意義近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro-Mechanical Systems，MEMS）技術(shù)、新型半導(dǎo)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(gè)學(xué)科領(lǐng)域技術(shù)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(shì)。微型飛行器具有許多優(yōu)點(diǎn)：其噪聲低、雷達(dá)反射信號(hào)小，因而隱蔽性好，可以完成多種任務(wù)，包括：戰(zhàn)場(chǎng)偵察和監(jiān)視目標(biāo)確認(rèn)、空中布雷、偵察大型建筑物和設(shè)施內(nèi)部乃至攻擊敵方重點(diǎn)敏感部位等。我國(guó)最近幾年也對(duì)微型飛行器給予了很大的重視，開

15、始了相關(guān)技術(shù)的研究。開展微型飛行器技術(shù)研究，需要解決的最為關(guān)鍵的技術(shù)之一就是高能量密度的微型動(dòng)力裝置的研究。研究新型高能量存儲(chǔ)密度、高功率重量比的動(dòng)力裝置是研制微型飛行器的首要任務(wù)。目前各種合適微型飛行器使用的能量?jī)?chǔ)存介質(zhì)中，化學(xué)燃料是能量?jī)?chǔ)存密度最高的，可達(dá)到50KJ/g，是電池的100倍，雖然熱機(jī)將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的效率較低，但是使用化學(xué)燃料的推進(jìn)系統(tǒng)的折合能量?jī)?chǔ)存密度按保守估計(jì)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(duì)推進(jìn)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(dòng)機(jī)。所以，微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)(Micro Turbine Engine, MTE)是作為微型飛行器發(fā)動(dòng)

16、機(jī)最有希望的方案之一。MTE尺寸大致是普通渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的1/1001/10，但是其推重比有顯著提高。雖然微小尺度下氣動(dòng)損失、傳熱問題以及加工制造問題的影響會(huì)制約MTE達(dá)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(dòng)機(jī)技術(shù)得到了大力發(fā)展，并已進(jìn)入學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的合作階段，正在開發(fā)各種面向軍、民領(lǐng)域的產(chǎn)品。美國(guó)國(guó)防部預(yù)研計(jì)劃局（DARPA）于1997年制定了一項(xiàng)耗資3500萬(wàn)美元的計(jì)劃，對(duì)微型飛行器的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)如：微型飛行器平臺(tái)、微型推進(jìn)系統(tǒng)、飛行/控制系統(tǒng)、傳感器技術(shù)等進(jìn)行研究。其中重點(diǎn)支持開展直徑介于5mm50mm，推力在0.01100N之間的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)技術(shù)研

17、究，并計(jì)劃在近一、兩年內(nèi)將此范圍內(nèi)的各個(gè)推力級(jí)別的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)技術(shù)推進(jìn)到樣機(jī)實(shí)驗(yàn)階段。微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)作為一種特殊的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，廣泛應(yīng)用于無人機(jī)，巡航導(dǎo)彈以及航模等領(lǐng)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(bǔ)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(dòng)機(jī)為核心。微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理與常規(guī)的大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)，具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：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?xì)怏w，如丙烷氣，用于在起動(dòng)時(shí)對(duì)燃油加熱

18、蒸發(fā)；2）起動(dòng)過程比較復(fù)雜，需要協(xié)調(diào)點(diǎn)火控制、起動(dòng)電機(jī)控制及燃料供給的時(shí)機(jī)；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(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程容易出現(xiàn)懸掛，起動(dòng)供油規(guī)律的確定有難度等。因此微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)不能完全照搬大型發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，有必要針對(duì)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)開展扎實(shí)而細(xì)致地基礎(chǔ)研究。1.2 國(guó)內(nèi)外技術(shù)研究與發(fā)展現(xiàn)狀微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)作為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。身體結(jié)構(gòu)相對(duì)纖細(xì)的昆蟲能夠舉起相當(dāng)于自身體重幾十倍的重物，而最強(qiáng)壯的運(yùn)動(dòng)員也只能舉起略大于其體重的物體，這是因?yàn)闄C(jī)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(dòng)機(jī)較常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸有了較大

19、幅度的減小，根據(jù)普惠公司給出的商用動(dòng)機(jī)推力密度與尺寸的關(guān)系，可以推斷出微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)可以具有遠(yuǎn)高于常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比。目前國(guó)內(nèi)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的研究正處于起步階段。上海交通大學(xué)針對(duì)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒關(guān)鍵技術(shù)，開展微細(xì)異型腔內(nèi)氫氣與空氣預(yù)混燃燒特性試驗(yàn)研究。測(cè)試了微細(xì)型腔中氫氣與空氣預(yù)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(xì)型腔中保證燃?xì)饣鹧娣€(wěn)定燃燒的工作條件和影響因素，認(rèn)為在微細(xì)型腔內(nèi)進(jìn)行氫氣與空氣的預(yù)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?cái)U(kuò)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(jìn)口端設(shè)置一個(gè)直徑20mm、

20、間隙1mm的氣體預(yù)混腔。采用高溫耐熱合金鋼以電火花工藝加工成型。國(guó)內(nèi)目前對(duì)于微型發(fā)動(dòng)機(jī)的研究還停留在理論階段，和國(guó)外相比還有較大的差距2，這需要加大對(duì)于微型發(fā)動(dòng)機(jī)的研究力度，在世界微型發(fā)動(dòng)機(jī)的研究領(lǐng)域占有一席之地。國(guó)外已著手開展研究的微型發(fā)動(dòng)機(jī)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(xué)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(shù)特點(diǎn)為： 以硅和氮化硅為主要結(jié)構(gòu)材料； 代表性制造工藝為反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)； 以氫為燃料，采用預(yù)先摻混的燃?xì)?，整體式燃燒室，無冷卻氣流，燃燒溫度為1600K； 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高達(dá)100200萬(wàn)轉(zhuǎn)/分； 用途為微型

21、飛行器動(dòng)力、便攜式能源。圖1-1 麻省理工的MTE2）斯坦福大學(xué)的MTE直徑約4厘米，長(zhǎng)度略大于發(fā)動(dòng)機(jī)直徑，推力約5N（見圖1-2），技術(shù)特點(diǎn)為： 以氮化硅陶瓷作為主要結(jié)構(gòu)材料，代表性制造工藝為鑄模沉積成型制造技術(shù)； 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(jí)離心式壓氣機(jī)，氮化硅陶瓷制作的單級(jí)向心渦輪； 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)45萬(wàn)轉(zhuǎn)/分，采用氣膜軸承支承。 用途為微型飛行器動(dòng)力、便攜式能源。圖1-2 斯坦福大學(xué)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(shù)特點(diǎn)為： 以鋁、高溫合金作為主要結(jié)構(gòu)材料，采用常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)輔之以精密儀

22、器制造技術(shù)； 以添加少量潤(rùn)滑油的航空煤油為燃料，燃燒溫度1100K左右； 一般采用單級(jí)離心壓氣機(jī)和單級(jí)向心（或軸流式）渦輪，葉輪造型為三維設(shè)計(jì)； 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為10萬(wàn)轉(zhuǎn)16萬(wàn)轉(zhuǎn)/分，采用陶瓷滾珠軸承支承； 應(yīng)用于微小型無人駕駛靶機(jī)、偵察機(jī)以及航模飛機(jī)中。圖1-3 10厘米級(jí)MTE雖然上述三類發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理和設(shè)計(jì)思想基本相同，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制造工藝以及相關(guān)技術(shù)上的難度卻是隨著尺寸的減小而逐漸增大的。對(duì)于這三類微型發(fā)動(dòng)機(jī)的研究，我國(guó)基本還處于起步階段。1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容本文開展的工作主要針對(duì)10厘米級(jí)微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行了實(shí)際制作和理論分析，具體工作如下：1）微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的零件加工和

23、組裝；2）微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的燃燒試驗(yàn)研究；3）微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣輪的數(shù)值仿真和效率計(jì)算；4）微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)主要零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析。2 微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)制作微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的制作對(duì)加工工藝要求很高，我們利用現(xiàn)有資源，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際條件，加工制作了10厘米級(jí)的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)樣機(jī)。本章敘述了微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理和樣機(jī)制作過程。由于條件有限，所制作的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)還不盡人意，但是為微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的加工制作和結(jié)構(gòu)研究提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。2.1工作原理圖2-1是10厘米級(jí)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單形式的典型結(jié)構(gòu)。壓氣輪旋轉(zhuǎn)，吸入空氣，然后將其壓縮，使空氣壓力升高。空氣經(jīng)過擴(kuò)壓器后，壓力進(jìn)一步升高，改變方向，流

24、入燃燒室。在燃燒室內(nèi)，噴入的燃料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(dǎo)流器，沖擊渦輪做功，渦輪通過軸傳動(dòng)帶動(dòng)壓氣輪轉(zhuǎn)動(dòng)。煙氣釋放出推動(dòng)壓氣機(jī)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(dòng)量守恒定理，微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)獲得與排氣方向相反的推動(dòng)力。圖2-1 10厘米級(jí)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.2 零件加工根據(jù)圖紙和實(shí)際條件，我們加工了10厘米級(jí)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零件，包括：進(jìn)氣口、壓氣輪、軸和軸套等。2.2.1 進(jìn)氣口圖2-2是進(jìn)氣口的設(shè)計(jì)圖，進(jìn)氣口外側(cè)輪廓為光滑弧線，實(shí)際加工過程中，為了加工方便，將外輪廓線加工成直線，如圖

25、2-3所示。進(jìn)氣口以直徑110m的鋁棒為原料，切取適當(dāng)長(zhǎng)度的鋁棒，在數(shù)控機(jī)床上加工而成。進(jìn)氣口內(nèi)部流道為收縮擴(kuò)張型流道，它的作用是引導(dǎo)外界空氣進(jìn)入壓氣輪，對(duì)它的要求是要盡可能地減小氣流經(jīng)過時(shí)的壓力損失，并使氣流在進(jìn)氣道出口處有盡可能的均勻氣體流場(chǎng)，對(duì)它的最基本要求是發(fā)動(dòng)機(jī)在任何工作狀況下，進(jìn)氣道都以最小的壓力損失滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)空氣流量的需求。圖2-2 進(jìn)氣口設(shè)計(jì)圖 圖2-3 進(jìn)氣口2.2.2 壓氣輪 壓氣輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在數(shù)控機(jī)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2.2.3 擴(kuò)

26、壓器擴(kuò)壓器原料為直徑為110mm的鋁棒，在數(shù)控機(jī)床上加工而成，如圖2-5所示。 圖2-5 擴(kuò)壓器2.2.4 軸和軸套軸（見圖2-6）是高速旋轉(zhuǎn)的部件，在微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，要同時(shí)承受高溫和很大的扭矩，所以選用強(qiáng)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(shí)根據(jù)各段的尺寸要求分別車出對(duì)應(yīng)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(yīng)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2.2.5 外殼外殼（見圖2-8）材料為不銹鋼，用直徑

27、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，固定在線切割機(jī)上，保留缸底，切割去杯口部分，剩下的杯體長(zhǎng)度為100mm。由于一個(gè)不銹鋼杯的長(zhǎng)度不夠，故再取另外一個(gè)杯子，切除其杯底和杯口部分，并從將余下的部分上截取長(zhǎng)度為32mm的一段，焊接到第一段杯體上。圖2-8 外殼2.2.6 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(yīng)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(shí)一定要保證開口嚴(yán)格密封。再對(duì)照?qǐng)D紙，用簽字筆將銅彎管相應(yīng)的地方做上標(biāo)記，以便打孔。用小方挫在標(biāo)記的地方挫出小坑。

28、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(biāo)準(zhǔn)的孔。其中需注意的是供油孔是打在供油圈外側(cè)面的中心位置，以便燃油能向兩邊均勻供應(yīng)。接下來加工噴油管。選直徑2毫米的銅管，截取出六根長(zhǎng)度約70毫米的銅管。注意在截取的時(shí)候，用小挫子先挫出小槽，再用鉗子彎斷，不能直接用鉗子截?cái)啵乐广~管開口處堵塞。在每根管子的一端，用挫子磨出一個(gè)斜切面，以便插入到供油圈里面時(shí)，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(duì)供油圈內(nèi)的來油方向。在粘接的過程中，裁剪一個(gè)紙板圓環(huán)，在和噴油管對(duì)應(yīng)的位置打

29、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(shí)固定噴油管，防止在膠未干的時(shí)候，噴油管傾斜。圖2-9 燃燒器2.2.7 燃燒室燃燒室是微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)中的高溫部件，因此所需材料要有較好的耐熱性能和強(qiáng)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(jī)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(gè)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(jī)焊接固

30、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100mm的不銹鋼杯制作。用線切割機(jī)將杯口部分切去，剩余部分長(zhǎng)度為77mm。接著在杯底切出直徑為71mm的孔。在杯體側(cè)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(diǎn)焊機(jī)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(diǎn)焊機(jī)將直管焊接到燃燒室上。最后，將這三部分零件進(jìn)行組裝。先將內(nèi)壁和前端蓋連接，用點(diǎn)焊機(jī)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

31、端蓋 2-11 燃燒室外套2-12 燃燒室2.2.8 渦輪渦輪用厚度6毫米不銹鋼板加工。先用線切割加工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(jī)等分切成19份，切割縫不能太小，以防止不能順利扭轉(zhuǎn)葉片。最后，用專用葉片彎扭工具，將渦輪外邊緣的葉片扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)渦輪葉片 圖2-14 渦輪2.2.9 導(dǎo)流器導(dǎo)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(gè)不同大小的矩形和一個(gè)環(huán)形不銹鋼板，如圖2-15所示。兩個(gè)矩形鋼板彎曲焊接固定后，形成兩個(gè)圓筒，即導(dǎo)流器的內(nèi)筒和外筒。在白鐵皮上剪

32、出11個(gè)葉片，焊接到內(nèi)筒和外筒之間。最后，導(dǎo)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2-16 導(dǎo)流器2.2.10 導(dǎo)流錐導(dǎo)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(gè)用來制作導(dǎo)流錐外側(cè)殼體，第二個(gè)是加工成內(nèi)部錐體。將兩塊鋼板分別彎折成圓臺(tái)形狀，然后用點(diǎn)焊機(jī)焊接使其形狀固定，最后用鉗子等工具調(diào)整這兩個(gè)零件的形狀。導(dǎo)流錐內(nèi)部錐體與外側(cè)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(dǎo)流錐如圖2-18所示。圖2-17 制作導(dǎo)流錐用的不銹鋼板 圖2-18 導(dǎo)流錐2.2.11 后端蓋

33、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(dǎo)流錐2.3 整機(jī)組裝在所有零件加工完成之后，按照由內(nèi)到外的順序，對(duì)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(zhuǎn)動(dòng)部分圖2-21 轉(zhuǎn)動(dòng)部分和軸承、軸套及擴(kuò)壓器組裝在一起圖2-22 整體組裝2.4 本章小結(jié)本章敘述了10厘米級(jí)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理和制作過程。通過制作10厘米級(jí)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，以實(shí)踐的方式研究了其零件的加工方法，并對(duì)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)有了更深的了解。3 微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的燃燒試驗(yàn)如果沒有推力和效率要求，任何

34、流動(dòng)的、易燃的、不比柴油還易揮發(fā)的燃料，都可以用來驅(qū)動(dòng)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)3。柴油或者相似的燃料，比如煤油或液體石蠟，都有著差不多的最大發(fā)熱量，適合作為微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料。微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)也可以采用液化丙烷等氣體為燃料。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)用的航空煤油是特別生產(chǎn)的飛行器燃料，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)有啟動(dòng)方面的問題，而且在部分負(fù)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(dú)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(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)一般用易燃?xì)?/p>

35、體，如丙烷等，來預(yù)熱燃燒室，在達(dá)到一定負(fù)荷后，再投入燃油，升負(fù)荷到需要的功率。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)和易于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，本文制作的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，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?xì)庠囼?yàn)，以了解微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的性質(zhì)和燃燒效果。3. 1 燃油試驗(yàn)燃油實(shí)驗(yàn)裝置（圖3-1）由注射器，導(dǎo)管和細(xì)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?gòu)膰婎^噴出并點(diǎn)燃，觀察燃燒效果。實(shí)驗(yàn)中，主要觀察燃料為以下三種時(shí)的燃燒情況。圖3-1 燃油實(shí)驗(yàn)裝置3.1.1 燃料為柴油從針頭噴射出的燃油很難點(diǎn)燃，即使點(diǎn)燃，很快就會(huì)熄滅，不能連貫燃燒，說明如果以純柴油為微

36、型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，啟動(dòng)時(shí)可能會(huì)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，火焰比較容易點(diǎn)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(dòng)機(jī)的燃料。圖3-2 柴油和汽油混合物的燃燒試驗(yàn)3.1.3 燃料為汽油汽油燃燒情況如圖3-3所示，點(diǎn)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(yàn)3.2 燃?xì)鈱?shí)驗(yàn)本文中，我們制作的10厘米級(jí)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行燃?xì)鈱?shí)驗(yàn)，觀察其燃燒情況。主要有以下三個(gè)階段。3.2.1 燃燒器制作

37、完成后向燃燒器內(nèi)通入適量液化石油氣，點(diǎn)燃六個(gè)噴嘴，如圖3-4所示。如果六個(gè)噴嘴出口的火焰長(zhǎng)度基本相同，則說明燃燒器性能良好。圖3-4 燃燒器噴氣燃燒試驗(yàn)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(jìn)行燃?xì)鈱?shí)驗(yàn)，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(yàn)3.2.3 燃燒器放入燃燒室內(nèi)在整個(gè)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(yàn)，如圖3-7所示。用電風(fēng)扇向燃燒室內(nèi)吹風(fēng)，在一定程度上模擬了微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況下的燃燒。在燃燒試驗(yàn)后，檢查各部件是否有因高溫?fù)p壞，如果有，改進(jìn)制作方法，以使各部件能承受燃燒的高溫。圖

38、3-7 燃燒器在燃燒室內(nèi)燃燒試驗(yàn)3.3 本章小結(jié)本章對(duì)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料進(jìn)行燃燒試驗(yàn)。通過對(duì)柴油、汽油和柴油汽油混合物這三種燃料的燃燒情況的對(duì)比，可以看出，柴油與汽油的混合物（比例約為4:1）較易點(diǎn)燃，燃燒充分、良好，在普通實(shí)驗(yàn)條件下，最適于作為微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)階段的燃?xì)鈱?shí)驗(yàn)，在一定程度上了解了以液化石油氣作為微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃料時(shí)的燃燒效果，檢驗(yàn)了燃燒部件的性能，為整機(jī)試驗(yàn)打下了基礎(chǔ)。4 壓氣輪仿真計(jì)算壓氣輪作為微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，用于對(duì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣增壓，使空氣壓力達(dá)到預(yù)定值并作為發(fā)動(dòng)機(jī)后續(xù)組件(主燃燒室)的氣源

39、，本章針對(duì)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的微型壓氣輪進(jìn)行研究，數(shù)值模擬了具有微三維結(jié)構(gòu)的壓氣輪模型，應(yīng)用流體力學(xué)仿真軟件對(duì)其內(nèi)部的氣體流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，計(jì)算壓氣輪的增壓比和效率。4.1 壓氣輪的結(jié)構(gòu)根據(jù)壓氣輪的結(jié)構(gòu)形式和空氣的流動(dòng)特點(diǎn)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(jí)壓比高、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn),適應(yīng)用于微型發(fā)動(dòng)機(jī)，故本文中的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)采用離心式結(jié)構(gòu)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(dòng)機(jī)能量損失較大，故

40、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H21.5mm。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4.2.1 物理模型本文使用SolidWorks軟件對(duì)壓氣輪進(jìn)行流體仿真，假設(shè)整個(gè)流場(chǎng)為均勻流場(chǎng)。流體仿真物理模型如圖4-3，4-4所示。進(jìn)氣口為光滑流道，與壓氣輪相配合，壓氣輪葉片與進(jìn)氣口內(nèi)壁之間的縫隙約為2mm?？諝饨?jīng)過壓氣輪壓縮后，進(jìn)入圓筒容器內(nèi)，再?gòu)膱A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4.2.2 邊界條件壓氣輪

41、轉(zhuǎn)動(dòng)速度為12560rad/s，入口處壓力為標(biāo)準(zhǔn)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293.2K，氣體為理想氣體，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的空氣密度為1.293kg/m3。設(shè)置邊界條件后的仿真模型如圖4-5所示，然后開始仿真計(jì)算。圖4-5 設(shè)置邊界條件后的仿真模型4.3 壓氣輪模擬結(jié)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

42、輪和進(jìn)氣口內(nèi)壁之間分布均勻，在兩個(gè)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布不均，會(huì)產(chǎn)生二次流，這是導(dǎo)致?lián)p失的一個(gè)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(jì)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(jìn)口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101325Pa，空氣體積流量為0.178m3/s，壓氣輪轉(zhuǎn)速為12560rad/s。通過公式（4-1）計(jì)算可得，壓氣輪的增壓比為1.91。運(yùn)用公式（4-2）計(jì)算得到壓氣輪的效率為0.82。（4-1）（4-2）4.4 本章小結(jié)通過流體力學(xué)仿真對(duì)微型渦噴

43、發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣輪性能參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)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(huì)產(chǎn)生二次流，這是壓氣輪效率損失的重要原因之一。5 微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)主要零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)要研制尺寸小、重量輕的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，決不是一般渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的按比例縮小，而是常需采用零件歸并合一的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化技術(shù)，目的是減少聯(lián)接件，減少零件數(shù)量，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量。為了高效運(yùn)轉(zhuǎn)、提高性能，微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的零件設(shè)計(jì)上都有其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。本章以微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)主要零件為研究對(duì)象，分析其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能優(yōu)缺點(diǎn)。5.1 壓氣輪微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)采用單級(jí)離心壓氣輪，與單級(jí)軸流壓氣輪相比，其具有

44、負(fù)荷大、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。在小流量和小雷諾數(shù)下能保持較高的性能指標(biāo)。但是國(guó)內(nèi)外航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)在微型離心壓氣輪設(shè)計(jì)方面的研究經(jīng)驗(yàn)還很欠缺。微型壓氣輪存在粘性效應(yīng)強(qiáng)、漏氣損失大等問題。考慮到微型壓氣輪存在的問題，在10厘米級(jí)微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)上，我們采用如圖5-1所示的S型葉輪結(jié)構(gòu)的壓氣輪，這種設(shè)計(jì)減少了零件數(shù)目，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。采用精密鑄造工藝后，大大改善了制造工藝性，但對(duì)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(jí)離心式而不采用軸流式，主要是考慮到為了得到與單級(jí)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(jí)，多級(jí)壓氣輪將會(huì)造成結(jié)構(gòu)的復(fù)雜及轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性的變化。壓氣輪

45、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(dòng)，采用反螺紋結(jié)構(gòu)，保證起動(dòng)及工作的可靠性。5.2 擴(kuò)壓器微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)采用葉片式擴(kuò)壓器（圖5-2），葉片分為徑向和軸向兩部分，減少氣流流動(dòng)損失，達(dá)到提高效率、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的目的。它將葉片、腹板做成一體，并與軸套聯(lián)結(jié)成一整體結(jié)構(gòu)，構(gòu)成擴(kuò)壓器組件，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝座固定在外殼上。如果采用整體鑄造的擴(kuò)壓器，可以改善制造工藝性6。圖5-2 擴(kuò)壓器5.3 燃燒室微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室存在如下技術(shù)難點(diǎn)：1）面容比（S/V）大于常規(guī)燃燒室1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，這使得傳熱損失大大增加；2）駐留時(shí)間短，大約2

46、-3ms，這要求改進(jìn)常規(guī)霧化混合方式；3）發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊，不易組織流動(dòng)、燃燒7。通過研究和試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到了圖5-3所示的環(huán)形燃燒室加蒸發(fā)管燃燒技術(shù)。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(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在燃燒室、外殼體之間的環(huán)腔內(nèi)，形成了一個(gè)由共同的火焰筒內(nèi)、外壁構(gòu)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(zhuǎn)子長(zhǎng)度，增加燃燒效率，提高轉(zhuǎn)子的抗彎剛性從而能夠減小整個(gè)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。圖5-3 環(huán)形燃燒室隨著微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室尺寸的減小，燃料和空氣在燃燒室中的駐留時(shí)間減少，影響了燃料混合和化學(xué)反應(yīng)所能占用的時(shí)間.此外，

47、隨著尺寸的減小， 微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)影響燃料的燃燒極限.為了提髙微燃燒室的效率，需要在保證足夠的有效駐留時(shí)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(shí)間，和固定質(zhì)量流率時(shí)減小燃燒室的容積效果相同；在微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行。燃油首先噴入處于高溫燃?xì)饬髦械摹霟岬恼舭l(fā)管內(nèi)，迅速吸熱并轉(zhuǎn)化為燃油蒸汽，與進(jìn)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

48、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(jìn)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?xì)馀c火焰筒內(nèi)表面，達(dá)到降溫、冷卻的目的。5.4 渦輪渦輪（見圖5-4）采用單級(jí)軸流式渦輪結(jié)構(gòu)。它的功能主要是將煙氣的動(dòng)能與熱能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機(jī)械功，帶動(dòng)壓氣輪等其它部件。渦輪作為一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力部件，必然承受著很大的氣體負(fù)荷與質(zhì)量符合；加上它又被高溫燃?xì)馑鼑?，熱?fù)荷相當(dāng)可觀，故其可靠性應(yīng)予以高度重視。圖5-4 渦輪同樣，微型渦噴發(fā)動(dòng)

49、機(jī)體積小，功率低，渦輪前溫度也較低，葉片結(jié)構(gòu)尺寸小，采用冷卻式葉片難度較大，故未進(jìn)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(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，改善制造工藝，降低成本。微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩小，單級(jí)渦輪連接時(shí)采用摩擦傳扭來代替套齒傳扭，使結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。但如需要維修拆下輪盤再裝配時(shí)很可能會(huì)造成動(dòng)平衡破壞，這將難以保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)平衡。為了解決這個(gè)問題，需要在動(dòng)平衡時(shí)作好記號(hào)，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)再次裝配后的動(dòng)平衡。當(dāng)渦輪在高溫下工作時(shí)，軸與渦輪盤受熱膨脹，配合面預(yù)緊力減小，需要適當(dāng)加大接觸面的摩擦力來傳遞扭矩。渦輪轉(zhuǎn)子由與軸的配合圓柱面定心，連接螺母?jìng)髁?，摩擦傳扭，前端面定位?.5 導(dǎo)流器導(dǎo)流器（見圖

50、5-5）沒有離心載荷，強(qiáng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，熱應(yīng)力、熱變形、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(dǎo)流器如果將導(dǎo)流器機(jī)匣與導(dǎo)流器做成一體，采用精密鑄造工藝，靠?jī)?nèi)圈定心，通過導(dǎo)流器連接環(huán)與軸承機(jī)匣連接成一個(gè)整體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但鑄造工藝要求高，將其負(fù)荷傳到軸承機(jī)匣上。由于渦輪導(dǎo)向器易受熱膨脹，故導(dǎo)流器與燃燒室機(jī)匣配合面留有徑向間隙。5.6 導(dǎo)流錐導(dǎo)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(jī)匣連接，尾錐體與緊固渦輪盤的螺母做成一體，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。圖5-6 導(dǎo)流錐

51、5.7 機(jī)匣機(jī)匣由前后兩個(gè)部分組成（如圖 5-7），前機(jī)匣用螺釘與進(jìn)氣口及軸承機(jī)匣連接，后機(jī)匣前端也用螺釘與導(dǎo)流器及軸承機(jī)匣連接，后機(jī)匣上有點(diǎn)火器安裝孔，后機(jī)匣后端用螺釘與錐形尾噴管連接。圖5-7 機(jī)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(dòng)機(jī)使用的是普通軸承，只能短時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，并且不能承受大負(fù)荷。微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)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(qiáng)度好、彈性摸量大、磨擦系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)小、高溫時(shí)穩(wěn)定性和絕緣性好等許多優(yōu)良的機(jī)械、物理性能，是一種較好的滾動(dòng)軸承材料。10厘米級(jí)微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)一般采用兩個(gè)高速滾動(dòng)陶瓷軸承作為支承。高速滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中的

52、主要問題是：高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)體產(chǎn)生很大離心力和陀螺力矩，增大了軸承的負(fù)荷，且相于對(duì)軸承圈套的滑動(dòng)量增大，導(dǎo)致軸承溫升提高，使用壽命下降，剛度和精度降低。滾動(dòng)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(zhuǎn)速。同時(shí)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(dòng)體和鋼套圈構(gòu)成的組合陶瓷軸承，具有良好的耐磨性、較高的運(yùn)轉(zhuǎn)精度和較長(zhǎng)的使用壽命，常常應(yīng)用于高速的精密設(shè)備。因此，小型和微型發(fā)動(dòng)機(jī)中廣泛地采用了高精度陶瓷軸承的支承結(jié)構(gòu)。5.9 冷卻系

53、統(tǒng)微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)采用了非循環(huán)潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)，它沒有單獨(dú)的滑油系統(tǒng)，而是使用加入 摻混少量潤(rùn)滑油的燃油進(jìn)行潤(rùn)滑。一部分燃油由油管導(dǎo)入，噴至壓氣輪背面，從而反射到壓氣輪后的前軸承上，對(duì)軸承進(jìn)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(dá)渦輪前的后軸承。冷卻后的滑油直接進(jìn)入煙氣通道，由尾噴管排出，不再進(jìn)行利用。這樣省去了復(fù)雜的滑油循環(huán)系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)重量。5.10 本章小結(jié)本章對(duì)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣輪、擴(kuò)壓器、燃燒室等主要零件進(jìn)行研究，分析了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，闡述這些零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)和部分零件存在的缺陷。由于現(xiàn)有加工技術(shù)的限制，壓氣輪、擴(kuò)壓器等零件的性能還不夠理想。隨著加工方法和技術(shù)的改進(jìn)，微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的性能將有很大的提升空間。結(jié)論微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)是推進(jìn)動(dòng)力/能源系統(tǒng)研究的新興領(lǐng)，具有尺寸小、重量輕、能