【正文】 為微型飛行器發(fā)動機最有希望的方案之一。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(guān)鍵技術(shù)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(shù)等進行研究。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。身體結(jié)構(gòu)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。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。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，（見圖11），技術(shù)特點為：① 以硅和氮化硅為主要結(jié)構(gòu)材料；② 代表性制造工藝為反應離子蝕刻技術(shù)；③ 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；④ 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高達100～200萬轉(zhuǎn)/分；⑤ 用途為微型飛行器動力、便攜式能源。其技術(shù)特點為：① 以鋁、高溫合金作為主要結(jié)構(gòu)材料，采用常規(guī)發(fā)動機制造技術(shù)輔之以精密儀器制造技術(shù)；② 以添加少量潤滑油的航空煤油為燃料，燃燒溫度1100K左右；③ 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(shè)計；④ 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為10萬轉(zhuǎn)～16萬轉(zhuǎn)/分，采用陶瓷滾珠軸承支承；⑤ 應用于微小型無人駕駛靶機、偵察機以及航模飛機中。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。壓氣輪旋轉(zhuǎn)，吸入空氣，然后將其壓縮，使空氣壓力升高。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。進氣口以直徑110m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。圖24 壓氣輪 擴壓器擴壓器原料為直徑為110mm的鋁棒，在數(shù)控機床上加工而成，如圖25所示。軸兩端的螺紋為左旋螺紋。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。用鉗子將兩端開口夾扁封閉。再用圓柱挫挫出小槽，并用挫頂在小槽處戳出小孔。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。前端蓋（見圖210下部）用外徑110mm的不銹鋼杯的蓋子加工而成。打孔之后把不銹鋼板彎成圓筒狀，然后用電焊機焊接固定。用線切割機將杯口部分切去，剩余部分長度為77mm。再用點焊機將直管焊接到燃燒室上。組裝后的燃燒室如圖212所示。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(zhuǎn)葉片。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215所示。圖215 矩形和圓環(huán)不銹鋼板 圖216 導流器 導流錐，首先用線切割將鋼板切成如圖217所示的兩塊，第一個用來制作導流錐外側(cè)殼體，第二個是加工成內(nèi)部錐體。完成后的導流錐如圖218所示。 圖220 轉(zhuǎn)動部分圖221 轉(zhuǎn)動部分和軸承、軸套及擴壓器組裝在一起圖222 整體組裝 本章小結(jié)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。微型渦噴發(fā)動機也可以采用液化丙烷等氣體為燃料。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。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。燃燒情況如圖32所示，火焰比較容易點燃，并且燃燒比較充分。主要有以下三個階段。圖35 燃燒室外缸 圖36 燃燒器與外缸配合燃燒試驗 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37所示。通過對柴油、汽油和柴油汽油混合物這三種燃料的燃燒情況的對比，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。由于離心式壓氣輪具有單級壓比高、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)壓氣輪。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= mm。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?！D45 設(shè)置邊界條件后的仿真模型 壓氣輪模擬結(jié)果分析圖46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。已知壓氣輪進口壓力為標準大氣壓101325Pa，壓氣輪轉(zhuǎn)速為12560rad/s。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，這是壓氣輪效率損失的重要原因之一。 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(jié)構(gòu)緊湊的特點?？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51所示的S型葉輪結(jié)構(gòu)的壓氣輪，這種設(shè)計減少了零件數(shù)目，簡化了結(jié)構(gòu)。并用軸前端的螺紋與螺母連接將壓氣輪緊固。如果采用整體鑄造的擴壓器，可以改善制造工藝性[6]。環(huán)形燃燒室的結(jié)構(gòu)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(gòu)成的環(huán)形燃燒區(qū)和摻混區(qū)。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(zhuǎn)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。渦輪作為一個高速旋轉(zhuǎn)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。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。圖55 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(jié)構(gòu)簡單，但鑄造工藝要求高，將其負荷傳到軸承機匣上。圖57 機匣 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(zhuǎn)，并且不能承受大負荷。滾動體產(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。 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。 本章小結(jié)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(jié)構(gòu)特點，闡述這些零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)點和部分零件存在的缺陷。目前，微型渦輪發(fā)動機技術(shù)尚處于起步發(fā)展階段，其總體及部件設(shè)計技術(shù)還有待進一步的發(fā)展和完善，針對微型渦輪發(fā)動機的特點，大力發(fā)展新結(jié)構(gòu)、新設(shè)計方法，深入研究部件設(shè)計技術(shù)，可以進一步提升微型發(fā)動機的部件及整機性能，拓展其應用范圍。從某種意義上說性能還是比較容易達到的而要過結(jié)構(gòu)可靠性這一關(guān)真正做到能實際使用需要花費更長的時間和更大的精力難度也更大。由于設(shè)計考慮不周所產(chǎn)生的熱膨脹、熱變形、熱應力等往往會產(chǎn)生意想不到的故障。從發(fā)動機設(shè)計一開始，就要嚴格控制每一個零部件的重量，真正做到“精雕細刻”。參考文獻[1]田寶林. 世界無人機和巡航導彈用發(fā)動機發(fā)展概況. 航空發(fā)動機，2009,29（4）.[2]梁德旺，黃國平. 厘米級微型渦輪噴氣發(fā)動機主要研究進展[J] . 燃氣渦輪試驗與研究，2004, 5，17（2）.[3] Kurt Schreckling. Home Built Model Turbines. United Kingdom: Traplet Publications，2005.[4]董穎懷，王振龍，彭子龍等. 微型渦輪發(fā)動機中壓氣機部件設(shè)計仿真及加工實驗[J]. 上海交通