涡轮喷气发动机制作图结构设计 .docx
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1、涡轮喷气发动机制作图结构设计注意事项:个人自制涡喷是一项能力挑战,不建议无机械基础及未成年人尝试!另外在此申明:本资料如用于商业产品开发,请自行解决相关版权。谢谢合作!另外,制作中一定要有安全意识,!切记与高速运转物体,与火打交道,安全第一!安全守则:涡喷的制作不同于其他模型,由于涡喷在高温与高速条件下工作如果你不想被当成烤鸭请注意下面的事项!1 .别被火喷成烤鸭,玩火要有科学知识指导。2 .涡轮定要作劫平衡才能用3 .无论如何不要在共公场合试发动机,很多人围观不是好事。4 .涡轮转速高达70000转每分以上,没机械基础不要去试!5 .发动机试运与工作中,永远不要站在涡轮的两侧正对位,以免涡轮
2、发生事故时,钢片高速飞出,象子弹一样,危及生命!特别提醒!做涡喷一定要有机加工与材料常识,了解金属,火灾,爆炸原理,等安全知识,安全第一。涡喷自制问题解答:1 :.发动机如何自己设计?到哪里找材料,价钱如何?模型用的发动机不是大的发动机的按比列缩小,任何试图这样做都很可能是失败。值得推荐的是英国人-KUrtSchreckling设计的FD3-64航模涡喷发动机的设计,开创了小型发动机设计先河,用一个简单方法制作的放射式压气机,环型燃烧室,一个用简单方法制做出来的涡轮,达到了良好的效果。他的理念已被最新改进的各种新的设计所证实,并且都是以他的设计为基础进行的提炼。数字显示,许多爱好者根据他的著作
3、理论,成功地将发动机用在了航模上。FDn09CI涡轮喷气发动机材料为不锈钢为主,材料成本很低,如果从材料本身的价值来说,以广州为例,也就100元上下,但由于个人爱好者,有些可能无机床,氢弧焊的话,到外面加工的人力成本会贵过材料费。但也无妨。再就是如果有认识不锈钢加工厂的话,找到边角料足矣做一台涡轮,如果你想省事些,可以用涡轮增压器上的压气轮来代替木头的压气轮。2 .涡轮容易加工吗,没专业设备如何做动平衡?涡轮是由型号为301,2.5mm不锈板剪口弯成,用一个小电钻配小砂轮可以打磨出翼型即可,关键的动平衡测试,记住这一点很重要!否则会导致发动机解体!是用我们的大拇指与食指来感觉振动。灵敏度相当高
4、。足以完成涡轮的动平衡调试。3 .散热与轴承问题压缩空气将穿过轴套为轴承提供冷却,轴承为简单的滚珠轴承,用自身的压缩空气压油提供油雾润滑。可以用透平油,或低粘度的机械润滑油。FD3-64的设计合理的利用压气机的空气,将温度控制在600度以下,从而保证各部件的强度。在运行中我们要注意发动机的温度不能超高微型涡喷发动机燃烧试验和零件研究摘要微型涡喷发动机具有重量轻、功率大、能量密度高的优点,在军、民领域都有广泛的应用前景。目前,微型涡喷发动机技术尚处于起步发展阶段,其总体及部件设计技术还有待进一步的发展和完善。本文以10厘米级微型涡喷发动机作为研究对象,根据现有实验条件,制作发劫机样机,并进行燃烧
5、试验和零件结构特点分析。通过制作10厘米级微型涡喷发动机,研究了微型涡喷发动机零件的制作方法,积累了零件加工的经验,也增强了动手实践的能力。对柴油、汽油和柴油汽油混合物这三种燃料进行燃烧试验,了解不同燃料的性质,比较不同燃料的燃烧效果,选取最合适燃料来驱动微型涡喷发动机。为了简化结构,本文中制作的10厘米级微型涡喷发动机以液化石油气作为燃料,在制作过程中,分阶段进行燃气试验。运用SoIidWorks软件的数值模拟功能,建立仿真模型,设置边界条件后,计算压气轮的增压比和效率。对微型涡喷发动机主要零件进行研究,分析压气轮、扩压器、燃烧室、涡轮等零件的结构特点。关键词:微型涡喷发动机;制作;燃烧;仿
6、真计算;结构特点MicroTurbineEngine,sCombustionTestAndPartsStudyABSTRACTMicroTurbineEnginewiththeadvantagesoflightweight,highpowerandhighenergydensity,hasbroadapplicationprospectsinthefieldofmilitaryandcivilian.Currently,thetechnologyofMicroTurbineEngineisstillintheinitialstageofdevelopment,anditsoverallandc
7、omponentdesignneedsfurtherdevelopmentandperfection.10-centimeter-levelMicroTurbineEngineistheresearchobjectofthispaper.Accordingtotheexistingexperimentalconditions,imakeamicroturbineengine,withdoingcombustionexperimentsandanalysisofthemainpartsstructuralfeatures.Throughtheproductionof10-Centimeter-I
8、evelmicroturbinejetengine,istudytheproductionmethodsoftheenginesparts,accumulatetheexperienceofthepartsprocessing,andenhancetheabilityofpracticing.Threekindsoffuelincludingdiesel,petrol,andthemixtureofdieselandpetrolaredidcombustionteststounderstandthenatureofthedifferentfuelsanddifferentfuelcombust
9、ion,inordertoselectthemostappropriatefueltodrivethemicroturbineengine.Inordertosimplifythestructure,produced10-centimeter-levelmicroturbineengineuseliquefiedpetroleumgasasfuel.Intheproductionprocessgascombustionexperimentsarecarriedoutinthreestages.IuseSoIidWorkssoftwarewithnumericalsimulationfuncti
10、ontocalculatetheefficiencyofthepressuregasturbine,andanalyzethecausesofloss.Ianalyzethestructurecharacteristicsofthemicroturbineenginesmainpartsincludingthepressuregasturbine,thediffuser,thecombustor,theturbineandsoon.Keyword:MicroTurbineEngine;production;combustion;numericalsimulation;structurechar
11、acteristics目录摘要4ABSTRAC.T51绪论81.1 选题背景和意义81.2 国内外技术研究与发展现状91.3 本文主要研究内容112微型涡喷发动机制作122.1 工作原理122.2 零件加工122.2.1 进气口132.2.2 压气轮132.2.3 扩压器142.2.4 轴和轴套142.2.5 外壳152.2.6 燃烧器152.2.7 燃烧室162.2.8 涡轮172.2.9 导流器182.2.10 导流锥182.2.11 后端盖192.3 整机组装192.4 本章小结213微型涡喷发动机燃料的燃烧试验223.1 燃油试验223.1.1 燃料为柴油223.1.2 燃料为柴油和汽
12、油混合物233.1.3 燃料为汽油233.2 燃气实验233.2.1 燃烧器制作完成后243.2.2 燃烧器与外缸配合243.2.3 燃烧器放入燃烧室内243.3 本章小结254压气轮仿真计算264.1 压气轮的结构264.2 压气轮模型和边界条件274.2.1 物理模型274.2.2 边界条件274.3 压气轮模拟结果分析284.4 本章小结295微型涡喷发动机主要零件的结构特点305.1 压气轮305.2 扩压器315.3 燃烧室315.4 涡轮325.5 导流器335.6 导流锥345.7 机匣355.8 轴承355.9 冷却系统365.10 本章小结365.11 375.12 385.
13、13 391绪论1.1 选题背景和意义近年来,随着微机电系统(MicroElectro-MechanicalSystems,MEM)S技术、新型半导体材料、陶瓷材料及其加工制造工艺、微型传感器、微电子控制单元等多个学科领域技术的迅速发展,各种航空器也迅速开始出现了微型化的趋势。微型飞行器具有许多优点:其噪声低、雷达反射信号小,因而隐蔽性好,可以完成多种任务,包括:战场侦察和监视目标确认、空中布雷、侦察大型建筑物和设施内部乃至攻击敌方重点敏感部位等。我国最近几年也对微型飞行器给予了很大的重视,开始了相关技术的研究。开展微型飞行器技术研究,需要解决的最为关键的技术之一就是高能量密度的微型动力装置的
14、研究。研究新型高能量存储密度、高功率重量比的动力装置是研制微型飞行器的首要任务。目前各种合适微型飞行器使用的能量储存介质中,化学燃料是能量储存密度最高的,可达到50KJg,是电池的100倍,虽然热机将化学能转变为机械能的效率较低,但是使用化学燃料的推进系统的折合能量储存密度按保守估计也将是电池的10倍以上。在普通尺寸的航空飞行器中,由于对推进系统功率重量比的迫切要求,人们首次研制出了涡轮喷气发劫机。所以,微型涡喷发动机(MiCrOTurbineEngine,MTE)是作为微型飞行器发动机最有希望的方案之一。MTE尺寸大致是普通涡轮发动机的1/1001/10,但是其推重比有显著提高。虽然微小尺度
15、下气劫损失、传热问题以及加工制造问题的影响会制约MTE达到理想的高性能,但是它在性能方面的潜力是非常巨大的。近几年,微型涡喷发动机技术得到了大力发展,并已进入学术界和产业界的合作阶段,正在开发各种面向军、民领域的产品。美国国防部预研计划局(DARP)于1997年制定了一项耗资3500万美元的计划,对微型飞行器的各项关键技术如:微型飞行器平台、微型推进系统、飞行/控制系统、传敏器技术等进行研究。其中重点支持开展直径介于5mm50mm推力在0.01100N之间的微型涡喷发动机相关技术研究,并计划在近一、两年内将此范围内的各个推力级别的微型涡喷发动机相关技术推进到样机实验阶段。微型涡喷发动机作为一种
16、特殊的航空发动机,广泛应用于无人机,巡航导弹以及航模等领域。它还可以作为将来的野战便携式能源,它体积小、重量轻,以加油的方式补充能源比充电更为方便快捷。另外在电力行业,近年来获得高度重视的分布式电源系统也以微型涡喷发动机为核心。微型涡喷发动机的结构特点和工作原理与常规的大型航空发动机基本类似,但是它在工作环境、使用要求等多方面都有别于大型发动机,具体表现在以下几点:1)采用两种燃料,主燃料为航空煤油,在燃烧室通过蒸发管气化燃烧,辅助燃料为易燃气体,如丙烷气,用于在起动时对燃油加热蒸发;2)起动过程比较复杂,需要协调点火控制、起动电机控制及燃料供给的时机;3)主燃油的供油压力不高,流量小,但控制
17、精度要求高;4)微型涡喷发动机的起动过程容易出现悬挂,起动供油规律的确定有难度等。因此微型涡喷发动机的控制系统不能完全照搬大型发动机的控制系统,有必要针对微型涡喷发动机控制技术开展扎实而细致地基础研究。1.2 国内外技术研究与发展现状微型涡喷发动机作为一个新兴的研究领域具有广阔的发展前景。身体结构相对纤细的昆虫能够举起相当于自身体重几十倍的重物,而最强壮的运动员也只能举起略大于其体重的物体,这是因为机械的功率重量比值是随着尺寸的缩小而增大的。同样微型发动机较常规发劫机尺寸有了较大幅度的减小,根据普惠公司给出的商用劫机推力密度与尺寸的关系,可以推断出微型涡喷发动机可以具有远高于常规发动机的推重比
18、。目前国内微型涡喷发动机的研究正处于起步阶段。上海交通大学针对微型涡喷发动机燃烧关键技术,开展微细异型腔内氢气与空气预混燃烧特性试验研究。测试了微细型腔中氢气与空气预混燃烧的着火浓度极限和燃烧温度变化规律,分析了微细型腔中保证燃气火焰稳定燃烧的工作条件和影响因素,认为在微细型腔内进行氢气与空气的预混燃烧具有可行性,但可燃浓度范围缩小,采用增压燃烧可有效地扩大着火浓度极限,提高燃烧稳定性。微型燃烧室为外径20mm内径10mm高3mm的环形腔,在燃烧室进口端设置一个直径20mm间隙Immfl勺气体预混腔。采用高温耐热合金钢以电火花工艺加工成型。国内目前对于微型发动机的研究还停留在理论阶段,和国外相
19、比还有较大勺差距121,这需要加大对于微型发动机勺研究力度,在世界微型发动机勺研究领域占有一席之地。国外已着手开展研究勺微型发动机尺寸差别很大,大致可以将它们按尺寸分为三类:1 )麻省理工学院的MTE接近纽扣大小,直径约为1厘米,厚度约0.4厘米,推力0.1N左右(见图1-1),技术特点为:以硅和氮化硅为主要结构材料;代表性制造工艺为反应离子蚀刻技术; 以氢为燃料,采用预先掺混的燃气.,整体式燃烧室,无冷却气流,燃烧温度为1600K; 转子转速高达100-200万转/分; 用途为微型飞行器动力、便携式能源。图1-1麻省理工的MTE2)斯坦福大学的MTE直径约4厘米,长度略大于发动机直径,推力约
20、5N(见图1-2),技术特点为: 以氮化硅陶瓷作为主要结构材料,代表性制造工艺为铸模沉积成型制造技术; 以氢为燃料,回流式燃烧室,有冷却气流,燃烧温度约为1600K; 采用单级离心式压气机,氮化硅陶鎏制作的单级向心涡轮; 转子转速达45万转/分,采用气膜轴承支承。 用途为微型飞行器动力、便携式能源。3)更大一些的MTE直10厘米左右,推力从5N1OON不等(见图13)。其技术特点为: 以铝、高温合金作为主要结构材料,采用常规发动机制造技术辅之以精密仪器制造技术; 以添加少量润滑油的航空煤油为燃料,燃烧温度11OOK左右;一般米用单级离心压气机和单级向心(或轴流式)涡轮,叶轮造型为三维设计; 转
21、子转速为10万转16万转/分,采用陶瓷滚珠轴承支承; 应用于微小型无人驾驶靶机、侦察机以及航模飞机中。图1310厘米级MTE虽然上述三类发动机的工作原理和设计思想基本相同,但在结构设计、加工制造工艺以及相关技术上的难度却是随着尺寸的减小而逐渐增大的。对于这三类微型发动机的研究,我国基本还处于起步阶段。1.3本文主要研究内容本文开展的工作主要针对10厘米级微型涡轮喷气发动机,进行了实际制作和理论分析,具体工作如下:1) 微型涡喷发动机的零件加工和组装;2) 微型涡轮发动机燃料的燃烧试验研究;3) 微型涡喷发动机压气轮的数值仿真和效率计算;4) 微型涡喷发动机主要零件的结构特点分析。2微型涡喷发动
22、机制作微型涡喷发动机的制作对加工工艺要求很高,我们利用现有资源,根据实验室实际条件,加工制作了10厘米级的微型涡喷发动机的试验样机。本章叙述了微型涡喷发动机的工作原理和样机制作过程。由于条件有限,所制作的微型涡喷发动机还不尽人意,但是为微型涡喷发动机的加工制作和结构研究提供了宝贵经验。2.1 工作原理图2-1是10厘米级微型涡喷发动机简单形式的典型结构。压气轮旋转,吸入空气,然后将其压缩,使空气压力升高。空气经过扩压器后,压力进一步升高,改变方向,流入燃烧室。在燃烧室内,喷入的燃料与空气混合后剧烈燃烧,燃烧后高温高压的烟气具有很大的做功能力。烟气流过导流器,冲击涡轮做功,涡轮通过轴传动带动压气
23、轮转劫。烟气释放出推动压气机叶轮所需的能量,剩余的能量使烟气加速到很高的速度,速度方向沿轴向,与飞行方向相反。根据动量守恒定理,微型涡喷发动机获得与排气方向相反的推动力air轮托弓枫范时片誉烘室白管图2-110厘米级微型涡喷发动机结构简图2.2 零件加工根据图纸和实际条件,我们加工了10厘米级微型涡喷发动机的主要零件,包括:进气口、压气轮、轴和轴套等。图2-2是进气口的设计图,进气口外侧轮廓为光滑弧线,实际加工过程中,为了加工方便,将外轮廓线加工成直线,如图2-3所示。进气口以直径11Om的铝棒为原料,切取适当长度的铝棒,在数控机床上加工而成。进气口内部流道为收缩一扩张型流道,它的作用是引导外
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