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渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)制作圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-wenkub

2023-04-22 23:16:38 本頁面
 

【正文】 為微型飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)最有希望的方案之一。美國國防部預(yù)研計(jì)劃局(DARPA)于1997年制定了一項(xiàng)耗資3500萬美元的計(jì)劃,對微型飛行器的各項(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。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。身體結(jié)構(gòu)相對纖細(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。測試了微細(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。國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,(見圖11),技術(shù)特點(diǎn)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(yīng)離子蝕刻技術(shù);③ 以氫為燃料,采用預(yù)先摻混的燃?xì)猓w式燃燒室,無冷卻氣流,燃燒溫度為1600K;④ 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高達(dá)100~200萬轉(zhuǎn)/分;⑤ 用途為微型飛行器動(dòng)力、便攜式能源。其技術(shù)特點(diǎn)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(dòng)機(jī)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(jī)和單級向心(或軸流式)渦輪,葉輪造型為三維設(shè)計(jì);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(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。 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厘米級的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)樣機(jī)。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(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。進(jìn)氣口以直徑110m的鋁棒為原料,切取適當(dāng)長度的鋁棒,在數(shù)控機(jī)床上加工而成。圖24 壓氣輪 擴(kuò)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25所示。軸兩端的螺紋為左旋螺紋。由于一個(gè)不銹鋼杯的長度不夠,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(jī)焊接固定。用線切割機(jī)將杯口部分切去,剩余部分長度為77mm。再用點(diǎn)焊機(jī)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(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。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215所示。圖215 矩形和圓環(huán)不銹鋼板 圖216 導(dǎo)流器 導(dǎo)流錐,首先用線切割將鋼板切成如圖217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。完成后的導(dǎo)流錐如圖218所示。 圖220 轉(zhuǎn)動(dòng)部分圖221 轉(zhuǎn)動(dòng)部分和軸承、軸套及擴(kuò)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(dòng)機(jī)的工作原理和制作過程。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。微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)一般用易燃?xì)怏w,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。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(diǎn)燃,觀察燃燒效果。燃燒情況如圖32所示,火焰比較容易點(diǎn)燃,并且燃燒比較充分。主要有以下三個(gè)階段。圖35 燃燒室外缸 圖36 燃燒器與外缸配合燃燒試驗(yàn) 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(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。由于離心式壓氣輪具有單級壓比高、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。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(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?!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(jìn)口壓力為標(biāo)準(zhǔn)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(huì)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(dòng)機(jī)采用單級離心壓氣輪,與單級軸流壓氣輪相比,其具有負(fù)荷大、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)??紤]到微型壓氣輪存在的問題,在10厘米級微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)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(kuò)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(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)。燃油首先噴入處于高溫燃?xì)饬髦械?、熾熱的蒸發(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(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。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。圖55 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,靠內(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)簡單,但鑄造工藝要求高,將其負(fù)荷傳到軸承機(jī)匣上。圖57 機(jī)匣 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。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。 冷卻系統(tǒng)微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)采用了非循環(huán)潤滑冷卻系統(tǒng),它沒有單獨(dú)的滑油系統(tǒng),而是使用加入 摻混少量潤滑油的燃油進(jìn)行潤滑。 本章小結(jié)本章對微型渦噴發(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。目前,微型渦輪發(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,針對微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn),大力發(fā)展新結(jié)構(gòu)、新設(shè)計(jì)方法,深入研究部件設(shè)計(jì)技術(shù),可以進(jìn)一步提升微型發(fā)動(dòng)機(jī)的部件及整機(jī)性能,拓展其應(yīng)用范圍。從某種意義上說性能還是比較容易達(dá)到的而要過結(jié)構(gòu)可靠性這一關(guān)真正做到能實(shí)際使用需要花費(fèi)更長的時(shí)間和更大的精力難度也更大。由于設(shè)計(jì)考慮不周所產(chǎn)生的熱膨脹、熱變形、熱應(yīng)力等往往會(huì)產(chǎn)生意想不到的故障。從發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)一開始,就要嚴(yán)格控制每一個(gè)零部件的重量,真正做到“精雕細(xì)刻”。 參考文獻(xiàn)[1]田寶林. 世界無人機(jī)和巡航導(dǎo)彈用發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展概況. 航空發(fā)動(dòng)機(jī),2009,29(4).[2]梁德旺,黃國平. 厘米級微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要研究進(jìn)展[J] . 燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)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(dòng)機(jī)中壓氣機(jī)部件設(shè)計(jì)仿真及加工實(shí)驗(yàn)[J]. 上海交通
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