6kg級(jí)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造的實(shí)驗(yàn)研究

李言蹊

摘要 本次實(shí)驗(yàn)研究是設(shè)計(jì)制造一個(gè)6kg級(jí)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，以此提高我們?cè)O(shè)計(jì)及制造技能，同時(shí)也有效的提高我們對(duì)知識(shí)探索的積極性。實(shí)驗(yàn)研究方法是根據(jù)小型渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與流程，對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改，使之在考慮到材料以及轉(zhuǎn)速限制等問題下，確保小型渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)在體積限制下動(dòng)力性能最高。

關(guān)鍵詞 渦輪噴氣式；發(fā)動(dòng)機(jī)；設(shè)計(jì)；制作

中圖分類號(hào) V2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào)2095-6363（2015）10-0080-01

微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)在當(dāng)下低成本空中武器中有著較為廣泛的應(yīng)用，其可以作為先進(jìn)動(dòng)力裝置，具有較好的能量密度和推重比優(yōu)勢。本文著重對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行了研究，希望本文的研究，能夠更好地促進(jìn)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)與渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)相比，具有更好地推進(jìn)效率，在飛機(jī)中應(yīng)用，可以更好地保證飛機(jī)飛行的穩(wěn)定性和速度性。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)速度超過音速后，仍然具有著較好的推進(jìn)效率，將該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行微小化和輕量化處理，可以將之更好地應(yīng)用于日常生活當(dāng)中。就當(dāng)下渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀來看，如何將其進(jìn)行微小化處理，已經(jīng)成為一個(gè)熱門議題。市場上，微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)可以用于發(fā)電和推進(jìn)，能夠更好地促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。例如渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)電功能，在日常生活中有較大的應(yīng)用空間。在推進(jìn)方面，可用做靶機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)、小型無人機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)等。在市場的帶動(dòng)下，目前的微型渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的推力范圍以幾公斤到幾十公斤為主，在研究更小的超微發(fā)電機(jī)則推力到幾克。

2 設(shè)計(jì)方案

我們?cè)谥贫ǚ桨高^程中，必須對(duì)現(xiàn)代渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效了解，在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)過程中，要著重考慮實(shí)際需要。同時(shí)，設(shè)計(jì)成本方面不必注重太多，這主要是在制造過程中，采用了數(shù)控加工方式，可以有效地壓低制作成本。軸采用304不銹鋼，用數(shù)控車床進(jìn)行加工；燃燒室采用304不銹鋼，采用數(shù)字程序自動(dòng)化制線切割；渦輪采用304不銹鋼，壓氣機(jī)采用鋁合金，用五軸數(shù)控加工中心進(jìn)行加工。本次微型渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)上具有以下特點(diǎn)。

1）要考慮較低的制作成本、以及較少的零件數(shù)目。因此，質(zhì)量輕，尺寸小、工作可靠、維護(hù)方便。

2）先進(jìn)的高速陶瓷軸承技術(shù)，可以在惡劣的條件下穩(wěn)定工作。（但是這次考慮到成本以及整體技術(shù)我們暫時(shí)并未采用高速陶瓷軸承而使用的nsk軸承）我們采用的是燃油與潤滑油混合技術(shù)，因此我們不需要單獨(dú)設(shè)計(jì)滑油系統(tǒng)，大大的簡化了設(shè)計(jì)。

3）受外形和尺寸影響，壓氣機(jī)和渦輪的效率很低，單級(jí)離心壓氣機(jī)和單級(jí)軸流渦輪轉(zhuǎn)子，增壓比一般在3到5.5。

4）壓氣輪等主要部件最好采用整體精鑄、快速成型鍛造工藝等，已降低制作成本。（考慮到本次的制作工藝以及技術(shù)，我們采用直接數(shù)控加工工藝。）

5）小型渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)加速設(shè)計(jì)是難點(diǎn)，尤其是快速啟動(dòng)技術(shù)。（一般采用高速微型電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，但考慮到成本及技術(shù)我們前期先采用強(qiáng)力鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。）

預(yù)期效果：制作出實(shí)體微型噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，完成其技術(shù)指標(biāo)：推力大于6kg，長度小于250mm，外徑小于150mm，最大轉(zhuǎn)速：103，OOOrpm，排氣溫度：550degC。

3 制作方案

根據(jù)設(shè)計(jì)方案采用的制造方案。

1）對(duì)于主軸的制作我們將采用本學(xué)校工程訓(xùn)練中心車床。軸是渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)重要構(gòu)件，其主要作用是支撐傳動(dòng)零件并傳動(dòng)扭矩，所以加工出合格主軸是能夠保持渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的前提，要選取定位基準(zhǔn)：盡量采用兩中心孔頂尖，低速加工，因?yàn)楸仨毐ＷC其同軸度，以及端面對(duì)回旋軸線的垂直度等都與主軸的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)——軸線有關(guān)。

2）燃燒室我們將采用數(shù)字程序自動(dòng)化制線切割機(jī)床對(duì)304不銹鋼板切割，這種切割的好處是工作相對(duì)平穩(wěn)、抖動(dòng)小、并且多次切割減少材料的變形，加工質(zhì)量相對(duì)較高。

3）主要難點(diǎn)是在于擴(kuò)壓器導(dǎo)向器和渦輪的制作，盡量使用機(jī)械院校所普遍具備的車床，但由于我們是初級(jí)探索階段，所以我們將采用五軸數(shù)控加工中心，而對(duì)于外殼的制作我們將會(huì)采用氨弧焊接方法。

研究過程中要繪制圖紙，根據(jù)累計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為在材料上304不銹鋼和6開頭的鋁合金最為合適。首先進(jìn)行以304不銹鋼為材料的主軸和以鋁合金為材料的壓氣輪的制作，接下來進(jìn)行燃燒室內(nèi)壁和外壁切割，最后進(jìn)行軸承的制作。

4 項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色

在設(shè)計(jì)微型渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)最主要的限制因素為轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所以為提高其作品的設(shè)計(jì)水平，必須擁有扎實(shí)的機(jī)械設(shè)計(jì)及制造技術(shù)。采用微型軸搭配壓力機(jī)和渦輪，構(gòu)成了獨(dú)有的微型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，這在以前的渦輪噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)中是很難見到的。