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
打交道，安全第一！
火
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-Kurt Schreckling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。
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
Micro Turbine Engine’s Combustion Test And
Parts Study
ABSTRACT
Micro 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 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 part s’ structural features. Through the production of 10-centimeter-level micro turbine jet engine, i study the production methods of the engine’s 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 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 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 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 engine’s 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
目 录
摘 要 . .............................................................................................................................................. 4
ABSTRACT .................................................................................................................................... 5
1 绪论 . ............................................................................................................................................ 8
1.1 选题背景和意义 . ..................................................................................................................... 8
1.2 国内外技术研究与发展现状 . ................................................................................................. 9
1.3 本文主要研究内容 . ............................................................................................................... 11
2 微型涡喷发动机制作 . .............................................................................................................. 12
2.1工作原理 . ................................................................................................................................ 12
2.2 零件加工 . ............................................................................................................................... 12
2.2.1 进气口 . ................................................................................................................................ 13
2.2.2 压气轮 . ................................................................................................................................ 13
2.2.3 扩压器 . ................................................................................................................................ 14
2.2.4 轴和轴套 . ............................................................................................................................ 14
2.2.5 外壳 . .................................................................................................................................... 15
2.2.6 燃烧器 . ................................................................................................................................ 15
2.2.7 燃烧室 . ................................................................................................................................ 16
2.2.8 涡轮 . .................................................................................................................................... 17
2.2.9 导流器 . ................................................................................................................................ 18
2.2.10 导流锥 . .............................................................................................................................. 18
2.2.11 后端盖 . .............................................................................................................................. 19
2.3 整机组装 . ............................................................................................................................... 19
2.4 本章小结 . ............................................................................................................................... 21
3 微型涡喷发动机燃料的燃烧试验 . .......................................................................................... 22
3. 1 燃油试验 . .............................................................................................................................. 22
3.1.1 燃料为柴油 . ........................................................................................................................ 22
3.1.2 燃料为柴油和汽油混合物 . ................................................................................................ 23
3.1.3 燃料为汽油 . ........................................................................................................................ 23
3.2 燃气实验 . ............................................................................................................................... 24
3.2.1 燃烧器制作完成后 . ............................................................................................................ 24
3.2.2 燃烧器与外缸配合 . ............................................................................................................ 24
3.2.3 燃烧器放入燃烧室内 . ........................................................................................................ 25
3.3 本章小结 . ............................................................................................................................... 25
4 压气轮仿真计算 . ...................................................................................................................... 26
4.1 压气轮的结构 . ....................................................................................................................... 26
4.2 压气轮模型和边界条件 . ....................................................................................................... 27
4.2.1 物理模型 . ............................................................................................................................ 27
4.2.2 边界条件 . ............................................................................................................................ 27
4.3 压气轮模拟结果分析 . ........................................................................................................... 28
4.4 本章小结 . ............................................................................................................................... 29
5 微型涡喷发动机主要零件的结构特点 . .................................................................................. 30
5.1 压气轮 . ................................................................................................................................... 30
5.2 扩压器 . ................................................................................................................................... 31
5.3 燃烧室 . ................................................................................................................................... 31
5.4 涡轮 . ....................................................................................................................................... 32
5.5 导流器 . ................................................................................................................................... 33
5.6 导流锥 . ................................................................................................................................... 34
5.7 机匣 . ....................................................................................................................................... 35
5.8 轴承 . ....................................................................................................................................... 35
5.9 冷却系统 . ............................................................................................................................... 36
5.10 本章小结 . ............................................................................................................................. 36
结论 . .............................................................................................................................................. 37
参考文献 . ...................................................................................................................................... 38
致谢 . .............................................................................................................................................. 39
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(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1/100～1/10，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1-3 10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2-1 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，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
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
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（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 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）较易点燃，燃烧充分、良好，在普通实验条件下，最适于作为微型涡喷发动机的燃料。通过燃烧器制作完成后、燃烧器与外缸配合、燃烧器放入燃烧室内这三个阶段的燃气实验，在一定程度上了解了以液化石油气作为微型涡喷发动机燃料时的燃烧效果，检验了燃烧部件的性能，为整机试验打下了基础。
4 压气轮仿真计算
压气轮作为微型涡喷发动机的关键部件，用于对进入发动机的空气增压，使空气压力达到预定值并作为发动机后续组件(主燃烧室) 的气源，本章针对微型涡喷发动机的微型压气轮进行研究，数值模拟了具有微三维结构的压气轮模型，应用流体力学仿真软件对其内部的气体流场运动进行分析，计算压气轮的增压比和效率。
4.1 压气轮的结构
根据压气轮的结构形式和空气的流动特点可将其分为轴流式、离心式(或称径流式) 以及轴流与离心组合(混流) 式3类。由于离心式压气轮具有单级压比高、结构紧凑等特点, 适应用于微型发动机，故本文中的微型涡喷发动机采用离心式结构压气轮。
按叶轮出口叶片角可将叶轮分为前弯型、径向型和后弯型3种形式。其中，前弯叶轮的效率最低，加工能力最大；后弯叶轮的加工能力较差，但效率最高；径向叶轮则处于两者之间[4]。由于微型涡轮发动机能量损失较大，故选择效率较高的后弯型叶轮. 。
压气轮的主要几何参数如图1所示，已知叶轮外径D 2=63 mm，叶轮内径D 1=13.5 mm，叶轮高度H21.5mm 。压气轮三维图见图4-2。
图4-1 压气轮工程图
图4-2 压气轮三维图
4.2 压气轮模型和边界条件
4.2.1 物理模型
本文使用SolidWorks 软件对压气轮进行流体仿真，假设整个流场为均匀流场。流体仿真物理模型如图4-3，4-4所示。进气口为光滑流道，与压气轮相配合，压气轮叶片与进气口内壁之间的缝隙约为2mm 。空气经过压气轮压缩后，进入圆筒容器内，再从圆筒容器出口流出。
4-3 流体仿真物理模型 4-4 流体仿真物理模型右剖视图
4.2.2 边界条件
压气轮转动速度为12560rad/s，入口处压力为标准大气压101325Pa ，质量流量为0.23kg/s，出口处压力也是101325p ，出入口气体温度都是293.2K ，气体为理想气体，标准大气压下的空气密度为1.293kg/m3。设置边界条件后的仿真模型如图4-5所示，然后开始
仿真计算。
图4-5 设置边界条件后的仿真模型
4.3 压气轮模拟结果分析
图4-6是仿真模型右剖视图上的压力分布图，从图上可以看，空气基本上是均匀流入压气轮，经压气轮压缩后，压力升高。在压气轮后的圆筒容器内，越接近圆筒内壁，气体压力越高。
图4-6 仿真模型右剖视平面压力分布图
图4-7是压气轮流道截面上的压力分布图，空气压力在压气轮和进气口内壁之间分布均匀，在两个叶片之间的流道内，靠近叶片压缩面的气体压力明显高于叶片背面附近的气体压力，说明叶片有压缩升压的效果，但是由于叶片之间压力分布不均，会产生二次流，这是导致损失的一个重要原因。
图4-7 压气轮流道截面压力分布图
经过仿真计算得到压气轮出口平均压力P 2为193365Pa ，扭矩M 为1.583N*m。已知压
3气轮进口压力P 1为标准大气压101325Pa ，空气体积流量Q 为0.178m /s，压气轮转速Ω为
12560rad/s。通过公式（4-1）计算可得，压气轮的增压比ε为1.91。运用公式（4-2）计算得到压气轮的效率η为0.82。
ε=
P 2P 1（4-1）
η=(P 2-P 1) ⋅Q
Ω⋅M （4-2）
4.4 本章小结
通过流体力学仿真对微型涡喷发动机的压气轮性能参数进行仿真计算，得到压气轮的增压比为1.91，效率为0.82。通过分析发现，压气轮的叶片之间压力分布不均，会产生二次流，这是压气轮效率损失的重要原因之一。
5 微型涡喷发动机主要零件的结构特点
要研制尺寸小、重量轻的微型涡喷发动机，在结构设计上，决不是一般涡喷发动机的按比例缩小，而是常需采用零件归并合一的结构简化技术，目的是减少联接件，减少零件数量，减轻发动机重量。为了高效运转、提高性能，微型涡喷发动机的零件设计上都有其自身的结构特点。本章以微型涡喷发动机主要零件为研究对象，分析其结构特点和性能优缺点。
5.1 压气轮
微型涡喷发动机采用单级离心压气轮，与单级轴流压气轮相比，其具有负荷大、效率高、结构紧凑的特点。在小流量和小雷诺数下能保持较高的性能指标。但是国内外航空发动机技术在微型离心压气轮设计方面的研究经验还很欠缺。微型压气轮存在粘性效应强、漏气损失大等问题。考虑到微型压气轮存在的问题，在10厘米级微型涡轮发动机上，我们采用如图5-1所示的S 型叶轮结构的压气轮，这种设计减少了零件数目，简化了结构。采用精密铸造工艺后，大大改善了制造工艺性，但对铸造质量要求很高，铸造难度较大[5]。
图5-1 压气轮
压气轮采用单级离心式而不采用轴流式，主要是考虑到为了得到与单级离心式压气轮同样的增压比的情况下，轴流式压气轮至少需要3级，多级压气轮将会造成结构的复杂及转子动力特性的变化。
压气轮采用与轴接触的圆柱面定心，螺母连接传力，磨擦传扭，后端面定位。并用轴前端的螺纹与螺母连接将压气轮紧固。为防止连接螺母松动，采用反螺纹结构，保证起动及工作的可靠性。
5.2 扩压器
微型涡轮发动机采用叶片式扩压器（图5-2），叶片分为径向和轴向两部分，减少气流流动损失，达到提高效率、简化结构的目的。它将叶片、腹板做成一体，并与轴套联结成一整体结构，构成扩压器组件，发动机安装座固定在外壳上。如果采用整体铸造的扩压器，可以改善制造工艺性[6]。
图5-2 扩压器
5.3 燃烧室
微型涡喷发动机的燃烧室存在如下技术难点：1）面容比（S/V）大于常规燃烧室1-2个数量级，这使得传热损失大大增加；2）驻留时间短，大约2-3ms ，这要求改进常规雾化混合方式；3）发动机尺寸小、结构紧凑，不易组织流动、燃烧[7]。通过研究和试验设计，得到了图5-3所示的环形燃烧室加蒸发管燃烧技术。燃油充分吸热蒸发，在微小空间中与气体混合，利用燃烧室的几何形状形成稳定火焰。环形燃烧室的结构特点是在燃烧室、外壳体之间的环腔内，形成了一个由共同的火焰筒内、外壁构成的环形燃烧区和掺混区。使用环形燃烧室能有效地利用燃烧空间、缩短转子长度，增加燃烧效率，提高转子的抗弯刚性从而能够减小整个微型涡喷发动机的振动。
图5-3 环形燃烧室
随着微型涡喷发动机燃烧室尺寸的减小，燃料和空气在燃烧室中的驻留时间减少，影响了燃料混合和化学反应所能占用的时间. 此外，随着尺寸的减小， 微型涡喷发动机燃烧室的面积与容积比迅速增加，由此产生的高传热损失，降低了微燃烧室的效率，并且微小尺寸产生的火焰淬熄可能会影响燃料的燃烧极限. 为了提髙微燃烧室的效率，需要在保证足够的有效驻留时间的条件下尽量减小燃烧室的容积和表面积；通过提高质量流率可以减少有效驻留时间，和固定质量流率时减小燃烧室的容积效果相同；在微型涡喷发动机中，通过壁面的热损失非常大，需要选择有低传热系数和低辐射的材料作为燃烧室的壁面[8]。
在蒸发式燃烧室内，油气的混合提前在蒸发管内进行。燃油首先喷入处于高温燃气流中的、炽热的蒸发管内，迅速吸热并转化为燃油蒸汽，与进入蒸发管内的少量空气初步混合成油气，然后从蒸发管喷入火焰筒的主燃烧区内，与大量空气混合后燃烧。
燃烧室采用多种冷却孔进行冷却的方法，它的表面开有许多圆孔，有些孔与壁面切向形成一定夹角，以提高掺混和稳定燃烧的目的，有些孔是为了由火焰筒与燃烧室壳体之间引入二股气流，从而在燃烧室壳体内形成掺混区，气膜冷却区，隔离高温燃气与火焰筒内表面，达到降温、冷却的目的。
5.4 涡轮
涡轮（见图5-4）采用单级轴流式涡轮结构。它的功能主要是将烟气的动能与热能转换成旋转的机械功，带动压气轮等其它部件。涡轮作为一个高速旋转的动力部件，必然承受着很大的气体负荷与质量符合；加上它又被高温燃气所包围，热负荷相当可观，故其可靠性应予以高度重视。
图5-4 涡轮
同样，微型涡喷发动机体积小，功率低，涡轮前温度也较低，叶片结构尺寸小，采用冷却式叶片难度较大，故未进行叶片的冷却，如果向心涡轮采用高温合金精密铸造成型，就可以简化结构，改善制造工艺，降低成本。
微型涡喷发动机扭矩小，单级涡轮连接时采用摩擦传扭来代替套齿传扭，使结构更加简单。但如需要维修拆下轮盘再装配时很可能会造成动平衡破坏，这将难以保证发动机的动平衡。为了解决这个问题，需要在动平衡时作好记号，以保证发动机再次装配后的动平衡。当涡轮在高温下工作时，轴与涡轮盘受热膨胀，配合面预紧力减小，需要适当加大接触面的摩擦力来传递扭矩。涡轮转子由与轴的配合圆柱面定心，连接螺母传力，摩擦传扭，前端面定位。
5.5 导流器
导流器（见图5-5）没有离心载荷，强度问题不突出，可是由于“热”的作用，除了采用具有良好高温性能的材料，以保证零组件在高温下安全可靠地工作外，在结构设计时，热应力、热变形、热定心以及热冲击、热疲劳等问题已成为突出问题。
图5-5 导流器
如果将导流器机匣与导流器做成一体，采用精密铸造工艺，靠内圈定心，通过导流器连接环与轴承机匣连接成一个整体，结构简单，但铸造工艺要求高，将其负荷传到轴承机匣上。由于涡轮导向器易受热膨胀，故导流器与燃烧室机匣配合面留有径向间隙。
5.6 导流锥
导流锥如图 5-6 所示，它由尾喷管、尾锥体组成，通过螺钉与燃烧室外机匣连接，尾锥体与紧固涡轮盘的螺母做成一体，以简化结构。
图5-6 导流锥
5.7 机匣
机匣由前后两个部分组成（如图 5-7），前机匣用螺钉与进气口及轴承机匣连接，后机匣前端也用螺钉与导流器及轴承机匣连接，后机匣上有点火器安装孔，后机匣后端用螺钉与锥形尾喷管连接。
图5-7 机匣
5.8 轴承
为了节约成本，在本文中制作的微型涡喷发动机使用的是普通轴承，只能短时间运转，并且不能承受大负荷。微型涡轮发动机应采用氮化硅陶瓷轴承，氮化硅陶瓷具有密度小、硬度高、耐磨损、耐腐蚀、高温强度好、弹性摸量大、磨擦系数小、热膨胀系数小、高温时稳定性和绝缘性好等许多优良的机械、物理性能，是一种较好的滚动轴承材料。
10厘米级微型涡轮发动机一般采用两个高速滚动陶瓷轴承作为支承。高速滚动轴承运转中的主要问题是：高速运转时，滚动体产生很大离心力和陀螺力矩，增大了轴承的负荷，且相于对轴承圈套的滑动量增大，导致轴承温升提高，使用寿命下降，刚度和精度降低。滚动体产生的离心力和陀螺力矩与其材料的密度成正比，而用于制造陶瓷轴承的氮化硅（3 4SiN ）的密度只为轴承钢的 40%，有利于用于高转速。同时陶瓷材料的弹性模量大，热膨胀系数小，是钢的 25%，使陶瓷轴承刚度高，径向间隙稳定。氮化硅材料的陶瓷轴承，特别是由陶瓷滚动体和钢套圈构成的组合陶瓷轴承，具有良好的耐磨性、较高的运转精度和较长的使用寿命，常常应用于高速的精密设备。因此，小型和微型发动机中广泛地采用了高精度陶瓷轴承的支承结构。
5.9 冷却系统
微型涡轮发动机采用了非循环润滑冷却系统，它没有单独的滑油系统，而是使用加入 掺混少量润滑油的燃油进行润滑。一部分燃油由油管导入，喷至压气轮背面，从而反射到压气轮后的前轴承上，对轴承进行冷却；再由高压气流将滑油吹入轴套的轴承腔内，直至到达涡轮前的后轴承。冷却后的滑油直接进入烟气通道，由尾喷管排出，不再进行利用。这样省去了复杂的滑油循环系统，简化了发动机的结构，减轻了发动机重量。
5.10 本章小结
本章对微型涡喷发动机的压气轮、扩压器、燃烧室等主要零件进行研究，分析了其结构特点，阐述这些零件的结构优点和部分零件存在的缺陷。由于现有加工技术的限制，压气轮、扩压器等零件的性能还不够理想。随着加工方法和技术的改进，微型涡喷发动机的性能将有很大的提升空间。
结论
微型涡轮发动机是推进动力/能源系统研究的新兴领，具有尺寸小、重量轻、能量密度高、推重比大的优点。目前，微型涡轮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，针对微型涡轮发动机的特点，大力发展新结构、新设计方法，深入研究部件设计技术，可以进一步提升微型发动机的部件及整机性能，拓展其应用范围。
通过制作微型涡喷发动机和对主要零件的结构特点分析，我有以下几点体会：
1）微型发动机的研制是一项高技术的系统工程。技术难度高、风险大、周期长。设计、计算是第一步；加工装配是第二步；而大量的工作还在第三步—调试、排故、改进、鉴定、定型。从某种意义上说性能还是比较容易达到的而要过结构可靠性这一关真正做到能实际使用需要花费更长的时间和更大的精力难度也更大。
2）微型发动机的研制是性能、结构、材料、工艺、强度、振动、尺寸、重量、成本、维修等各方面的矛盾综合。必须权衡利弊、妥善兼顾。
3）在设计和调试中，尤其要重视热端部件的强度和刚度。由于设计考虑不周所产生的热膨胀、热变形、热应力等往往会产生意想不到的故障。而“超温”和“过热”往往会造成零部件、乃至整机损坏。
4）减轻发动机重量, 提高发动机推重比是始终不渝的追求目标。我们制作的原理样机，因经费不足，工装毛坯不齐、附件凑合选用，未能做到量体裁衣、精雕细刻，所以发动机的重量比设计指标有些“超重”，而减重却不太容易。从发动机设计一开始，就要严格控制每一个零部件的重量，真正做到“精雕细刻”。必要时需对零部件设计规定和分配重量指标[9]。
5）微型发动机的预研周期长、投资大、短期内难以见到经济效益，不易获得社会投资，因此更要得到国家的支持，否则难为“无米之炊”。即使是已取得阶段成果的预研项目，如果不能继续获得国家的经费支持，也难免“中途夭折”。
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[9]袁增培，黄知涛. W 2P-1微型涡轮喷气式发动机研制中的试验研究[J] . 燃气涡轮试验与研究，2000，13（2）.
致谢
经过本次毕业设计，使我能够把大学四年中系统所学的理论知识和实际应用得以结合，总结出了很多实践设计中的技术经验。同时接触到热力机械的一些新技术，了解到微型发动机的发展趋势。
本研究及学位论文是在我的导师王庆五老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。王庆五老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向王庆五老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
感谢我的爸爸妈妈，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意。同时也感谢动力系为我提供良好的做毕业设计的环境。
最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。