微型渦噴發動機輕量化結構設計研究

顧志崗

摘要：以某公司23daN推力級微型渦噴為例，探討了微型渦噴發動機典型輕量化結構設計特點;其次，對該款發動機潤滑、燃油、起動等系統進行研究;最后，對轉子系統零件結構設計進行分析，結論有助于幫助更好開展微型渦噴發動機輕量化結構設計。

關鍵詞：微型渦噴發動機;結構設計;潤滑

自威廉姆斯制造了第一臺微型渦噴發動機，全世界就開始對其進行研究，其先后應用在巡航導彈、靶機以及無人機等飛行器，并在反恐、對地精確攻擊及無人電子空戰、軍事偵察等方面占具重要地位[1]。近些年，以Olympus、Jetcat等為代表的國外微型渦噴發動機公司發展迅速，本文正是以某公司23daN推力級微型渦噴為輕量化結構設計研究對象。

一、總體結構

微型渦噴發動機為了適配飛行器，往往提高渦輪進口溫度、減小直徑、擴大速度來實現，這并不容易：首先提升了渦輪進口溫度，材料未必承受，可能帶來轉子早期破裂;其次體積縮小，加工困難;最后轉速上升，強度不足。這些問題給設計師提出很高要求。

該發動機設計推力23daN，空氣流量0.45 kg/s，耗油率1.67kg/daN.h，最大排溫750 攝氏度;采用經典0-2-0形式，重量輕、尺寸小、零件數目極少，直徑130mm，總質量2.9kg，分析發現：它采用單元體設計，結構易于拆解;起動電機置于進氣道中心椎體，進氣道與機殼形成封閉內腔安置管路及附件，整機外圍渾然一體，整體上簡潔、輕量化特征明顯;零件數量少，加工也簡單;取消了滑油潤滑，取消了類似于封嚴篦齒、冷卻葉片等結構，轉子零件輕薄，空間布局游刃有余，這些設計確保了推重比以及燃油經濟性。

二、燃滑油系統

渦噴發動機的渦輪與后軸承處于惡劣的高溫條件，環境溫度達到500-600K，這是導致其壽命故障的重要原因，如非線性振動、滾道金屬淺層脫落等[5]。為解決這些問題，一方面從潤滑冷卻角度去降低軸承熱負荷，另一方面，提高軸承鋼耐熱性能，選用混合陶瓷軸承，降低離心載荷、陀螺力矩等造成的影響，降低滾珠接觸應力。該發動機采用燃滑油一體設計思路，取消單獨潤滑節省空間，讓冷燃油進入燃燒前，先進滑油通道噴射潤滑;另外也起到預熱燃油的作用，提高燃油霧化，一箭雙雕。燃油系統沒有采用霧化噴嘴，而是簡單的直噴供油蒸發管，充分利用了燃油循環折返帶來的預加熱、預摻混效應，焊接加工方便可靠。

設計采用擴壓器背腔冷氣通道，引入后軸承腔道空冷，冷氣通過前軸承以及軸套內腔不斷到達后軸承冷卻，從渦輪盤根部流出，與動葉高溫氣流集合流出[6]。軸套的周向氣孔輔助氣流流通，避免流動死區，導向器支板上小圓孔把低溫氣體引向渦輪盤葉根以強化冷卻。冷卻結構簡單易調整，實驗證明，該結構可以充分確保渦輪以及后軸承的安全。

三、起動系統

微型渦噴多用于航模，典型啟動方式包括空氣吹轉起動和電機起動，空氣啟動由于攜帶空氣瓶較為累贅，電機啟動就更為輕量簡潔，該發動機設計了簡易的自脫落螺旋聯軸器，靜摩擦傳扭，發動機點火后聯軸器在主軸反作用力下自行脫開，結構緊湊不冗余，另外，為實現一鍵啟動控制提供支撐。

四、轉子系統

（一）轉子系統結構

為了減少零件數量，轉子系統往往采取單級壓氣機、渦輪結構，并采用一根主軸聯結，尤其要注意在保證輕量化的基礎上，強度可靠、轉動穩定。該發動機采用離心壓氣機、軸流渦輪結構，葉片以及輪盤都盡可能短而薄，便于一體加工，降低成本提高剛度[3]。壓氣機葉尖到葉根等厚度，輪緣直徑87mm，線速度494m/s，采用高強度LD7鋁合金，主副葉片各7片，壓比3.8，楔形擴壓器一體成型，軸徑擴充分發揮擴壓功能。渦輪葉片29片，選用K418材料，耐溫達1200K，設計點不超過1080K。主軸采用一體鍛造，合金材料42CrMo，經調質熱處理后耐磨耐疲勞。轉子系統通過螺紋連接并緊，剛性好且易于裝配[1]。

（二）零件強度校核

微型渦噴動輒上十萬轉速，需要對轉子進行強度校核。壓氣機溫度最高也就500K，離心力是核心負荷，渦輪轉子熱負荷與離心載荷同等重要，要確保轉子葉尖形變不能超過預留間隙，否則就會碰磨[4]，計算可知壓氣機變形約0.38mm，渦輪約0.3mm，預留間隙均不得低于0.4mm，壓氣機最大應力約190MPa，渦輪512 MPa，均滿足設計要求。

（三）轉子動力學

轉子臨界轉速、模態應變等帶來的結構性破壞是造成微型渦噴故障的主要來源。臨界轉速在設計上要求與工作轉速至少有10%至20%的轉速裕度，尤其在輕量化要求下，轉子結構空間有限，難以采用彈性結構。采用ANSYS軟件進行了有限元仿真，軸承采用COMBIN14彈簧單元模擬，假設周向剛度對稱，后軸承采用經驗值2x107N/m計算，前軸承由于是橡膠支撐，采用2x106N/m、3x106N/m、4x106N/m、5x106N/m、6x106N/m計算，其一階臨界轉速分別為29644、32124、34500、36790、38800rpm，安全裕度從34%下降到14%（慢車45000rpm），二階臨界轉速分別為111824、113810、115280、116795、118316rpm，安全裕度從12%上升到18%（額定100000rpm），隨前支撐剛度提高，二階臨界裕度提高，一階臨界裕度在下降。如果一階臨界極度接近，那么極有可能出現起動過程葉尖碰擦故障，在設計中應降低前支撐剛度，然而設計彈性油膜結構并不現實，通過選用合適橡膠圈則可輕量化解決該問題。當然，由于橡膠不耐磨，會老化，所以壽命也會受到影響限制。設計過程中對整機進行了臨界轉速測定，最終一階臨界實測35000rpm，二階臨界實測115400rpm，安全裕度達成設計要求。

五、結論

通過對某微型渦噴發動機結構設計研究，得出以下結論：

1）采用單元體設計、包絡隱藏式設計有助于輕量化設計;

2）采用燃滑油一體結構、電機一鍵啟動結構可簡化系統設計復雜度;

3）單級轉子結構聯結形式直接影響發動機輕量化程度，其支撐耐磨性與柔性矛盾往往成為微型渦噴輕量化設計的矛盾焦點，需要設計師從整機壽命及可靠性角度權衡決定。

參考文獻：

[1]李永生，李小柱，劉建國，等.渦噴發動機轉子溫差法裝配過盈量研究[J].彈箭與制導學報，2017，v.37;No.178（04）：183-186.

[2]劉倩，王洋洲，潘亮，等.預冷渦輪噴氣發動機氫燃料燃燒室仿真和試驗研究[J].熱能動力工程，2019，034（004）：40-48.

[3]熊恒，呂瓊瑩，謝緣，等.一英寸離心壓氣機測試實驗臺的設計與分析[J].新型工業化，2018，008（011）：12-17.

[4]黎明，吳二平，索建秦.微型渦噴發動機燃燒室的設計研究[J].航空動力學報，2009（6）.

[5]王磊，楊麗英，張宏達，等.渦噴發動機起動過程建模及時序仿真[J].系統仿真學報，2019，31（01）：82-88.

[6]汪文君，徐友良，吳雪蓓，等.基于增材制造的微型渦噴發動機輕量化設計及試驗[J].航空動力，2019（3）.