微型渦輪發(fā)動機(jī)的設(shè)計與應(yīng)用分析

摘要：微型渦輪發(fā)動機(jī)是基于大、中型發(fā)電機(jī)所提出來的概念，相比于大、中型發(fā)動機(jī)的大功率、大體積，微型渦輪發(fā)動機(jī)在體型上比較小、重量較輕、攜帶方便，能夠滿足移動設(shè)備的能源需求，在當(dāng)今甚至是未來都會是許多戶外工作項(xiàng)目的必備機(jī)器。文章從微型渦輪發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)以及其應(yīng)用實(shí)例分析為切入點(diǎn)，討論微型渦輪發(fā)動機(jī)的相關(guān)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：微型渦輪發(fā)動機(jī)；發(fā)動機(jī)設(shè)計；發(fā)動機(jī)應(yīng)用

中圖分類號：V235 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）01-0010-02

在許多需要使用到微型渦輪發(fā)動機(jī)的地方，對發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)要求比較嚴(yán)格，特別是發(fā)動機(jī)既要滿足工作項(xiàng)目的功率要求，又要滿足輕便易攜帶的要求，這一直是微型渦輪發(fā)動機(jī)的設(shè)計難點(diǎn)。要讓微型渦輪發(fā)動機(jī)真正發(fā)揮其獨(dú)有的作用，對發(fā)動機(jī)本身的設(shè)計就要格外注意，從多個影響因素去綜合考慮，確保微型渦輪發(fā)動機(jī)在不失去本身優(yōu)點(diǎn)的同時能夠彌補(bǔ)自身缺點(diǎn)。

1 微型渦輪發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)

微型渦輪發(fā)動機(jī)在整體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上相較于普通的大、中型發(fā)動機(jī)要簡單一些，在縮小了一些必要零件尺寸的基礎(chǔ)上精簡了一些不必要的零件，最大程度地減輕了發(fā)動機(jī)的重量。同時，也由于零件結(jié)構(gòu)的簡化，微型渦輪發(fā)動機(jī)的正常工作成為了設(shè)計的難點(diǎn)，需要從各方面影響工作的因素去考慮，盡量滿足發(fā)動機(jī)的正常工作需求。

1.1 發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的設(shè)計

發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是其能夠正常工作的基礎(chǔ)，所有的發(fā)動機(jī)在設(shè)計的時候都需要首先保證各部位的零件之間嵌合足夠穩(wěn)定。在發(fā)動機(jī)的工作過程中，對其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性考驗(yàn)最大的就是工作過程中產(chǎn)生的震動，特別是微型渦輪發(fā)動機(jī)的各個零件尺寸都相對較小，在整體結(jié)構(gòu)上有所簡化，就更容易受到工作振動的影響了。

這種工作中的振動來源是發(fā)動機(jī)內(nèi)燃燒反應(yīng)所引起的振動，進(jìn)而影響到整個機(jī)身。這種連鎖反應(yīng)帶來的整機(jī)振動在機(jī)身重量輕、機(jī)體材料薄的情況下表現(xiàn)得最為明顯。要控制這種振動反應(yīng)，最好的方法就是加強(qiáng)機(jī)身一體化的運(yùn)用，在選擇裝機(jī)零件的時候盡量選擇剛性高、較輕巧、機(jī)體結(jié)構(gòu)一體化鑄造的材料。盡量減少零件之間的拼接，即使在拼接時也要保證接口的穩(wěn)定。還可以對內(nèi)壁與尾噴管采用緩震設(shè)計，將振動的力度通過特殊的結(jié)構(gòu)分散開。

1.2 發(fā)動機(jī)工作溫度的控制設(shè)計

對發(fā)動機(jī)溫度的控制是在設(shè)計發(fā)動機(jī)時考慮得最多的問題，因?yàn)榘l(fā)動機(jī)內(nèi)有些部位的工作產(chǎn)熱，而有些部位的工作并不產(chǎn)熱，所以一般的發(fā)動機(jī)常常會出現(xiàn)局部溫度過高的情況。長期的零件溫度過高甚至還會引起發(fā)動機(jī)的材料發(fā)生損傷、變形、過早老化等故障，甚至直接影響到發(fā)動機(jī)的安全反應(yīng)工作，波及到周圍的正常工作進(jìn)行。

為了減小這種局部熱力影響，在不能留有葉片膨脹間隙的基礎(chǔ)上，可以在導(dǎo)向葉片的內(nèi)外環(huán)之間設(shè)計一個人為的斜角，在渦輪工作的時候，這個人為設(shè)計的傾斜角就可以使內(nèi)外環(huán)實(shí)現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動，降低熱應(yīng)力，防止材料變形。

一般的微型渦輪發(fā)動機(jī)的工作結(jié)構(gòu)設(shè)計原理都是類似的，包括了燃燒裝置、渦輪裝置、排氣裝置等主要工作部分，其工作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1

從圖1中可以看出，微型渦輪發(fā)動機(jī)的零件尺寸都比較小，包括管道與葉片以及外殼都需要采用高強(qiáng)度的材料制作。在制作微型渦輪發(fā)動機(jī)的時候，由于零件較為微小，所以一般采用零件之間的焊接操作，正確的方法就如上文所提到的采用一體化鑄造的結(jié)構(gòu)，減少零件之間的連接。如果需要對零件進(jìn)行焊接的話，則盡量采用高精度的電焊技術(shù)，用精細(xì)到μm的焊接操作保障發(fā)動機(jī)的制作質(zhì)量。

2 微型渦輪發(fā)動機(jī)的應(yīng)用范圍

微型渦輪發(fā)動機(jī)作為發(fā)動機(jī)中攜帶極為方便、動力較好的一類，在當(dāng)今的一些特定領(lǐng)域以及未來科研發(fā)展中具有非常高的應(yīng)用價值。由于一般的微型渦輪發(fā)動機(jī)的推動力最高可以達(dá)到100㎏，所以一般的運(yùn)行動力在100㎏以下的便攜設(shè)備都需要用到微型渦輪發(fā)動機(jī)。根據(jù)工作設(shè)備的使用目的來劃分，微型渦輪發(fā)動機(jī)的應(yīng)用主要包括以下四個方面：

2.1 在機(jī)器模型上的應(yīng)用

在各種大型機(jī)器模型上的應(yīng)用是現(xiàn)今的微型渦輪發(fā)動機(jī)應(yīng)用得最廣泛的一類，許多相關(guān)模型的運(yùn)轉(zhuǎn)都需要依靠微型渦輪發(fā)動機(jī)來提供動力。常見的模型包括航天飛機(jī)、潛艇、輪船、汽車以及一些重型機(jī)械設(shè)備等等。特別是對于許多航模愛好者來說，微型渦輪發(fā)動機(jī)更是一種具有能夠?yàn)轱w機(jī)提供飛行動力的必要設(shè)備。另外，在一些科學(xué)勘測中，也會用到航天飛機(jī)模型或者潛艇模型來進(jìn)行危險地區(qū)的勘探工作，在這其中微型渦輪發(fā)動機(jī)起著非常核心的作用。

2.2 在軍事設(shè)備上的應(yīng)用

目前最尖端的微型渦輪發(fā)動機(jī)基本上都應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，其參數(shù)是各國軍事發(fā)展的機(jī)密。目前在軍事中應(yīng)用得最為普遍的一種就是作為導(dǎo)彈的推動力，這種微型渦輪發(fā)動機(jī)的動力通常偏大，大多為60㎏以上的推力，并且材料質(zhì)量與設(shè)計結(jié)構(gòu)上都相較于一般的微型渦輪發(fā)動機(jī)更加完美。而在未來軍事領(lǐng)域的研究中，微型渦輪發(fā)動機(jī)還被應(yīng)用于無人機(jī)的飛行，為無人機(jī)提供持續(xù)的動力。將其應(yīng)用到無人機(jī)飛行領(lǐng)域，就對發(fā)動機(jī)本身的動力有了更加嚴(yán)格的要求，在動力的研究上面還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

2.3 在小型機(jī)車上的應(yīng)用

微型渦輪發(fā)動機(jī)在這方面的應(yīng)用主要流行于一些機(jī)車愛好者當(dāng)中，許多人為了追求行駛的速度而在機(jī)車上安裝微型渦輪發(fā)動機(jī)。這類發(fā)動機(jī)的動力通常也比較大，大約在幾十kg的水平，最基本的動力要求就是對機(jī)車的行駛速度有顯著的提升作用。

2.4 在小型元件上的應(yīng)用

微型渦輪發(fā)動機(jī)在小型元件上也能發(fā)揮非常大的作用，一些需要外出攜帶的小型設(shè)備，其動力源泉就是來自于微型渦輪發(fā)動機(jī)。通常該領(lǐng)域中使用的發(fā)動機(jī)需求動力并不高，大約為幾kg的水平，只要發(fā)動機(jī)能夠達(dá)到安全、穩(wěn)定、便攜的要求就可以了。

3 微型渦輪發(fā)動機(jī)的應(yīng)用實(shí)例

一般對于普通大眾來說，對微型渦輪發(fā)動機(jī)應(yīng)用得最為廣泛的就是機(jī)械模型領(lǐng)域了。比如說航天飛機(jī)模型，就是許多航模愛好者非常喜歡制作的一類模型設(shè)備。本文所選用的是一種推力為20㎏的微型渦輪發(fā)動機(jī)，應(yīng)用于一架普通航天飛機(jī)模型上，整套設(shè)備的價錢在三萬元左右，屬于普通的航模價位。

3.1 燃料裝置制作

微型渦輪發(fā)動機(jī)的運(yùn)行燃料為一般的高質(zhì)量燃油，但對于燃油的利用效率卻相較于一般的機(jī)械設(shè)備更高。而再高的燃料利用效率也需要足夠的燃料支撐才能夠滿足航模長距離飛行的需要，所以一般是用燃料霧化器來進(jìn)行燃料的儲備與供應(yīng)，只需要占用很小的體積與重量，就可以提供較為持久的燃料支持。該航模上的燃料霧化器如圖2

所示：

圖2

整個燃料霧化器的長度約為5㎝，放在航模之上大小較為合適。將燃料霧化器與微型渦輪發(fā)動機(jī)相連接，可以實(shí)現(xiàn)燃料在航模飛行過程中的持續(xù)供應(yīng)了。

3.2 飛行時速測定

應(yīng)用微型渦輪發(fā)動機(jī)作為飛行動力的航模在飛行時速上面可以達(dá)到非常高的水平，最快的航模飛行時速可以超過500㎞/h，而本文調(diào)查選用的是一架普通的航模，飛行時速經(jīng)測定在200㎞/h左右，相比于普通的電動模型要快許多倍。

4 結(jié)語

從文中可以看出，在很多領(lǐng)域都可以見到微型渦輪發(fā)動機(jī)應(yīng)用的身影。而為了對使用者的安全負(fù)責(zé)，在進(jìn)行微型渦輪發(fā)動機(jī)設(shè)計的時候需要格外注意，以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對待每一個微小的結(jié)構(gòu)，以仔細(xì)的精神完成每一個零件的焊接，讓微型渦輪發(fā)動機(jī)不僅精小高效，而且安全穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1] 萬照云.微型渦輪發(fā)動機(jī)風(fēng)車起動特性研究[D].南

京航空航天大學(xué)，2012.

[2] 徐建國，張?zhí)旌?微型渦輪發(fā)動機(jī)燃油閉環(huán)控制起動

方法[J].航空動力學(xué)報，2012，（3）：701-706.

[3] 宣建光，邱建，夏晨，黃國平.一種微型渦輪發(fā)動機(jī)

導(dǎo)向器改進(jìn)方案[J].航空動力學(xué)報，2010，（12）：

2690-2696.

[4] 鄭振江.高膨脹比向心渦輪的氣動設(shè)計與數(shù)值模擬

[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

作者簡介：華國忠（1963—），男，江蘇無錫人，北京中安質(zhì)環(huán)技術(shù)評價中心有限公司無錫分公司工程師。

一般對于普通大眾來說，對微型渦輪發(fā)動機(jī)應(yīng)用得最為廣泛的就是機(jī)械模型領(lǐng)域了。比如說航天飛機(jī)模型，就是許多航模愛好者非常喜歡制作的一類模型設(shè)備。本文所選用的是一種推力為20㎏的微型渦輪發(fā)動機(jī)，應(yīng)用于一架普通航天飛機(jī)模型上，整套設(shè)備的價錢在三萬元左右，屬于普通的航模價位。

3.1 燃料裝置制作

微型渦輪發(fā)動機(jī)的運(yùn)行燃料為一般的高質(zhì)量燃油，但對于燃油的利用效率卻相較于一般的機(jī)械設(shè)備更高。而再高的燃料利用效率也需要足夠的燃料支撐才能夠滿足航模長距離飛行的需要，所以一般是用燃料霧化器來進(jìn)行燃料的儲備與供應(yīng)，只需要占用很小的體積與重量，就可以提供較為持久的燃料支持。該航模上的燃料霧化器如圖2

所示：

圖2

整個燃料霧化器的長度約為5㎝，放在航模之上大小較為合適。將燃料霧化器與微型渦輪發(fā)動機(jī)相連接，可以實(shí)現(xiàn)燃料在航模飛行過程中的持續(xù)供應(yīng)了。

3.2 飛行時速測定

應(yīng)用微型渦輪發(fā)動機(jī)作為飛行動力的航模在飛行時速上面可以達(dá)到非常高的水平，最快的航模飛行時速可以超過500㎞/h，而本文調(diào)查選用的是一架普通的航模，飛行時速經(jīng)測定在200㎞/h左右，相比于普通的電動模型要快許多倍。

4 結(jié)語

從文中可以看出，在很多領(lǐng)域都可以見到微型渦輪發(fā)動機(jī)應(yīng)用的身影。而為了對使用者的安全負(fù)責(zé)，在進(jìn)行微型渦輪發(fā)動機(jī)設(shè)計的時候需要格外注意，以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對待每一個微小的結(jié)構(gòu)，以仔細(xì)的精神完成每一個零件的焊接，讓微型渦輪發(fā)動機(jī)不僅精小高效，而且安全穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1] 萬照云.微型渦輪發(fā)動機(jī)風(fēng)車起動特性研究[D].南

京航空航天大學(xué)，2012.

[2] 徐建國，張?zhí)旌?微型渦輪發(fā)動機(jī)燃油閉環(huán)控制起動

方法[J].航空動力學(xué)報，2012，（3）：701-706.

[3] 宣建光，邱建，夏晨，黃國平.一種微型渦輪發(fā)動機(jī)

導(dǎo)向器改進(jìn)方案[J].航空動力學(xué)報，2010，（12）：

2690-2696.

[4] 鄭振江.高膨脹比向心渦輪的氣動設(shè)計與數(shù)值模擬

[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

作者簡介：華國忠（1963—），男，江蘇無錫人，北京中安質(zhì)環(huán)技術(shù)評價中心有限公司無錫分公司工程師。

一般對于普通大眾來說，對微型渦輪發(fā)動機(jī)應(yīng)用得最為廣泛的就是機(jī)械模型領(lǐng)域了。比如說航天飛機(jī)模型，就是許多航模愛好者非常喜歡制作的一類模型設(shè)備。本文所選用的是一種推力為20㎏的微型渦輪發(fā)動機(jī)，應(yīng)用于一架普通航天飛機(jī)模型上，整套設(shè)備的價錢在三萬元左右，屬于普通的航模價位。

3.1 燃料裝置制作

微型渦輪發(fā)動機(jī)的運(yùn)行燃料為一般的高質(zhì)量燃油，但對于燃油的利用效率卻相較于一般的機(jī)械設(shè)備更高。而再高的燃料利用效率也需要足夠的燃料支撐才能夠滿足航模長距離飛行的需要，所以一般是用燃料霧化器來進(jìn)行燃料的儲備與供應(yīng)，只需要占用很小的體積與重量，就可以提供較為持久的燃料支持。該航模上的燃料霧化器如圖2

所示：

圖2

整個燃料霧化器的長度約為5㎝，放在航模之上大小較為合適。將燃料霧化器與微型渦輪發(fā)動機(jī)相連接，可以實(shí)現(xiàn)燃料在航模飛行過程中的持續(xù)供應(yīng)了。

3.2 飛行時速測定

應(yīng)用微型渦輪發(fā)動機(jī)作為飛行動力的航模在飛行時速上面可以達(dá)到非常高的水平，最快的航模飛行時速可以超過500㎞/h，而本文調(diào)查選用的是一架普通的航模，飛行時速經(jīng)測定在200㎞/h左右，相比于普通的電動模型要快許多倍。

4 結(jié)語

從文中可以看出，在很多領(lǐng)域都可以見到微型渦輪發(fā)動機(jī)應(yīng)用的身影。而為了對使用者的安全負(fù)責(zé)，在進(jìn)行微型渦輪發(fā)動機(jī)設(shè)計的時候需要格外注意，以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對待每一個微小的結(jié)構(gòu)，以仔細(xì)的精神完成每一個零件的焊接，讓微型渦輪發(fā)動機(jī)不僅精小高效，而且安全穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1] 萬照云.微型渦輪發(fā)動機(jī)風(fēng)車起動特性研究[D].南

京航空航天大學(xué)，2012.

[2] 徐建國，張?zhí)旌?微型渦輪發(fā)動機(jī)燃油閉環(huán)控制起動

方法[J].航空動力學(xué)報，2012，（3）：701-706.

[3] 宣建光，邱建，夏晨，黃國平.一種微型渦輪發(fā)動機(jī)

導(dǎo)向器改進(jìn)方案[J].航空動力學(xué)報，2010，（12）：

2690-2696.

[4] 鄭振江.高膨脹比向心渦輪的氣動設(shè)計與數(shù)值模擬

[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

作者簡介：華國忠（1963—），男，江蘇無錫人，北京中安質(zhì)環(huán)技術(shù)評價中心有限公司無錫分公司工程師。