某微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

曹永華，朱閃閃，欒 飛，趙澤楷

（江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212134）

0 引言

常見(jiàn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)可分為渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)及渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)，后三種類型的發(fā)動(dòng)機(jī)是在渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，以達(dá)到不同的功率和效率。發(fā)動(dòng)機(jī)按其推力大小分為大型、中型、小型及微型等類型，推力小于100daN 的航空發(fā)動(dòng)機(jī)常稱為微型航空發(fā)動(dòng)機(jī)。微型航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸受到限制，結(jié)構(gòu)不宜復(fù)雜，所以微型渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)、微型渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)及微型渦輪軸發(fā)動(dòng)機(jī)都還沒(méi)有得到真正的使用，而微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)在各種軍用或民用無(wú)人機(jī)上使用，加之其成本較低，亦在不進(jìn)行回收循環(huán)使用的靶機(jī)、制導(dǎo)彈藥等裝備上廣泛使用。隨著多種飛行器對(duì)續(xù)航能力、機(jī)動(dòng)能力等性能的高要求，微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)憑借其航程遠(yuǎn)、推力大的優(yōu)勢(shì)受到越來(lái)越多的關(guān)注，在國(guó)內(nèi)外成為研究的熱點(diǎn)。

國(guó)外微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究早在上個(gè)世紀(jì)50 年代就開(kāi)始進(jìn)行，直至70 年代，微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)J402 使用于美國(guó)海軍最早設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的巡航導(dǎo)彈上，并獲得良好反響，至此奠定了微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的廣闊前景[1]；80 年代，微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研制趨于低成本化，Model305、WR1、WR2 型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)壓氣機(jī)及渦輪等核心機(jī)零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了推重比，至此微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)向著高性能、低成本的方向快速發(fā)展[2]。

國(guó)內(nèi)微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究起步較晚，上個(gè)世紀(jì)90 年代初期，西北工業(yè)大學(xué)微型航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究所自行設(shè)計(jì)和研制了我國(guó)第一臺(tái)微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)W2P-1，填補(bǔ)了我國(guó)在該領(lǐng)域研究的空白[3]。隨后中國(guó)人民解放軍總參謀部第六十研究所、中國(guó)航天科工集團(tuán)第三研究院、南京航空航天大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)或高校也在微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究，出現(xiàn)了CYS-40WP/-80WP、MTE-160 等型號(hào)的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)[4]，整體發(fā)展趨勢(shì)也是朝著高性能低成本的方向邁進(jìn)。

1 微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理及組成

與大型或中型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比而言，微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上趨于整體化，零件數(shù)量大幅減少，但不意味著工作原理也相應(yīng)的簡(jiǎn)化，與大發(fā)相同，微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)也是由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、尾噴管及附件組成，如圖1 所示。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)過(guò)程也是一樣，空氣自進(jìn)氣道進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)壓縮做功，形成高壓空氣進(jìn)入燃燒室與霧化或者汽化燃油摻混之后點(diǎn)火燃燒，形成高溫高壓的燃?xì)猓苿?dòng)渦輪盤(pán)旋轉(zhuǎn)以帶動(dòng)壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)，隨后在固定結(jié)構(gòu)的收斂型噴管內(nèi)繼續(xù)膨脹做功直至排出發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖1 微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

2 微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)既要滿足尺寸小的要求，又要兼顧壓氣機(jī)增壓比高的要求，相比于大發(fā)中多級(jí)軸流式壓氣機(jī)，微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中壓氣機(jī)常采用單級(jí)離心式壓氣機(jī)的結(jié)構(gòu)來(lái)控制壓氣機(jī)軸向長(zhǎng)度，同時(shí)單級(jí)離心式壓氣機(jī)在擴(kuò)散增壓和離心增壓兼顧作用下增壓比可達(dá)4 以上。離心葉輪的流動(dòng)特性影響壓氣機(jī)的壓比及效率，本文中壓氣機(jī)離心葉輪的設(shè)計(jì)采用主流葉片和分流葉片兼顧使用的方式進(jìn)行穩(wěn)定流場(chǎng)處理，如圖2 所示；微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中壓氣機(jī)靜子即擴(kuò)壓器的設(shè)計(jì)需要使得沿徑向流動(dòng)的氣流轉(zhuǎn)變?yōu)檠剌S向流動(dòng)，同時(shí)流動(dòng)過(guò)程中持續(xù)增壓，本文所設(shè)計(jì)的擴(kuò)壓器將徑擴(kuò)和軸擴(kuò)分開(kāi)，徑擴(kuò)和軸擴(kuò)流道都設(shè)計(jì)成擴(kuò)張通道，以實(shí)現(xiàn)減速增壓，如圖3 所示。徑擴(kuò)與軸擴(kuò)分開(kāi)可以大大減少加工難度，便于控制加工成本。

圖2 離心葉輪

圖3 擴(kuò)壓器

在擴(kuò)壓器徑擴(kuò)端面上設(shè)計(jì)螺紋安裝孔，用以與擴(kuò)壓器機(jī)匣裝配，螺紋孔的設(shè)計(jì)便于安裝與定心，同時(shí)通過(guò)緊固螺釘施加的預(yù)緊力能夠使得擴(kuò)壓器機(jī)匣與擴(kuò)壓器緊密貼合，減少不必要的軸向間隙泄漏，如圖4 所示。

圖4 擴(kuò)壓器與擴(kuò)壓器機(jī)匣的的裝配

2.2 燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)過(guò)程中要兼顧穩(wěn)定點(diǎn)火和安全燃燒[5]。

穩(wěn)定點(diǎn)火方面：微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)與大型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)相同，需要對(duì)壓氣機(jī)出口的氣流進(jìn)行減速，大型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)上常采用的方式有：漸擴(kuò)型火焰筒結(jié)構(gòu)、旋流器設(shè)計(jì)、霧化或汽化噴嘴等。微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒室設(shè)計(jì)時(shí)采用環(huán)形燃燒室結(jié)構(gòu)，同樣需要有擴(kuò)張的通道，如圖5 所示，從擴(kuò)壓器流出的氣流進(jìn)入燃燒室，流道面積顯著增大，氣流軸向速度可以進(jìn)一步減小，以便于點(diǎn)火；微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)燃燒室時(shí)，沒(méi)有足夠的空間設(shè)計(jì)精細(xì)的旋流器，本文設(shè)計(jì)時(shí)采用在火焰筒前端設(shè)計(jì)與火焰筒內(nèi)環(huán)相切的進(jìn)氣小管進(jìn)行氣流導(dǎo)向，形成旋流，使得氣流軸向速度減小，周向速度變大，如圖6 所示；本文微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中使用蒸發(fā)管燃油噴嘴，燃油管路供應(yīng)燃油進(jìn)入蒸發(fā)管，蒸發(fā)管受熱負(fù)載作用，使得液體燃油汽化形成蒸汽與氣流摻混，相比傳統(tǒng)霧化型噴嘴其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于裝配，如圖7。綜上所述，特定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的燃燒室能夠降低氣流流動(dòng)速度，增加流動(dòng)紊亂程度，加強(qiáng)氣流與汽化燃油的摻混，有利于可靠點(diǎn)火及穩(wěn)定燃燒。

圖5 流道變化示意圖

圖6 旋流產(chǎn)生示意圖

圖7 蒸發(fā)管燃油噴嘴

安全燃燒方面：微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比于大型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，沒(méi)有較為復(fù)雜的空氣系統(tǒng)進(jìn)行渦輪葉片等熱端零件的冷卻，所以需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中保留較大的安全裕度。本文中燃燒室火焰筒的設(shè)計(jì)采用鈑金成型技術(shù)，內(nèi)外環(huán)上均設(shè)計(jì)有氣流稀釋孔，通過(guò)等厚鋼板沖壓鈑金成型，如圖8。卷焊后內(nèi)外圈與火焰筒前壁點(diǎn)焊形成圖6 所示火焰筒結(jié)構(gòu)，在火焰筒內(nèi)部燃燒，火焰筒外部不斷有冷氣流進(jìn)入火焰筒，保證火焰不竄出火焰筒。燃燒室的壓力負(fù)載由發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣承擔(dān)，燃燒室的熱負(fù)載由火焰筒承擔(dān)，同時(shí)燃燒室出口冷卻氣流和高溫燃?xì)獾南♂寭交煲材鼙ＷC渦輪葉片不被燒壞。

圖8 火焰筒內(nèi)外圈成型過(guò)程

2.3 渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

因?yàn)槿紵以O(shè)計(jì)時(shí)已考慮到控制燃燒室排氣溫度，本文中關(guān)于微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中渦輪的設(shè)計(jì)采用單級(jí)軸流式渦輪，渦輪采用內(nèi)部實(shí)心結(jié)構(gòu)，相比大型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中的空心渦輪葉片而言，更加簡(jiǎn)單易加工，如圖9 所示。

圖9 渦輪盤(pán)結(jié)構(gòu)

2.4 其它零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)安全穩(wěn)定高效地工作，除了主要部件的合理設(shè)計(jì)之外，還需要附件系統(tǒng)的燃油供應(yīng)和滑油冷卻[6]。本文中采用燃油、滑油及點(diǎn)火油路一體化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)為油路匯集總環(huán)——油環(huán)，最大程度減小零件數(shù)量及體積，如圖10 所示。

圖10 油管管路設(shè)計(jì)

如圖11（a）、（b）所示，燃油進(jìn)入油環(huán)右邊凹槽內(nèi)后分別進(jìn)入滑油腔和燃油管，進(jìn)入滑油腔的燃油用于冷卻潤(rùn)滑，如圖12 所示，流經(jīng)滑油管后進(jìn)入前軸承，對(duì)其進(jìn)行潤(rùn)滑冷卻，集聚的燃油經(jīng)過(guò)軸套與軸之間的環(huán)形通道，再對(duì)后軸承進(jìn)行潤(rùn)滑冷卻，隨后排至渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)口處與燃?xì)饣旌先紵粓D11（c）所示燃油進(jìn)入油環(huán)左邊凹槽，則燃油流至點(diǎn)火器，進(jìn)行點(diǎn)火器噴油，之所以單獨(dú)留有點(diǎn)火器油路，是由于燃燒及潤(rùn)滑過(guò)程可以連續(xù)供油，而點(diǎn)火過(guò)程僅僅是一短暫瞬間，不需要連續(xù)供油。

圖11 油管管路設(shè)計(jì)

圖12 滑油潤(rùn)滑冷卻油路

3 結(jié)語(yǔ)

本文以微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)為主要研究方向，通過(guò)對(duì)目前微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)研究趨勢(shì)的調(diào)研，確定了微型渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易裝配為主要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，本文的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)亮點(diǎn)主要體現(xiàn)為：

（1）主/分流葉片離心葉輪設(shè)計(jì)提高壓比與流動(dòng)性能，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)；

（2）擴(kuò)壓器徑擴(kuò)與軸擴(kuò)分離簡(jiǎn)化加工，控制加工成本；

（3）鈑金成型、焊接等技術(shù)簡(jiǎn)化火焰筒結(jié)構(gòu)；

（4）氣流分股，冷熱摻混保證渦輪安全，以降低渦輪葉片結(jié)構(gòu)加工難度；

（5）緊湊型供油裝置的設(shè)計(jì)大大減小了發(fā)動(dòng)機(jī)的零件數(shù)量和體積。