微型涡喷发动机结构设计与商业价值.docx

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微型涡喷发动机结构设计与商业价值

涡轮喷气发动机制作图

注意事项：

个人自制涡喷是一项能力挑战，不建议无机械基础及未成年人尝试！

！

另外在此申明：

本资料如用于商业产品开发，请自行解决相关版权。

谢谢合作！

！

！

另外，制作中一定要有安全意识，！

！

！

切记与高速运转物体，与火打交道，安全第一！

安全守则：

涡喷的制作不同于其他模型，由于涡喷在高温与高速条件下工作

如果你不想被当成烤鸭请注意下面的事项！

！

1.别被火喷成烤鸭，玩火要有科学知识指导。

2.涡轮一定要作动平衡才能用。

3.无论如何不要在共公场合试发动机，很多人围观不是好事。

4.涡轮转速高达70000转每分以上，没机械基础不要去试！

！

5.发动机试运与工作中，永远不要站在涡轮的两侧正对位，以免涡轮发生事故时，钢片高速飞出，象子弹一样，危及生命！

！

特别提醒!

做涡喷一定要有机加工与材料常识，了解金属，火灾,爆炸原理，等安全知识，安全第一。

涡喷自制问题解答：

1:

.发动机如何自己设计？

到哪里找材料，价钱如何？

模型用的发动机不是大的发动机的按比列缩小，任何试图这样做都很可能是失败。

值得推荐的是英国人-KurtSchreckling设计的FD3-64航模涡喷发动机的设计，开创了小型发动机设计先河，用一个简单方法制作的放射式压气机，环型燃烧室，一个用简单方法制做出来的涡轮，达到了良好的效果。

他的理念已被最新改进的各种新的设计所证实，并且都是以他的设计为基础进行的提炼。

数字显示，许多爱好者根据他的著作理论，成功地将发动机用在了航模上。

涡轮喷气发动机材料为不锈钢为主，材料成本很低，如果从材料本身的价值来说，以广州为例，也就100元上下，但由于个人爱好者，有些可能无机床，氩弧焊的话，到外面加工的人力成本会贵过材料费。

但也无妨。

再就是如果有认识不锈钢加工厂的话，找到边角料足矣做一台涡轮,如果你想省事些，可以用涡轮增压器上的压气轮来代替木头的压气轮。

。

2.涡轮容易加工吗,没专业设备如何做动平衡？

涡轮是由型号为301,2.5mm不锈板剪口弯成，用一个小电钻配小砂轮可以打磨出翼型即可，关键的动平衡测试，记住这一点很重要！

！

否则会导致发动机解体！

！

是用我们的大拇指与食指来感觉振动。

灵敏度相当高。

足以完成涡轮的动平衡调试。

3.散热与轴承问题

压缩空气将穿过轴套为轴承提供冷却，轴承为简单的滚珠轴承，用自身的压缩空气压油提供油雾润滑。

可以用透平油，或低粘度的机械润滑油。

FD3-64的设计合理的利用压气机的空气，将温度控制在600度以下，从而保证各部件的强度。

在运行中我们要注意发动机的温度不能超高。

毕业设计（论文）

`

题目微型涡喷发动机结构设计研究与制作

院系

动力工程系

专业班级

热能与动力工程0801班

学生姓名

指导教师

王庆五

二0一二年六月

微型涡喷发动机燃烧试验和零件研究

摘要

微型涡喷发动机具有重量轻、功率大、能量密度高的优点，在军、民领域都有广泛的应用前景。

目前，微型涡喷发动机技术尚处于起步发展阶段，其总体及部件设计技术还有待进一步的发展和完善。

本文以10厘米级微型涡喷发动机作为研究对象，根据现有实验条件，制作发动机样机，并进行燃烧试验和零件结构特点分析。

通过制作10厘米级微型涡喷发动机，研究了微型涡喷发动机零件的制作方法，积累了零件加工的经验，也增强了动手实践的能力。

对柴油、汽油和柴油汽油混合物这三种燃料进行燃烧试验，了解不同燃料的性质，比较不同燃料的燃烧效果，选取最合适燃料来驱动微型涡喷发动机。

为了简化结构，本文中制作的10厘米级微型涡喷发动机以液化石油气作为燃料，在制作过程中，分阶段进行燃气试验。

运用SolidWorks软件的数值模拟功能，建立仿真模型，设置边界条件后，计算压气轮的增压比和效率。

对微型涡喷发动机主要零件进行研究，分析压气轮、扩压器、燃烧室、涡轮等零件的结构特点。

关键词：

微型涡喷发动机；制作；燃烧；仿真计算；结构特点

MicroTurbineEngine’sCombustionTestAndPartsStudy

ABSTRACT

MicroTurbineEnginewiththeadvantagesoflightweight,highpowerandhighenergydensity,hasbroadapplicationprospectsinthefieldofmilitaryandcivilian.Currently,thetechnologyofMicroTurbineEngineisstillintheinitialstageofdevelopment,anditsoverallandcomponentdesignneedsfurtherdevelopmentandperfection.

10-centimeter-levelMicroTurbineEngineistheresearchobjectofthispaper.Accordingtotheexistingexperimentalconditions,imakeamicroturbineengine,withdoingcombustionexperimentsandanalysisofthemainparts’structuralfeatures.Throughtheproductionof10-centimeter-levelmicroturbinejetengine,istudytheproductionmethodsoftheengine’sparts,accumulatetheexperienceofthepartsprocessing,andenhancetheabilityofpracticing.Threekindsoffuelincludingdiesel,petrol,andthemixtureofdieselandpetrolaredidcombustionteststounderstandthenatureofthedifferentfuelsanddifferentfuelcombustion,inordertoselectthemostappropriatefueltodrivethemicroturbineengine.Inordertosimplifythestructure,produced10-centimeter-levelmicroturbineengineuseliquefiedpetroleumgasasfuel.Intheproductionprocessgascombustionexperimentsarecarriedoutinthreestages.IuseSolidWorkssoftwarewithnumericalsimulationfunctiontocalculatetheefficiencyofthepressuregasturbine,andanalyzethecausesofloss.Ianalyzethestructurecharacteristicsofthemicroturbineengine’smainpartsincludingthepressuregasturbine,thediffuser,thecombustor,theturbineandsoon.

Keyword:

MicroTurbineEngine;production;combustion;numericalsimulation;structurecharacteristics

1绪论

1.1选题背景和意义

近年来，随着微机电系统（MicroElectro-MechanicalSystems，MEMS）技术、新型半导体材料、陶瓷材料及其加工制造工艺、微型传感器、微电子控制单元等多个学科领域技术的迅速发展，各种航空器也迅速开始出现了微型化的趋势。

微型飞行器具有许多优点：

其噪声低、雷达反射信号小，因而隐蔽性好，可以完成多种任务，包括：

战场侦察和监视目标确认、空中布雷、侦察大型建筑物和设施内部乃至攻击敌方重点敏感部位等。

我国最近几年也对微型飞行器给予了很大的重视，开始了相关技术的研究。

开展微型飞行器技术研究，需要解决的最为关键的技术之一就是高能量密度的微型动力装置的研究。

研究新型高能量存储密度、高功率重量比的动力装置是研制微型飞行器的首要任务。

目前各种合适微型飞行器使用的能量储存介质中，化学燃料是能量储存密度最高的，可达到50KJ/g，是电池的100倍，虽然热机将化学能转变为机械能的效率较低，但是使用化学燃料的推进系统的折合能量储存密度按保守估计也将是电池的10倍以上。

在普通尺寸的航空飞行器中，由于对推进系统功率重量比的迫切要求，人们首次研制出了涡轮喷气发动机。

所以，微型涡喷发动机（MicroTurbineEngine,MTE）是作为微型飞行器发动机最有希望的方案之一。

MTE尺寸大致是普通涡轮发动机的1/100～1/10，但是其推重比有显著提高。

虽然微小尺度下气动损失、传热问题以及加工制造问题的影响会制约MTE达到理想的高性能，但是它在性能方面的潜力是非常巨大的。

近几年，微型涡喷发动机技术得到了大力发展，并已进入学术界和产业界的合作阶段，正在开发各种面向军、民领域的产品。

美国国防部预研计划局（DARPA）于1997年制定了一项耗资3500万美元的计划，对微型飞行器的各项关键技术如：

微型飞行器平台、微型推进系统、飞行/控制系统、传感器技术等进行研究。

其中重点支持开展直径介于5mm～50mm，推力在0.01～100N之间的微型涡喷发动机相关技术研究，并计划在近一、两年内将此范围内的各个推力级别的微型涡喷发动机相关技术推进到样机实验阶段。

微型涡喷发动机作为一种特殊的航空发动机，广泛应用于无人机，巡航导弹以及航模等领域[1]。

它还可以作为将来的野战便携式能源，它体积小、重量轻，以加油的方式补充能源比充电更为方便快捷。

另外在电力行业，近年来获得高度重视的分布式电源系统也以微型涡喷发动机为核心。

微型涡喷发动机的结构特点和工作原理与常规的大型航空发动机基本类似，但是它在工作环境、使用要求等多方面都有别于大型发动机，具体表现在以下几点：

1）采用两种燃料，主燃料为航空煤油，在燃烧室通过蒸发管气化燃烧，辅助燃料为易燃气体，如丙烷气，用于在起动时对燃油加热蒸发；

2）起动过程比较复杂，需要协调点火控制、起动电机控制及燃料供给的时机；

3）主燃油的供油压力不高，流量小，但控制精度要求高；

4）微型涡喷发动机的起动过程容易出现悬挂，起动供油规律的确定有难度等。

因此微型涡喷发动机的控制系统不能完全照搬大型发动机的控制系统，有必要针对微型涡喷发动机控制技术开展扎实而细致地基础研究。

1.2国内外技术研究与发展现状

微型涡喷发动机作为一个新兴的研究领域具有广阔的发展前景。

身体结构相对纤细的昆虫能够举起相当于自身体重几十倍的重物，而最强壮的运动员也只能举起略大于其体重的物体，这是因为机械的功率重量比值是随着尺寸的缩小而增大的。

同样微型发动机较常规发动机尺寸有了较大幅度的减小，根据普惠公司给出的商用动机推力密度与尺寸的关系，可以推断出微型涡喷发动机可以具有远高于常规发动机的推重比。

目前国内微型涡喷发动机的研究正处于起步阶段。

上海交通大学针对微型涡喷发动机燃烧关键技术，开展微细异型腔内氢气与空气预混燃烧特性试验研究。

测试了微细型腔中氢气与空气预混燃烧的着火浓度极限和燃烧温度变化规律，分析了微细型腔中保证燃气火焰稳定燃烧的工作条件和影响因素，认为在微细型腔内进行氢气与空气的预混燃烧具有可行性，但可燃浓度范围缩小，采用增压燃烧可有效地扩大着火浓度极限，提高燃烧稳定性。

微型燃烧室为外径20mm、内径10mm、高3mm的环形腔，在燃烧室进口端设置一个直径20mm、间隙1mm的气体预混腔。

采用高温耐热合金钢以电火花工艺加工成型。

国内目前对于微型发动机的研究还停留在理论阶段，和国外相比还有较大的差距[2]，这需要加大对于微型发动机的研究力度，在世界微型发动机的研究领域占有一席之地。

国外已着手开展研究的微型发动机尺寸差别很大，大致可以将它们按尺寸分为三类：

1）麻省理工学院的MTE接近纽扣大小，直径约为1厘米，厚度约0.4厘米，推力0.1N左右（见图1-1），技术特点为：

①以硅和氮化硅为主要结构材料；

②代表性制造工艺为反应离子蚀刻技术；

③以氢为燃料，采用预先掺混的燃气，整体式燃烧室，无冷却气流，燃烧温度为1600K；

④转子转速高达100～200万转/分；

⑤用途为微型飞行器动力、便携式能源。

图1-1麻省理工的MTE

2）斯坦福大学的MTE直径约4厘米，长度略大于发动机直径，推力约5N（见图1-2），技术特点为：

①以氮化硅陶瓷作为主要结构材料，代表性制造工艺为铸模沉积成型制造技术；

②以氢为燃料，回流式燃烧室，有冷却气流，燃烧温度约为1600K；

③采用单级离心式压气机，氮化硅陶瓷制作的单级向心涡轮；

④转子转速达45万转/分，采用气膜轴承支承。

⑤用途为微型飞行器动力、便携式能源。

图1-2斯坦福大学的MTE

3）更大一些的MTE，直10厘米左右，推力从5N～100N不等（见图1-3）。

其技术特点为：

①以铝、高温合金作为主要结构材料，采用常规发动机制造技术辅之以精密仪器制造技术；

②以添加少量润滑油的航空煤油为燃料，燃烧温度1100K左右；

③一般采用单级离心压气机和单级向心（或轴流式）涡轮，叶轮造型为三维设计；

④转子转速为10万转～16万转/分，采用陶瓷滚珠轴承支承；

⑤应用于微小型无人驾驶靶机、侦察机以及航模飞机中。

图1-310厘米级MTE

虽然上述三类发动机的工作原理和设计思想基本相同，但在结构设计、加工制造工艺以及相关技术上的难度却是随着尺寸的减小而逐渐增大的。

对于这三类微型发动机的研究，我国基本还处于起步阶段。

1.3本文主要研究内容

本文开展的工作主要针对10厘米级微型涡轮喷气发动机，进行了实际制作和理论分析，具体工作如下：

1）微型涡喷发动机的零件加工和组装；

2）微型涡轮发动机燃料的燃烧试验研究；

3）微型涡喷发动机压气轮的数值仿真和效率计算；

4）微型涡喷发动机主要零件的结构特点分析。

2微型涡喷发动机制作

微型涡喷发动机的制作对加工工艺要求很高，我们利用现有资源，根据实验室实际条件，加工制作了10厘米级的微型涡喷发动机的试验样机。

本章叙述了微型涡喷发动机的工作原理和样机制作过程。

由于条件有限，所制作的微型涡喷发动机还不尽人意，但是为微型涡喷发动机的加工制作和结构研究提供了宝贵经验。

2.1工作原理

图2-1是10厘米级微型涡喷发动机简单形式的典型结构。

压气轮旋转，吸入空气，然后将其压缩，使空气压力升高。

空气经过扩压器后，压力进一步升高，改变方向，流入燃烧室。

在燃烧室内，喷入的燃料与空气混合后剧烈燃烧，燃烧后高温高压的烟气具有很大的做功能力。

烟气流过导流器，冲击涡轮做功，涡轮通过轴传动带动压气轮转动。

烟气释放出推动压气机叶轮所需的能量，剩余的能量使烟气加速到很高的速度，速度方向沿轴向，与飞行方向相反。

根据动量守恒定理，微型涡喷发动机获得与排气方向相反的推动力。

图2-110厘米级微型涡喷发动机结构简图

2.2零件加工

根据图纸和实际条件，我们加工了10厘米级微型涡喷发动机的主要零件，包括：

进气口、压气轮、轴和轴套等。

2.2.1进气口

图2-2是进气口的设计图，进气口外侧轮廓为光滑弧线，实际加工过程中，为了加工方便，将外轮廓线加工成直线，如图2-3所示。

进气口以直径110m的铝棒为原料，切取适当长度的铝棒，在数控机床上加工而成。

进气口内部流道为收缩—扩张型流道，它的作用是引导外界空气进入压气轮，对它的要求是要尽可能地减小气流经过时的压力损失，并使气流在进气道出口处有尽可能的均匀气体流场，对它的最基本要求是发动机在任何工作状况下，进气道都以最小的压力损失满足发动机对空气流量的需求。

图2-2进气口设计图图2-3进气口

2.2.2压气轮

压气轮结构复杂，在数控机床上也很难加工，我们以大小相似的某型铸造铝合金压气轮为毛坯，在车床上打孔和去掉多余部分，制成我们所需的压气轮。

加工后得到的压气轮如图2-4所示。

图2-4压气轮

2.2.3扩压器

扩压器原料为直径为110mm的铝棒，在数控机床上加工而成，如图2-5所示。

图2-5扩压器

2.2.4轴和轴套

轴（见图2-6）是高速旋转的部件，在微型涡喷发动机运行时，要同时承受高温和很大的扭矩，所以选用强度较大的不锈钢棒作为材料。

轴最粗的地方直径为14mm，为了加工方便，选用直径14mm的不锈钢棒，加工时根据各段的尺寸要求分别车出对应的形状。

由于与轴承连接处有特殊的要求，需要根据粗糙度及配合公差用相应精度的磨具磨成。

轴两端的螺纹为左旋螺纹。

图2-6轴

轴套的原料是直径为40mm的铝棒，用车床加工而成，如图2-7所示。

图2-7轴套

2.2.5外壳

外壳（见图2-8）材料为不锈钢，用直径110毫米，厚度0.5毫米的不锈钢杯子来制作。

将不锈钢杯子洗净擦干之后，固定在线切割机上，保留缸底，切割去杯口部分，剩下的杯体长度为100mm。

由于一个不锈钢杯的长度不够，故再取另外一个杯子，切除其杯底和杯口部分，并从将余下的部分上截取长度为32mm的一段，焊接到第一段杯体上。

图2-8外壳

2.2.6燃烧器

燃烧器（见图2-9）要求有较好的耐热性能，并且易于加工，选用铜管作为原料。

首先，加工供油圈。

选取外径4mm的铜管，用相应直径的模型将其弯曲成弧形。

用钳子将两端开口夹扁封闭。

封闭时一定要保证开口严格密封。

再对照图纸，用签字笔将铜弯管相应的地方做上标记，以便打孔。

用小方挫在标记的地方挫出小坑。

再用圆柱挫挫出小槽，并用挫顶在小槽处戳出小孔。

然后使用直径2毫米的钻头钻出标准的孔。

其中需注意的是供油孔是打在供油圈外侧面的中心位置，以便燃油能向两边均匀供应。

接下来加工喷油管。

选直径2毫米的铜管，截取出六根长度约70毫米的铜管。

注意在截取的时候，用小挫子先挫出小槽，再用钳子弯断，不能直接用钳子截断，防止铜管开口处堵塞。

在每根管子的一端，用挫子磨出一个斜切面，以便插入到供油圈里面时，方便将其里面的燃油顺利引出。

喷油管制作完成之后，用高温密封胶将其和供油圈粘接。

注意粘接之前先用酒精清洗粘接面，并且保证喷油管的斜切面正对供油圈内的来油方向。

在粘接的过程中，裁剪一个纸板圆环，在和喷油管对应的位置打孔，在喷油管上涂胶之后，将纸板圆环套在喷油管上，以便暂时固定喷油管，防止在胶未干的时候，喷油管倾斜。

图2-9燃烧器

2.2.7燃烧室

燃烧室是微型涡喷发动机中的高温部件，因此所需材料要有较好的耐热性能和强度。

我们选择用厚度0.5毫米的不锈钢板来加工燃烧室。

燃烧室由三部分组成，即前端盖、内壁和外套。

前端盖（见图2-10下部）用外径110mm的不锈钢杯的盖子加工而成。

先用线切割机切去杯盖边缘，使其外径为100mm，然后在其中心切出直径为39mm的孔。

用线切割切出一个矩形的不锈钢板。

在纸上画出1:

1的平面内壁图纸，然后黏贴到不锈钢板上，在摇臂钻上打孔。

打孔之后把不锈钢板弯成圆筒状，然后用电焊机焊接固定。

焊接之前用酒精擦净接触部分。

燃烧室内壁如图2-10上部所示。

外套（见图2-11）选用直径100mm的不锈钢杯制作。

用线切割机将杯口部分切去，剩余部分长度为77mm。

接着在杯底切出直径为71mm的孔。

在杯体侧面和上面打孔，为防止杯体被压瘪，在其内部塞上圆形木块。

然后再将制作好的不锈钢圈插到杯底的圆孔处，用点焊机焊接固定。

用外径6毫米内径4.5mm的不锈钢管制作燃烧室内直管六根，再用点焊机将直管焊接到燃烧室上。

最后，将这三部分零件进行组装。

先将内壁和前端盖连接，用点焊机焊接固定。

再将前端盖与外套焊接在一起，然后用高温胶将连接处的缝隙密封。

组装后的燃烧室如图2-12所示。

2-10燃烧室内壁和前端盖2-11燃烧室外套

2-12燃烧室

2.2.8涡轮

涡轮用厚度6毫米不锈钢板加工。

先用线切割加工出合适尺寸的不锈钢圆板。

然后在数控铣床上加工出毛坯。

在叶片部分用线切割机等分切成19份，切割缝不能太小，以防止不能顺利扭转叶片。

最后，用专用叶片弯扭工具，将涡轮外边缘的叶片扭转相同的角度，见图2-13。

加工后，涡轮如图2-14所示。

图2-13扭转涡轮叶片图2-14涡轮

2.2.9导流器

导流器由0.5mm厚的不锈钢钢板和0.5mm厚的白铁皮制成。

先用线切割切出两个不同大小的矩形和一个环形不锈钢板，如图2-15所示。

两个矩形钢板弯曲焊接固定后，形成两个圆筒，即导流器的内筒和外筒。

在白铁皮上剪出11个叶片，焊接到内筒和外筒之间。

最后，导流器组合后如图2-16所示。

图2-15矩形和圆环不锈钢板图2-16导流器

2.2.10导流锥

导流锥由厚度为0.5mm的不锈钢板加工而成，首先用线切割将钢板切成如图2-17所示的两块，第一个用来制作导流锥外侧壳体，第二个是加工成内部锥体。

将两块钢板分别弯折成圆台形状，然后用点焊机焊接使其形状固定，最后用钳子等工具调整这两个零件的形状。

导流锥内部锥体与外侧壳体通过不锈钢薄片焊接固定，他们是同心的。

外部壳体留有引脚，打孔弯曲后用来与涡喷主体连接。

完成后的导流锥如图2-18所示。

图2-17制作导流锥用的不锈钢板图2-18导流锥

2.2.11后端盖

后端盖（见图2-19）以直径110mm铝棒为原料，在车床上加工而成。

图2-19导流锥

2.3整机组装

在所有零件加工完成之后，按照由内到外的顺序，对微型涡喷发动机进行组装。

在组装过程中，要注意零件之间的配合，部分零件组装图如图2-20，2-21，2-22所示。

图2-20转动部分

图2-21转动部分和轴承、轴套及扩压器组装在一起

图2-22整体组装

2.4本章小结

本章叙述了10厘米级微型涡喷发动机的工作原理和制作过程。

通过制作10厘米级微型涡喷发动机，以实践的方式研究了其零件的加工方法，并对微型涡喷发动机的原理和结构有了更深的了解。

3微型涡喷发动机燃料的燃烧试验

如果没有推力和效率要求，任何流动的、易燃的、不比柴油还易挥发的燃料，都可以用来驱动微型涡喷发动机正常运转[3]。

柴油或者相似的燃料，比如煤油或液体石蜡，都有着差不多的最大发热量，适合作为微型涡喷发动机的燃料。

微型涡喷发动机也可以采用液化丙烷等气体为燃料。

喷气发动机用的航空煤油是特别生产的飞行器燃料，现有实验条件很难买到，而且太昂贵，于是选用柴油来代替。

由于使用纯柴油时，发动机有启动方面的问题，而且在部分负荷下有