微型涡喷发动机结构设计研究与制作.docx

1、微型涡喷发动机结构设计研究与制作 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

2、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Micro Turbine Engines Combustion Test And Parts Stu

3、dyABSTRACTMicro Turbine Engine with the advantages of light weight, high power and high energy density, has broad application prospects in the 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

4、 design needs further development and perfection. 10-centimeter-level Micro Turbine Engine is the research object of this paper. According to the existing experimental conditions, i make a micro turbine engine, with doing combustion experiments and analysis of the main parts structural features. Thr

5、ough the production of 10-centimeter-level micro turbine jet engine, i study the production methods of the engines parts, accumulate the experience 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 d

6、id 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 micro turbine engine. In order to simplify the structure, produced 10-centimeter-level micro turbine engine use liquefied petroleum gas as fuel

7、. In the production process gas combustion experiments are carried out in three stages. I use SolidWorks software with numerical simulation function to calculate the efficiency of the pressure gas turbine, and analyze the causes of loss. I analyze the structure characteristics of the micro turbine e

8、ngines main parts including the pressure gas turbine, the diffuser, the combustor, the turbine and so on.Keyword: Micro Turbine Engine; production; combustion; numerical simulation; structure characteristics 1 绪论1.1 选题背景和意义近年来，随着微机电系统（Micro Electro-Mechanical Systems，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

9、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

10、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(Micro Turbine Engine, 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1/1001/10，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

11、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5mm50mm，推力在0.01100N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

12、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

13、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

14、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

15、）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： 以硅和氮化硅为主要结构材料； 代表性制造工艺为反应离子蚀刻技术； 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； 转子转速高达100200万转/分； 用途为微型飞行器动力、便携式能源。图1-1 麻省理工的MTE2）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： 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； 以氢为燃料，回流式燃烧室，有冷却气流，燃烧温度约为1600K； 采用单级

16、离心式压气机，氮化硅陶瓷制作的单级向心涡轮； 转子转速达45万转/分，采用气膜轴承支承。 用途为微型飞行器动力、便携式能源。图1-2 斯坦福大学的MTE3）更大一些的MTE，直10厘米左右，推力从5N100N不等(见图1-3)。其技术特点为： 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； 以添加少量润滑油的航空煤油为燃料，燃烧温度1100K左右； 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； 转子转速为10万转16万转/分，采用陶瓷滚珠轴承支承； 应用于微小型无人驾驶靶机、侦察机以及航模飞机中。图1-3 10厘米级MTE虽然上述三类发

17、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

18、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

19、得与排气方向相反的推动力。图2-1 10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，

20、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1

21、4mm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

22、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

23、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

24、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

25、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，

26、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

27、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2-2

28、1 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，

29、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噼啪的噪声，于是在燃料中加15%到20%的普通汽油或者20%到30%的液体石蜡。只单独使用普通汽油也是可行的，但是单位体积的热值稍低，而且有可能在涡喷外部产生汽油和空气的爆炸性混合物。微型涡喷发动机在启动时一般用易燃气体，如丙烷等，来预热燃烧室，在达到一定负荷后，再投入燃油，升负荷到需要的功率。为了简化系统和易于实现发动机正常运转，本文制作的微型涡喷发动机，以液化石油气（主要成分是丙烷和丁烷）作为燃料。我们做了大量的燃油和燃气试验，以了解微型涡喷发动机燃料的性质和燃烧效果。3. 1 燃油试验燃油实验装置

30、（图3-1）由注射器，导管和细针头组成，如图3-1所示。喷射针头固定在夹钳上，然后将燃油吸入注射器内，再从喷头喷出并点燃，观察燃烧效果。实验中，主要观察燃料为以下三种时的燃烧情况。图3-1 燃油实验装置3.1.1 燃料为柴油从针头喷射出的燃油很难点燃，即使点燃，很快就会熄灭，不能连贯燃烧，说明如果以纯柴油为微型涡喷发动机的燃料，启动时可能会比较困难。3.1.2 燃料为柴油和汽油混合物混合物中柴油与汽油比例约为4:1。燃烧情况如图3-2所示，火焰比较容易点燃，并且燃烧比较充分。说明柴油和汽油的混合物（比例约为4:1）比较适于作为微型涡喷发动机的燃料。图3-2 柴油和汽油混合物的燃烧试验3.1.3

31、 燃料为汽油汽油燃烧情况如图3-3所示，点燃比较容易，但是燃烧不是很充分，效果不如柴油汽油的混合物。图3-3 汽油的燃烧试验3.2 燃气实验本文中，我们制作的10厘米级涡喷发动机以液化石油气为燃料，在制作燃烧器和燃烧室的过程中，我们分阶段进行燃气实验，观察其燃烧情况。主要有以下三个阶段。3.2.1 燃烧器制作完成后向燃烧器内通入适量液化石油气，点燃六个喷嘴，如图3-4所示。如果六个喷嘴出口的火焰长度基本相同，则说明燃烧器性能良好。图3-4 燃烧器喷气燃烧试验3.2.2 燃烧器与外缸配合在燃烧室外缸（见图3-5）制作好之后，将燃烧器放入，进行燃气实验，燃烧情况如图3-6所示。图3-5 燃烧室外缸 图3-6 燃烧器与外缸配合燃烧试验3.2.3 燃烧器放入燃烧室内在整个燃烧室制作完成之后，将燃烧器放入燃烧室内，做燃烧试验，如图3-7所示。用电风扇向燃烧室内吹风，在一定程度上模拟了微型涡喷发动机运行工况下的燃烧。在燃烧试验后，检查各部件是否有因高温损坏，如果有，改进制作方法，以使各部件能承受燃烧的高温。图3-7 燃烧器在燃烧室内燃烧试验3.3 本章小结本章对微型涡喷发动机的燃料进行燃烧试验。通过对柴油、汽油和柴油汽油混合物这三种燃料的燃烧情况的对比，可以看出，柴油与汽油的混合物（比例约为4:1）较