微型渦輪發動機的設計與應用分析

摘要：微型渦輪發動機是基于大、中型發電機所提出來的概念，相比于大、中型發動機的大功率、大體積，微型渦輪發動機在體型上比較小、重量較輕、攜帶方便，能夠滿足移動設備的能源需求，在當今甚至是未來都會是許多戶外工作項目的必備機器。文章從微型渦輪發動機的結構設計要點以及其應用實例分析為切入點，討論微型渦輪發動機的相關設計。

關鍵詞：微型渦輪發動機；發動機設計；發動機應用

中圖分類號：V235 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）01-0010-02

在許多需要使用到微型渦輪發動機的地方，對發動機的結構要求比較嚴格，特別是發動機既要滿足工作項目的功率要求，又要滿足輕便易攜帶的要求，這一直是微型渦輪發動機的設計難點。要讓微型渦輪發動機真正發揮其獨有的作用，對發動機本身的設計就要格外注意，從多個影響因素去綜合考慮，確保微型渦輪發動機在不失去本身優點的同時能夠彌補自身缺點。

1 微型渦輪發動機結構設計要點

微型渦輪發動機在整體結構特點上相較于普通的大、中型發動機要簡單一些，在縮小了一些必要零件尺寸的基礎上精簡了一些不必要的零件，最大程度地減輕了發動機的重量。同時，也由于零件結構的簡化，微型渦輪發動機的正常工作成為了設計的難點，需要從各方面影響工作的因素去考慮，盡量滿足發動機的正常工作需求。

1.1 發動機結構穩定性的設計

發動機結構的穩定性是其能夠正常工作的基礎，所有的發動機在設計的時候都需要首先保證各部位的零件之間嵌合足夠穩定。在發動機的工作過程中，對其結構穩定性考驗最大的就是工作過程中產生的震動，特別是微型渦輪發動機的各個零件尺寸都相對較小，在整體結構上有所簡化，就更容易受到工作振動的影響了。

這種工作中的振動來源是發動機內燃燒反應所引起的振動，進而影響到整個機身。這種連鎖反應帶來的整機振動在機身重量輕、機體材料薄的情況下表現得最為明顯。要控制這種振動反應，最好的方法就是加強機身一體化的運用，在選擇裝機零件的時候盡量選擇剛性高、較輕巧、機體結構一體化鑄造的材料。盡量減少零件之間的拼接，即使在拼接時也要保證接口的穩定。還可以對內壁與尾噴管采用緩震設計，將振動的力度通過特殊的結構分散開。

1.2 發動機工作溫度的控制設計

對發動機溫度的控制是在設計發動機時考慮得最多的問題，因為發動機內有些部位的工作產熱，而有些部位的工作并不產熱，所以一般的發動機常常會出現局部溫度過高的情況。長期的零件溫度過高甚至還會引起發動機的材料發生損傷、變形、過早老化等故障，甚至直接影響到發動機的安全反應工作，波及到周圍的正常工作進行。

為了減小這種局部熱力影響，在不能留有葉片膨脹間隙的基礎上，可以在導向葉片的內外環之間設計一個人為的斜角，在渦輪工作的時候，這個人為設計的傾斜角就可以使內外環實現相對轉動，降低熱應力，防止材料變形。

一般的微型渦輪發動機的工作結構設計原理都是類似的，包括了燃燒裝置、渦輪裝置、排氣裝置等主要工作部分，其工作系統結構如圖1所示：

圖1

從圖1中可以看出，微型渦輪發動機的零件尺寸都比較小，包括管道與葉片以及外殼都需要采用高強度的材料制作。在制作微型渦輪發動機的時候，由于零件較為微小，所以一般采用零件之間的焊接操作，正確的方法就如上文所提到的采用一體化鑄造的結構，減少零件之間的連接。如果需要對零件進行焊接的話，則盡量采用高精度的電焊技術，用精細到μm的焊接操作保障發動機的制作質量。

2 微型渦輪發動機的應用范圍

微型渦輪發動機作為發動機中攜帶極為方便、動力較好的一類，在當今的一些特定領域以及未來科研發展中具有非常高的應用價值。由于一般的微型渦輪發動機的推動力最高可以達到100㎏，所以一般的運行動力在100㎏以下的便攜設備都需要用到微型渦輪發動機。根據工作設備的使用目的來劃分，微型渦輪發動機的應用主要包括以下四個方面：

2.1 在機器模型上的應用

在各種大型機器模型上的應用是現今的微型渦輪發動機應用得最廣泛的一類，許多相關模型的運轉都需要依靠微型渦輪發動機來提供動力。常見的模型包括航天飛機、潛艇、輪船、汽車以及一些重型機械設備等等。特別是對于許多航模愛好者來說，微型渦輪發動機更是一種具有能夠為飛機提供飛行動力的必要設備。另外，在一些科學勘測中，也會用到航天飛機模型或者潛艇模型來進行危險地區的勘探工作，在這其中微型渦輪發動機起著非常核心的作用。

2.2 在軍事設備上的應用

目前最尖端的微型渦輪發動機基本上都應用于軍事領域，其參數是各國軍事發展的機密。目前在軍事中應用得最為普遍的一種就是作為導彈的推動力，這種微型渦輪發動機的動力通常偏大，大多為60㎏以上的推力，并且材料質量與設計結構上都相較于一般的微型渦輪發動機更加完美。而在未來軍事領域的研究中，微型渦輪發動機還被應用于無人機的飛行，為無人機提供持續的動力。將其應用到無人機飛行領域，就對發動機本身的動力有了更加嚴格的要求，在動力的研究上面還需要進一步加強。

2.3 在小型機車上的應用

微型渦輪發動機在這方面的應用主要流行于一些機車愛好者當中，許多人為了追求行駛的速度而在機車上安裝微型渦輪發動機。這類發動機的動力通常也比較大，大約在幾十kg的水平，最基本的動力要求就是對機車的行駛速度有顯著的提升作用。

2.4 在小型元件上的應用

微型渦輪發動機在小型元件上也能發揮非常大的作用，一些需要外出攜帶的小型設備，其動力源泉就是來自于微型渦輪發動機。通常該領域中使用的發動機需求動力并不高，大約為幾kg的水平，只要發動機能夠達到安全、穩定、便攜的要求就可以了。

3 微型渦輪發動機的應用實例

一般對于普通大眾來說，對微型渦輪發動機應用得最為廣泛的就是機械模型領域了。比如說航天飛機模型，就是許多航模愛好者非常喜歡制作的一類模型設備。本文所選用的是一種推力為20㎏的微型渦輪發動機，應用于一架普通航天飛機模型上，整套設備的價錢在三萬元左右，屬于普通的航模價位。

3.1 燃料裝置制作

微型渦輪發動機的運行燃料為一般的高質量燃油，但對于燃油的利用效率卻相較于一般的機械設備更高。而再高的燃料利用效率也需要足夠的燃料支撐才能夠滿足航模長距離飛行的需要，所以一般是用燃料霧化器來進行燃料的儲備與供應，只需要占用很小的體積與重量，就可以提供較為持久的燃料支持。該航模上的燃料霧化器如圖2

所示：

圖2

整個燃料霧化器的長度約為5㎝，放在航模之上大小較為合適。將燃料霧化器與微型渦輪發動機相連接，可以實現燃料在航模飛行過程中的持續供應了。

3.2 飛行時速測定

應用微型渦輪發動機作為飛行動力的航模在飛行時速上面可以達到非常高的水平，最快的航模飛行時速可以超過500㎞/h，而本文調查選用的是一架普通的航模，飛行時速經測定在200㎞/h左右，相比于普通的電動模型要快許多倍。

4 結語

從文中可以看出，在很多領域都可以見到微型渦輪發動機應用的身影。而為了對使用者的安全負責，在進行微型渦輪發動機設計的時候需要格外注意，以嚴謹的態度對待每一個微小的結構，以仔細的精神完成每一個零件的焊接，讓微型渦輪發動機不僅精小高效，而且安全穩定。

參考文獻

[1] 萬照云.微型渦輪發動機風車起動特性研究[D].南

京航空航天大學，2012.

[2] 徐建國，張天宏.微型渦輪發動機燃油閉環控制起動

方法[J].航空動力學報，2012，（3）：701-706.

[3] 宣建光，邱建，夏晨，黃國平.一種微型渦輪發動機

導向器改進方案[J].航空動力學報，2010，（12）：

2690-2696.

[4] 鄭振江.高膨脹比向心渦輪的氣動設計與數值模擬

[D].哈爾濱工業大學，2011.

作者簡介：華國忠（1963—），男，江蘇無錫人，北京中安質環技術評價中心有限公司無錫分公司工程師。

一般對于普通大眾來說，對微型渦輪發動機應用得最為廣泛的就是機械模型領域了。比如說航天飛機模型，就是許多航模愛好者非常喜歡制作的一類模型設備。本文所選用的是一種推力為20㎏的微型渦輪發動機，應用于一架普通航天飛機模型上，整套設備的價錢在三萬元左右，屬于普通的航模價位。

3.1 燃料裝置制作

微型渦輪發動機的運行燃料為一般的高質量燃油，但對于燃油的利用效率卻相較于一般的機械設備更高。而再高的燃料利用效率也需要足夠的燃料支撐才能夠滿足航模長距離飛行的需要，所以一般是用燃料霧化器來進行燃料的儲備與供應，只需要占用很小的體積與重量，就可以提供較為持久的燃料支持。該航模上的燃料霧化器如圖2

所示：

圖2

整個燃料霧化器的長度約為5㎝，放在航模之上大小較為合適。將燃料霧化器與微型渦輪發動機相連接，可以實現燃料在航模飛行過程中的持續供應了。

3.2 飛行時速測定

應用微型渦輪發動機作為飛行動力的航模在飛行時速上面可以達到非常高的水平，最快的航模飛行時速可以超過500㎞/h，而本文調查選用的是一架普通的航模，飛行時速經測定在200㎞/h左右，相比于普通的電動模型要快許多倍。

4 結語

從文中可以看出，在很多領域都可以見到微型渦輪發動機應用的身影。而為了對使用者的安全負責，在進行微型渦輪發動機設計的時候需要格外注意，以嚴謹的態度對待每一個微小的結構，以仔細的精神完成每一個零件的焊接，讓微型渦輪發動機不僅精小高效，而且安全穩定。

參考文獻

[1] 萬照云.微型渦輪發動機風車起動特性研究[D].南

京航空航天大學，2012.

[2] 徐建國，張天宏.微型渦輪發動機燃油閉環控制起動

方法[J].航空動力學報，2012，（3）：701-706.

[3] 宣建光，邱建，夏晨，黃國平.一種微型渦輪發動機

導向器改進方案[J].航空動力學報，2010，（12）：

2690-2696.

[4] 鄭振江.高膨脹比向心渦輪的氣動設計與數值模擬

[D].哈爾濱工業大學，2011.

作者簡介：華國忠（1963—），男，江蘇無錫人，北京中安質環技術評價中心有限公司無錫分公司工程師。

一般對于普通大眾來說，對微型渦輪發動機應用得最為廣泛的就是機械模型領域了。比如說航天飛機模型，就是許多航模愛好者非常喜歡制作的一類模型設備。本文所選用的是一種推力為20㎏的微型渦輪發動機，應用于一架普通航天飛機模型上，整套設備的價錢在三萬元左右，屬于普通的航模價位。

3.1 燃料裝置制作

微型渦輪發動機的運行燃料為一般的高質量燃油，但對于燃油的利用效率卻相較于一般的機械設備更高。而再高的燃料利用效率也需要足夠的燃料支撐才能夠滿足航模長距離飛行的需要，所以一般是用燃料霧化器來進行燃料的儲備與供應，只需要占用很小的體積與重量，就可以提供較為持久的燃料支持。該航模上的燃料霧化器如圖2

所示：

圖2

整個燃料霧化器的長度約為5㎝，放在航模之上大小較為合適。將燃料霧化器與微型渦輪發動機相連接，可以實現燃料在航模飛行過程中的持續供應了。

3.2 飛行時速測定

應用微型渦輪發動機作為飛行動力的航模在飛行時速上面可以達到非常高的水平，最快的航模飛行時速可以超過500㎞/h，而本文調查選用的是一架普通的航模，飛行時速經測定在200㎞/h左右，相比于普通的電動模型要快許多倍。

4 結語

從文中可以看出，在很多領域都可以見到微型渦輪發動機應用的身影。而為了對使用者的安全負責，在進行微型渦輪發動機設計的時候需要格外注意，以嚴謹的態度對待每一個微小的結構，以仔細的精神完成每一個零件的焊接，讓微型渦輪發動機不僅精小高效，而且安全穩定。

參考文獻

[1] 萬照云.微型渦輪發動機風車起動特性研究[D].南

京航空航天大學，2012.

[2] 徐建國，張天宏.微型渦輪發動機燃油閉環控制起動

方法[J].航空動力學報，2012，（3）：701-706.

[3] 宣建光，邱建，夏晨，黃國平.一種微型渦輪發動機

導向器改進方案[J].航空動力學報，2010，（12）：

2690-2696.

[4] 鄭振江.高膨脹比向心渦輪的氣動設計與數值模擬

[D].哈爾濱工業大學，2011.

作者簡介：華國忠（1963—），男，江蘇無錫人，北京中安質環技術評價中心有限公司無錫分公司工程師。