一种微型涡喷发动机结构的设计研究
1绪论
1.1  概述
近年来，随着微机电系统技术、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、通讯传播、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。我国国防部门在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动力装置的研究。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当务之急。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，可到50KJ/g，是电池的100倍，虽然热机将化学能转变为机械能的效率低，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领域中，正是对推进系统功率重量比的迫切要求使人们首次研制出了涡轮喷气发动机。所以，微型涡轮喷气发动机(Micro Turbine Engine,MTE)是满足微型飞行器最有希望的方案之一。微型涡轮喷气发动机尺寸大致是普通涡轮发动机的1/100～1/10，其推重比有显著提高。
虽然微小尺度下气动损失、传热问题以及加工制造问题的影响会制约微型涡轮喷气发动机达到理想的高性能，但是它性能方面的潜力是非常巨大的。
作为微型飞行器关键技术之一的微型涡轮喷气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，开发面向各种应用目标的产品。美国国防部预研计划局（DARPA）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、传感器技术等进行研究[1]。其中小尺寸动力系统计划，重点支持开展直径介于5mm～50mm，推力在0.01～10daN之间的微型涡轮喷气发动机相关技术研究[2-5]，并计划在近一、两年内将在此范围内的各个推力级别的微型涡轮喷气发动机相关技术推进到样机实验阶段。除了作为微型飞行器的动力外，微型涡轮喷气
发动机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和快捷。
1.2  国内外技术研究与发展现状
微型涡轮喷气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缩小的比值增大的。同样微型发动机较常规发动机尺寸有了较大幅度的减
小，根据普惠公司给出的商用发动机推力密度与尺寸的关系，可以推断出微型化的涡喷发动机可以具有远比常规发动机高的推重比。
目前国外已着手开展研究的微型发动机尺寸差别很大，大致可以将它们分为三类：
发动机型号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：
①以硅和氮化硅为主要结构材料；
②代表性制造工艺为反应离子蚀刻技术；
③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；
④转子转速高达100～200万转/分；
⑤用途为微型飞行器动力、便携式能源。
图1.1麻省理工的微型涡轮喷气发动机
2）斯坦福大学的微型涡轮喷气发动机直径约4厘米左右，长度略大于发动机直径，推力约为5N[6-7] (见图1.2)，技术特点为：
①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；
②以氢为燃料，回流式燃烧室，有冷却气流，燃烧温度约为1600K；
③采用单级离心式压气机，氮化硅陶瓷制作的单级向心涡轮；
④转子转速达45万转/分，采用气膜轴承支承。
⑤用途为微型飞行器动力、便携式能源。
图1.2  斯坦福大学的微型涡轮喷气发动机
3）更大一些的MTE，直径10厘米左右，推力从5N~100N不等[8-9] (见图1.3)。目前已有大学和公司研制出了产品，见表1.1，其技术特点为：
①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；
②以添加少量润滑油的航空煤油为燃料，燃烧温度1100K左右；
③一般采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；
④转子转速为8万转～16万转/分，采用陶瓷滚珠轴承支承；
⑤应用于微小型无人驾驶靶机、侦察机以及航模飞机中。
图1.3  10厘米级微型涡轮喷气发动机
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，航空发动机微型化研究起步较晚，研究的单位也相对较少。北航从1999年以来开展了微型发动机的研究与设计工作，到2003年初已经基本完成了设计点推力为10Kg量级的微型涡喷发动机的
设计工作，2005年珠海航展上有成品展出（见图1.4）。南航和西工大近几年也在从事相关的研究工作，国内其它公司也有涉足此领域。但从总的来看，不管是尺寸大些还是小些的微涡喷，它的的工作原理都相同，内部总体布局也大体一致，但其加工制造的工艺方法各有所长，所掌握消化的技术也有差距，产品的性能也就存在着差别。但不管怎么讲，降低油耗、增加推重比、延长寿命、完善控制和检测系统仍是当今国内外研究部门的努力方向。
图1.4 北航推力为10Kg量级的微型涡轮喷气发动机
表1.1国外常见微型发动机型号参数
1.3本文主要研究内容
本文开展的工作主要针对微型涡轮喷气发动机的压气机、燃烧室、涡轮等核心部件的结构设计、发动机转子动力学特性等方面进行，具体如下：
1、跟踪并消化当今国内外微型涡喷发动机设计制造的相关技术；
2、对发动机进行总体设计及热力计算；
3、重点对压气机、涡轮、燃烧室等核心部件进行设计并分析；
4、进行微型涡喷发动机主要零部件的图纸设计；
5、设计一个简易的发动机试车台架及发动机相关的辅助系统；
6、总结展望。