6kg級微型渦噴發動機設計制造的實驗研究

李言蹊

摘要 本次實驗研究是設計制造一個6kg級微型渦噴發動機，以此提高我們設計及制造技能，同時也有效的提高我們對知識探索的積極性。實驗研究方法是根據小型渦輪噴氣式發動機的設計經驗與流程，對現有設計方案進行修改，使之在考慮到材料以及轉速限制等問題下，確保小型渦輪噴氣式發動機在體積限制下動力性能最高。

關鍵詞 渦輪噴氣式；發動機；設計；制作

中圖分類號 V2

文獻標識碼 A

文章編號2095-6363（2015）10-0080-01

微型渦噴發動機在當下低成本空中武器中有著較為廣泛的應用，其可以作為先進動力裝置，具有較好的能量密度和推重比優勢。本文著重對這一技術進行了研究，希望本文的研究，能夠更好地促進微型渦噴發動機的發展。

1 國內外研究現狀和發展動態

渦輪噴氣發動機與渦扇發動機相比，具有更好地推進效率，在飛機中應用，可以更好地保證飛機飛行的穩定性和速度性。渦輪噴氣發動機在飛機速度超過音速后，仍然具有著較好的推進效率，將該發動機進行微小化和輕量化處理，可以將之更好地應用于日常生活當中。就當下渦輪噴氣發動機發展現狀來看，如何將其進行微小化處理，已經成為一個熱門議題。市場上，微型渦噴發動機可以用于發電和推進，能夠更好地促進相關產業的發展和進步。例如渦噴發動機的發電功能，在日常生活中有較大的應用空間。在推進方面，可用做靶機的發動機、小型無人機的發動機等。在市場的帶動下，目前的微型渦輪噴氣式發動機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電機則推力到幾克。

2 設計方案

我們在制定方案過程中，必須對現代渦輪噴氣式發動機的結構進行有效了解，在進行方案設計過程中，要著重考慮實際需要。同時，設計成本方面不必注重太多，這主要是在制造過程中，采用了數控加工方式，可以有效地壓低制作成本。軸采用304不銹鋼，用數控車床進行加工；燃燒室采用304不銹鋼，采用數字程序自動化制線切割；渦輪采用304不銹鋼，壓氣機采用鋁合金，用五軸數控加工中心進行加工。本次微型渦輪噴氣式發動機在設計上具有以下特點。

1）要考慮較低的制作成本、以及較少的零件數目。因此，質量輕，尺寸小、工作可靠、維護方便。

2）先進的高速陶瓷軸承技術，可以在惡劣的條件下穩定工作。（但是這次考慮到成本以及整體技術我們暫時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，因此我們不需要單獨設計滑油系統，大大的簡化了設計。

3）受外形和尺寸影響，壓氣機和渦輪的效率很低，單級離心壓氣機和單級軸流渦輪轉子，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，我們采用直接數控加工工藝。）

5）小型渦輪噴氣式發動機啟動加速設計是難點，尤其是快速啟動技術。（一般采用高速微型電動機驅動，但考慮到成本及技術我們前期先采用強力鼓風機驅動。）

預期效果：制作出實體微型噴氣式發動機，完成其技術指標：推力大于6kg，長度小于250mm，外徑小于150mm，最大轉速：103，OOOrpm，排氣溫度：550degC。

3 制作方案

根據設計方案采用的制造方案。

1）對于主軸的制作我們將采用本學校工程訓練中心車床。軸是渦噴發動機重要構件，其主要作用是支撐傳動零件并傳動扭矩，所以加工出合格主軸是能夠保持渦噴發動機正常工作的前提，要選取定位基準：盡量采用兩中心孔頂尖，低速加工，因為必須保證其同軸度，以及端面對回旋軸線的垂直度等都與主軸的設計基準——軸線有關。

2）燃燒室我們將采用數字程序自動化制線切割機床對304不銹鋼板切割，這種切割的好處是工作相對平穩、抖動小、并且多次切割減少材料的變形，加工質量相對較高。

3）主要難點是在于擴壓器導向器和渦輪的制作，盡量使用機械院校所普遍具備的車床，但由于我們是初級探索階段，所以我們將采用五軸數控加工中心，而對于外殼的制作我們將會采用氨弧焊接方法。

研究過程中要繪制圖紙，根據累計的經驗，認為在材料上304不銹鋼和6開頭的鋁合金最為合適。首先進行以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，接下來進行燃燒室內壁和外壁切割，最后進行軸承的制作。

4 項目的創新點和特色

在設計微型渦輪噴氣式發動機時最主要的限制因素為轉子系統的設計，所以為提高其作品的設計水平，必須擁有扎實的機械設計及制造技術。采用微型軸搭配壓力機和渦輪，構成了獨有的微型轉子系統，這在以前的渦輪噴氣式發動機中是很難見到的。