微型渦噴發(fā)動機總體綜合設計應用研究

陳敏澤，陳玉春，賈琳淵，2，黃新春，李孫洋

（1.西北工業(yè)大學 動力與能源學院，西安 710129）

（2.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所總體四部，沈陽 110015）

0 引 言

微型渦噴發(fā)動機是指推力100 daN以下的渦輪噴氣發(fā)動機，其具有功重比高、能量密度高、體積小、空域速域?qū)挼膬?yōu)點，可廣泛應用于軍用無人機、工業(yè)級無人機、通航飛機等平臺，還可以改裝為微型燃氣渦輪發(fā)電裝置以供使用。

目前國際市場上，軍用微型渦輪發(fā)動機廠家主要有美國威廉姆斯國際公司、美國特里達因/大陸發(fā)動機公司和法國微型渦輪發(fā)動機公司，民用微型渦輪發(fā)動機廠家主要有德國Jetcat公司和荷蘭AMT公司。近年來，在軍民融合的大背景下，我國也掀起了一股微型渦輪發(fā)動機研發(fā)的熱潮，研發(fā)單位既有科研院所和高校，如中國科學院工程熱物理所、解放軍總參謀部第六十研究所、北京動力機械研究所、中國航天科技集團公司四川航天特種動力研究所、西北工業(yè)大學、南京航空航天大學；也有民營企業(yè)，如臺灣Kingtech公司、保定市玄云渦噴動力設備研發(fā)有限公司等。

國外，Z.Habib等對使用生物燃料的微型渦噴發(fā)動機性能進行了分析；A.Romier對 使 用 間冷的微型燃氣輪機設計技術進行了研究；C.Rodgers研究了微型渦輪發(fā)動機的尺寸效應影響，采用離心渦輪對循環(huán)性能影響進行了分析；G.Lagerstr?m等對微型燃氣輪機的高效率及成本進行了權衡設計。國內(nèi)，劉源等、蘇三買等、郭淵等總結了微型渦噴發(fā)動機的技術難點；馬東陽、申濤對微型渦噴發(fā)動機的控制規(guī)律設計開展了研究與探討；黃治國等對微型渦噴發(fā)動機的總體結構設計技術進行了研究。國內(nèi)對微型渦噴發(fā)動機整機建模技術也開展了一些研究，如李穎杰等以地面試驗數(shù)據(jù)為基礎，建立了從發(fā)動機轉速到推力的模型，并對模型進行了驗證；崔鑫基于微型渦噴發(fā)動機研究數(shù)學模型的建立、氣路部件和傳感器故障的診斷與區(qū)分，并設計進氣道堵塞故障臺架試車試驗，對氣路部件故障診斷算法進行了驗證。

綜上所述，目前尚未形成針對微型渦輪發(fā)動機的總體設計方法。現(xiàn)階段國內(nèi)微型渦輪發(fā)動機研發(fā)通常有兩種方式，一是仿制已有的產(chǎn)品；二是以渦輪增壓器的葉輪為基礎進行選型適配。研發(fā)過程缺乏理論指導和數(shù)據(jù)庫支撐，使得研發(fā)成功率低、產(chǎn)品的可靠性低、性能欠佳。

R.J.Pera、P.L.Hale、E.Filinov等系統(tǒng)地提出并發(fā)展了適用于航空發(fā)動機設計階段基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)的尺寸與重量估算方法，為發(fā)動機尺寸與重量估算方法指引了方向。郭淑芬等、張韜等研究了渦軸與變循環(huán)發(fā)動機的重量估算方法，從各部件的角度對重量估算進行了分析；周新新等、張少鋒等從總體綜合設計角度出發(fā)，提出了集發(fā)動機總體性能設計、尺寸流路計算、部件重量預估和部件氣動設計為一體的總體綜合設計方法。

基于上述研究，本文采用大型航空發(fā)動機的綜合設計方法，建立微型渦噴發(fā)動機綜合設計數(shù)據(jù)庫，獲取微型渦噴發(fā)動機設計準則，在此基礎上進行16 kgf級微型渦噴發(fā)動機的總體綜合設計。

1 綜合設計數(shù)據(jù)庫的建立

微型渦噴發(fā)動機總體綜合設計方法的流程如圖1所示。首先需要搜集典型的微型渦噴發(fā)動機的性能和結構數(shù)據(jù)資料；然后通過測量發(fā)動機實物或者結構圖獲得流路結構參數(shù)，并通過評估計算獲得性能和部件設計參數(shù)；其次按照一定的描述方式對獲得的數(shù)據(jù)進行整理或圖形化顯示，形成發(fā)動機綜合設計數(shù)據(jù)庫；接著是最為關鍵的一步，從數(shù)據(jù)庫中提取設計準則；最后利用這些設計準則來指導發(fā)動機總體性能和尺寸流路方案設計。雖然文獻［20-21］中已經(jīng)給出了渦軸發(fā)動機的尺寸重量數(shù)據(jù)庫，但是微型渦噴發(fā)動機部件參數(shù)與循環(huán)參數(shù)范圍有所不同，因此必須建立微型渦輪發(fā)動機的綜合設計數(shù)據(jù)庫，以獲得其設計準則。

圖1 微型渦噴發(fā)動機綜合設計流程Fig.1 Turbine engine integrated design process

本文通過對10款微型渦噴發(fā)動機實物進行測量，獲得微型渦噴發(fā)動機離心壓氣機、渦輪等關鍵部件的尺寸及重量參數(shù)；并對發(fā)動機進行綜合評估，得到發(fā)動機性能參數(shù)、離心壓氣機出口外徑、葉尖速度、比轉數(shù)、渦輪載荷系數(shù)稠度、渦輪出口載荷系數(shù)Y、渦輪出口應力特征值等結構及強度參數(shù)的數(shù)據(jù)庫。所評估的微型渦噴發(fā)動機型號如表1所示。由于發(fā)動機參數(shù)與發(fā)動機推力存在顯著的關系，因此數(shù)據(jù)庫描述為綜合設計參數(shù)與發(fā)動機推力的關系。

表1 本文評估的10款微型渦噴發(fā)動機參數(shù)Table 1 List of 10 assessment microturbine engine

1.1 性能數(shù)據(jù)庫

發(fā)動機性能數(shù)據(jù)庫是發(fā)動機綜合設計數(shù)據(jù)庫的一部分，主要包含發(fā)動機性能參數(shù)、部件參數(shù)與循環(huán)參數(shù)等。通過發(fā)動機總體性能計算獲得發(fā)動機熱力循環(huán)參數(shù)，較高的熱力循環(huán)參數(shù)（總壓比、渦輪前溫度），可以獲得較高的性能以及較高的轉速，降低發(fā)動機外廓尺寸，減輕重量，從而提高公重比。同時，總壓比增加，級數(shù)一定的情況下，單級壓比增加，進口葉尖速度增加，氣動負荷增加，效率隨之降低；并且高的轉速會導致部件強度負荷增加。由此可見，總體性能計算獲得的熱力循環(huán)參數(shù)將影響發(fā)動機的尺寸與重量，最終影響發(fā)動機的性能。康瑞元已經(jīng)給出了較為完善的微型渦輪發(fā)動機性能數(shù)據(jù)庫，本文在評估微型渦輪發(fā)動機性能時參考了該數(shù)據(jù)庫，這里不再贅述。本文重點介紹尺寸與重量以及各部件設計參數(shù)數(shù)據(jù)庫。

1.2 離心壓氣機葉輪數(shù)據(jù)庫

微型渦噴發(fā)動機通常采用單級離心壓氣機。離心壓氣機葉輪數(shù)據(jù)庫描述的是離心壓氣機設計參數(shù)（進出口直徑比/、輪轂比/、反力度、離心葉輪出口外徑、葉尖切線速度、離心葉輪壓比、比轉數(shù)、離心葉輪出口葉尖補償速度Δ）與發(fā)動機推力之間的關系，如圖2所示。

圖2 離心壓氣機結構及評估參數(shù)隨發(fā)動機推力的變化趨勢圖Fig.2 Trend chart of the change of centrifugal compressor structure and evaluation parameters with engine thrust

從圖2（a）～圖2（d）可以看出：隨著發(fā)動機推力的增大，離心壓氣機進出口直徑比在0.65～0.75之間，離心壓氣機進口輪轂比在0.25～0.35之間，離心壓氣機反力度在0.6～0.7之間；同時，隨著推力的不斷增大，離心壓氣機進出口直徑比、進口輪轂比與反力度呈現(xiàn)不斷減小的趨勢；離心壓氣機出口外徑與發(fā)動機推力成線性關系，推力增大，離心壓氣機外徑的尺寸增大。

從圖2（e）～圖2（f）可以看出：微型渦噴離心壓氣機的出口葉尖線速度與壓比隨著推力增大迅速增大；當發(fā)動機推力大于40 kgf時，隨著推力的增大，離心壓氣機出口葉尖線速度和壓比增大趨勢減緩，亦可說明發(fā)動機的壓比與其葉尖速度具有同步關系。

從圖2（g）～圖2（h）可以看出：微型渦噴離心壓氣機的比轉數(shù)與出口葉尖補償速度隨著推力增加先增大后迅速減小，當發(fā)動機推力約大于30 kgf時，隨推力的增大，離心壓氣機的比轉數(shù)緩慢減小，離心壓氣機出口葉尖速度補償值亦基本為零；微型渦噴發(fā)動機離心壓氣機進口馬赫數(shù)在0.35～0.45之間。

離心壓氣機葉尖線速度及外徑隨壓比的變化趨勢圖如圖3所示，圖3（a）中黑色曲線為WATES公布的航空發(fā)動機離心壓氣機壓比/葉尖線速度擬合曲線，紅色曲線為8款微型渦噴發(fā)動機（40 kgf除外）離心壓氣機壓比/葉尖線速度擬合曲線。

圖3 離心壓氣機葉尖線速度及外徑隨壓比的變化趨勢圖Fig.3 Trend chart of the blade tip linear velocity and outer diameter of centrifugal compressor with pressure ratio

從圖3可以看出：隨著發(fā)動機壓比的升高，微型渦噴發(fā)動機擬合曲線不斷接近WATES公布的擬合曲線，主要是因為微型渦噴發(fā)動機尺寸效應的影響，微型渦噴發(fā)動機離心壓氣機外徑尺寸小，效率低，因此達到同等壓比下需要更高的葉尖速度；離心壓氣機外徑尺寸與壓比呈指數(shù)變化趨勢，因此，提高一定的壓比要求離心壓氣機外徑尺寸呈指數(shù)級增大，將會導致發(fā)動機的尺寸及重量同比增大。隨著推力的增大，微型渦噴發(fā)動機的壓比最大僅能達到4，提高微型渦噴發(fā)動機的壓比是微型渦噴發(fā)動機增大推力設計的關鍵。

1.3 燃燒室數(shù)據(jù)庫

微型渦噴發(fā)動機通常采用帶蒸發(fā)管的環(huán)形燃燒室，其設計數(shù)據(jù)庫中主要包含主燃區(qū)和旁路區(qū)的馬赫數(shù)，如圖4所示，可以看出：燃燒室主燃區(qū)馬赫數(shù)在0.03左右，旁路區(qū)馬赫數(shù)在0.65～0.85之間。

圖4 燃燒室結構及評估參數(shù)隨發(fā)動機推力的變化趨勢圖Fig.4 Trend chart of combustion chamber structure and evaluation parameters with engine thrust

1.4 軸流渦輪數(shù)據(jù)庫

微型渦噴發(fā)動機通常采用單級軸流或者徑流式渦輪。渦輪的數(shù)據(jù)庫描述為渦輪的特征參數(shù)即葉片展弦比、稠度、輪轂比、出口馬赫數(shù)、中徑速度比、渦輪出口載荷系數(shù)、渦輪出口應力特征值與發(fā)動機推力之間的關系，如圖5所示。

圖5 渦輪結構及評估參數(shù)隨發(fā)動機推力的變化趨勢圖Fig.5 Trend chart of turbine structure and evaluation parameters with engine thrust

從圖5（a）～圖5（c）可以看出：隨著發(fā)動機推力的增大，渦輪葉片展弦比在0.15～0.25之間，渦輪葉片稠度在0.73～0.99之間，渦輪葉片輪轂比在0.48～0.72之間。從圖5（d）～圖5（f）可以看出：隨著發(fā)動機推力的增大，渦輪葉片出口馬赫數(shù)在0.32～0.68之間，渦輪中徑速度比在0.6～1.1之間，渦輪載荷系數(shù)在0.13～3.0之間。從圖5（g）可以看出：隨著發(fā)動機推力的增大，渦輪出口應力特 征 值值 在30×10～48×10m·rad/s之間，特別是40 kgf兩款微型渦噴發(fā)動機的渦輪出口值達到了48×10m·rad/s，超過了傳統(tǒng)大中型渦輪發(fā)動機渦輪出口上限值34.38×10m·rad/s（超出限制值40%）。

1.5 外形尺寸數(shù)據(jù)庫

為了獲得發(fā)動機外形尺寸（直徑）數(shù)據(jù)庫，搜集與整理國內(nèi)外4個品牌系列33款微型渦噴發(fā)動機的外廓尺寸資料，如圖6所示。

圖6 微型渦噴發(fā)動機最大直徑隨推力的變化Fig.6 The maximum diameter of a micro turbojet engine changes with thrust

從圖6可以看出：隨著推力的增大，發(fā)動機的直徑也隨之增大，但是也存在特殊情況，如Jetcat、Kingtech部分發(fā)動機直徑一致，但是推力卻不同，如表2所示。

表2 部分Jetcat公司、Kingtech公司發(fā)動機參數(shù)統(tǒng)計Table 2 Jetcat and Kingtech Engine parameter

產(chǎn)生該差異的原因主要有兩方面：（1）通過增大離心壓氣機外徑尺寸，壓比升高，發(fā)動機的推力增大，例如King Tech 3款發(fā)動機型號直徑一致，隨著轉速從143 000 rpm下降至140 000 rpm，推力卻從80 kfg增加至120 kfg，即轉速下降了2%，推力卻提高了50%；（2）通過提高發(fā)動機轉速，提高了發(fā)動機的推力，例如Jetcat P80-SE與P90-RXI-B兩款發(fā)動機直徑一致，隨著轉速從125 000 rpm升高至130 000 rpm，推力從97 kfg增加至105 kfg，即轉速升高了4%，推力提高了8%。隨著發(fā)動機設計、加工、制造技術水平的不斷提升，同一直徑尺寸的微型渦噴發(fā)動機的推力還有一定的提升空間。

1.6 材料數(shù)據(jù)庫

通過對表1所列出的微型渦噴發(fā)動機進行發(fā)動機拆解和測量，獲取各個關鍵部件的材料信息，對微型渦噴發(fā)動機各個部件的材料進行整理分析，如表3所示。

表3 微型渦噴發(fā)動機部件材料Table 3 Micro turbojet engine component materials

2 綜合設計準則

通過對上述微型渦噴發(fā)動機綜合數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行分析，結合大中型航空發(fā)動機設計準則經(jīng)驗，對微型渦輪發(fā)動機的氣動、強度、結構準則進行修正，得到微型渦噴發(fā)動機的總體結構設計準則，如表4所示。

表4 微型渦噴發(fā)動機總體結構設計準則Table 4 Structure design criteria of micro turbojet engine

3 16 kgf渦噴發(fā)動機總體設計

為了驗證微型渦噴發(fā)動機總體綜合設計方法的可行性和上述設計準則的準確性，本文以16 kgf級微型渦噴發(fā)動機為對象，開展總體綜合設計，并形成總體設計方案。

3.1 總體性能設計方案

在微型渦噴發(fā)動機總體綜合設計過程中，首先進行發(fā)動機性能方案設計。方法是根據(jù)發(fā)動機的推力從性能數(shù)據(jù)庫中進行插值，選取合適的發(fā)動機部件參數(shù)及循環(huán)參數(shù)。采用該方法既可以減少發(fā)動機設計迭代次數(shù)，也保證了設計參數(shù)的合理性。本文設計的16 kgf微型渦噴發(fā)動機設計參數(shù)與性能計算結果如表5所示。

表5 16 kg微型渦噴發(fā)動機設計參數(shù)與性能計算結果Table 5 The result of preliminary design parameters and performance calculation for 16 kg micro turbojet engine

考慮到現(xiàn)有微型渦噴發(fā)動機制約壽命的關鍵問題是軸承部件壽命，為了延長微型渦噴發(fā)動機的壽命，加強軸承部件的冷卻，將12.5%的燃油和潤滑油混合物用作發(fā)動機軸承潤滑冷卻。

3.2 綜合設計方案

微型渦噴發(fā)動機主要包含進氣道、離心壓氣機、擴壓器、燃燒室、渦輪導向器、渦輪、尾噴管、軸及軸套等部件。微型渦噴發(fā)動機均采用單轉子結構布局，采用0-2-0的轉子支撐方式。

將發(fā)動機性能方案確定的各部件氣流參數(shù)（主要是各部件重要截面的氣動熱力參數(shù)）、部分發(fā)動機特征尺寸作為發(fā)動機尺寸與重量計算程序的輸入，預選發(fā)動機各轉子部件的氣動（風扇/壓氣機葉尖速度、進出口馬赫數(shù)等）、結構（輪轂比等）、強度（輪盤許用應力）和材料密度等輸入?yún)?shù)。采用綜合設計方法計算，獲得發(fā)動機較詳細的各部件流道尺寸與部件重量預估、強度校核的結果，設計準則的滿足情況等。按部件給出相關的氣動、結構和強度參數(shù)結果如表6～表7所示。

表6 離心壓氣機的氣動/結構/強度輸入?yún)?shù)Table 6 Aerodynamics/structure/strength input parameters of centrifugal compressor

表7 渦輪的氣動/結構/強度輸入?yún)?shù)Table 7 Aerodynamics/structure/strength input parameters of turbine

通過發(fā)動機尺寸與重量的計算程序，可以得出各部件的特征尺寸，如離心壓氣機內(nèi)外徑和軸向長度，燃燒室內(nèi)外殼體的徑向尺寸和長度，渦輪的進出口直徑和軸向尺寸等。發(fā)動機在子午面的流路圖，如圖7所示。

圖7 16 kgf微型渦噴發(fā)動機流路圖Fig.7 16 kgf micro turbojet engine flow diagram

經(jīng)評估該16 kgf微型渦噴發(fā)動機總體尺寸為：直徑109 mm，長度214 mm，總重1.635 kg，發(fā)動機的推重比為9.937。

發(fā)動機流道尺寸與重量計算程序還可以對關鍵部件的重量進行預估，微型渦噴發(fā)動機關鍵部件重量預測結果和重量分布圖如表8和圖8所示，總重1.635 kg。16 kgf微型渦噴發(fā)動機離心壓氣機和渦輪的重要參數(shù)評估設計結果如表9所示，其結果均在相關范圍值內(nèi)，符合設計要求。

表8 微型渦噴發(fā)動機關鍵部件質(zhì)量Table 8 Components weight of micro turbine engine

圖8 微型渦噴發(fā)動機方案質(zhì)量分布圖Fig.8 Weight distribution diagram of micro turbojet engine

表9 重要參數(shù)評估設計結果Table 9 Calculation results of important evaluation parameters

4 結 論

（1）渦輪發(fā)動機總體綜合設計方法適用于微型渦噴發(fā)動機總體方案設計，該方法能夠快速獲得較為可信的微型渦噴發(fā)動機總體設計方案。

（2）微型渦噴發(fā)動機設計參數(shù)和設計準則與大中型渦輪發(fā)動機存在一定的差異，針對微型渦噴發(fā)動機建立總體綜合設計數(shù)據(jù)庫，可以為其總體設計提供準則，提高總體方案設計的效率和可信度。

（3）按照本文應用的設計方法和提出的設計準則獲得的16 kgf級微型渦噴發(fā)動機的設計轉速為114 480 r/min，總重為1.635 kg，最大外徑為0.109 m，推重比為9.937，設計參數(shù)符合微型渦噴發(fā)動機參數(shù)分布規(guī)律。