高推重比微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析

寧大軍

高推重比微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)是中小型高速無人機(jī)的核心部件，壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和軸承等是微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件。某微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)采用單級(jí)離心壓氣機(jī)、向心式徑向渦輪以及蒸發(fā)管式環(huán)行燃燒室的總體結(jié)構(gòu)方案，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的小型化、高推重比，已經(jīng)成功應(yīng)用在多個(gè)型號(hào)無人機(jī)上。

目前，國內(nèi)外中小型無人機(jī)廣泛采用的動(dòng)力裝置包括活塞發(fā)動(dòng)機(jī)和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。相比于活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)推力較大，可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)高速飛行，是中小型高速無人機(jī)動(dòng)力裝置的較優(yōu)選擇。通常認(rèn)為，發(fā)動(dòng)機(jī)推力在100daN以下的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)為微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，其關(guān)鍵部件為壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和軸承。微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理：空氣通過進(jìn)氣道被吸入壓氣機(jī);壓氣機(jī)中高速旋轉(zhuǎn)的葉片對(duì)空氣進(jìn)行壓縮，以提高空氣的壓力;高壓空氣在燃燒室內(nèi)和燃油混合、燃燒，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，形成高溫高壓燃?xì)?高溫高壓燃?xì)馐紫仍跍u輪內(nèi)膨脹，推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)壓氣機(jī);然后燃?xì)庠谖矅姽軆?nèi)繼續(xù)膨脹，并以較高的速度噴出，從而產(chǎn)生推力。微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)原則及關(guān)鍵技術(shù)

微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)原則

渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)受到無人機(jī)功能的約束，必須滿足無人的功能需求。小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于中小型高速無人機(jī)，其主要設(shè)計(jì)要求是：結(jié)構(gòu)簡單、迎風(fēng)面積小、零件少、可靠性高、成本低。為滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)遵循以下原則：

最大限度利用成熟技術(shù)。小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的研制是一項(xiàng)十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程，研制周期長，為了降低風(fēng)險(xiǎn)，提高可靠性，小型發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)必須最大限度利用已有成熟技術(shù)，在滿足任務(wù)需求的前提下可以在原有型號(hào)基礎(chǔ)上通過衍生發(fā)展，得到性能更好、可靠性更高、的發(fā)動(dòng)機(jī)，這樣可以有效縮短研制周期，所需經(jīng)費(fèi)相對(duì)較少、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)相也較低。

要具備多種起動(dòng)方式。渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過程，存在諸多不確定因素，是渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)故障多發(fā)區(qū)，目前小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式主要有三種。（1）電起動(dòng)機(jī)：優(yōu)點(diǎn)是使用簡單，啟動(dòng)完全自動(dòng)化;缺點(diǎn)是系統(tǒng)質(zhì)量較大，對(duì)外界環(huán)境敏感。（2）高壓冷氣啟動(dòng)器：利用高壓氣瓶中的高壓氣體瞬時(shí)開啟產(chǎn)生的高速高壓氣流沖擊渦輪葉片。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單;缺點(diǎn)是體積較大。（3）火藥燃?xì)鈫?dòng)：火藥燃?xì)鉀_擊渦輪葉片氣動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)間短，功率大，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，存儲(chǔ)時(shí)問長;主要缺點(diǎn)是啟動(dòng)次數(shù)有限，燃?xì)鉁囟容^高。

環(huán)境的適應(yīng)強(qiáng)?，F(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜，無人機(jī)必須滿足在較惡劣條件下起飛執(zhí)行任務(wù)的能力，這就對(duì)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提高了較高要求。氣候多樣飛行條件氣候變化對(duì)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響很大。環(huán)境溫度對(duì)于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)性能具有很大影響，不同季節(jié)環(huán)境溫差可達(dá)到50℃，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零件的間隙以及過盈量可能發(fā)生變化，已經(jīng)不滿足設(shè)計(jì)要求。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)電子產(chǎn)品可能失效，滑油低溫下粘度會(huì)急劇上升，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不啟動(dòng)。

較高的抗進(jìn)氣畸變。高速無人機(jī)多采用短“s”型進(jìn)氣道作為發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)，進(jìn)氣道出口即發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口。進(jìn)氣道出口壓力場有畸變和總壓損失，壓氣機(jī)進(jìn)口的流場不均勻。這種不均勻?qū)е铝黧w總壓損失較大，因此發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中必須考慮較高的抗氣流畸變能力。

紅外熱信號(hào)低。

結(jié)構(gòu)簡單尺寸小、重量輕。這一原則是所有發(fā)動(dòng)機(jī)的共同設(shè)計(jì)原則，在滿足設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，盡可能提高功率密度。

小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

不同于大中型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，無人機(jī)用小型渦噴發(fā)動(dòng)在設(shè)計(jì)過程中不可避免一些特有問題，比如小推力，整體式零件結(jié)構(gòu)和小尺寸效應(yīng)等。

（1）壓氣機(jī)類型

現(xiàn)有渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)增壓比約為2.5～8。小型渦噴發(fā)動(dòng)適用的的壓氣機(jī)有三種，分別為：單極離心式、單極混合式和多級(jí)軸流式。單極離心式零部件少，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是迎風(fēng)面積大，轉(zhuǎn)速高。單極混合式迎風(fēng)面積小，部件少，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高。多級(jí)軸流式轉(zhuǎn)速低迎風(fēng)面積小但是零部件多結(jié)構(gòu)復(fù)雜。目前采用最多的是混合式壓氣機(jī)，研究重點(diǎn)是離心壓氣技術(shù)和離心級(jí)和軸流級(jí)之間的匹配問題。

（2）渦輪類型

目前小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)使用的單極渦輪有三種類型，軸流式、徑流式和混合流式。其中徑流式和混合流式渦輪由于其簡單性、成本低、較高的性能和簡單的安置，在小渦輪機(jī)領(lǐng)域占主導(dǎo)地位?；旌狭魇綔u輪因靜子徑向高度減小且能夠在葉片負(fù)荷稍大的情況下工作，目前應(yīng)用于高比轉(zhuǎn)速渦輪增壓器和渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)。小型軸流式渦輪對(duì)葉尖間隙效應(yīng)很敏感，于是對(duì)葉尖間隙和葉片高度之比也很敏感，若葉尖間隙可以達(dá)到最小，那么該效率將受葉片高度影響很大。

（3）軸承

目前，小型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速在60000～150000r/m之間，所用的軸承有兩類：空氣軸承和抗磨軸承，在高轉(zhuǎn)速下軸承對(duì)內(nèi)部間隙和溫度十分敏感，因此必須考慮軸承冷卻。內(nèi)軸直徑、軸承間跨距和軸承尺寸對(duì)軸承穩(wěn)定性有重要影響，是渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。

（4）新型高效短燃燒室設(shè)計(jì)

相比于小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室尺寸較小（厘米級(jí)），存在以下技術(shù)難點(diǎn)主要有：面容比大，使得傳熱損失較大;燃燒駐留時(shí)間短，有可能出現(xiàn)燃燒不充分現(xiàn)象;燃燒室流阻大，同時(shí)噴注混合等也存在較大技術(shù)難度。

（5）小尺寸效應(yīng)和小流量效應(yīng)下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

這就要求加強(qiáng)研究小尺寸、小流量、小雷諾數(shù)條件下附面層及葉尖間隙影響更大的壓氣機(jī)、渦輪、整機(jī)氣動(dòng)熱力技術(shù)，小尺寸小冷氣量下的渦輪冷卻、葉尖間隙精確控制與發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)技術(shù)，小尺寸高溫高熱容強(qiáng)度燃燒室術(shù)，小尺寸構(gòu)件緊湊布局技術(shù)以及小尺寸小流量高轉(zhuǎn)速下的特殊測試技術(shù)及成附件技術(shù)等問題。

（6）高硬度耐高溫材料

提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度的一個(gè)有效辦法是采用低密度耐高溫材料。耐高溫材料的應(yīng)用可以有效提高渦輪前溫度，目前研究重點(diǎn)是非金屬復(fù)合材料。例如美國的綜合高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（IHPTET）計(jì)劃中就研究采用高溫超級(jí)合金和隔熱涂層、高溫高強(qiáng)度有機(jī)物基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、超耐熱合金基復(fù)合材料等高硬度耐高溫材料作為發(fā)動(dòng)機(jī)材料。

小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)

單級(jí)離心壓氣機(jī)由壓氣輪和擴(kuò)壓器組成，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行壓縮，并將壓縮空氣擴(kuò)壓后引入燃燒室。發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是后彎式壓氣輪，其主要優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)沿壓氣機(jī)等轉(zhuǎn)速線流量減少時(shí)，能使輸入功增加，從而保證壓氣機(jī)工作的穩(wěn)定性;可以有效的控制工作輪載荷分布，降低擴(kuò)壓器進(jìn)口馬赫數(shù)，使擴(kuò)壓器葉片能適應(yīng)較大的攻角范圍。

壓氣機(jī)葉輪不僅幾何形狀、結(jié)構(gòu)形式及與相鄰部件的連接方式復(fù)雜，而且由于處于高速旋轉(zhuǎn)工作狀態(tài)，壓氣機(jī)葉輪在承受離心載荷、熱載荷、裝配載荷的同時(shí)，其葉片上還承受較大的氣動(dòng)載荷，因此其工況較惡劣。在保證壓氣機(jī)氣動(dòng)參數(shù)的同時(shí)，根據(jù)飛行包線內(nèi)典型工作狀態(tài)下載荷分布，通過對(duì)壓氣機(jī)葉輪進(jìn)行的強(qiáng)度校核及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確保了在發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速離心力作用下，壓氣機(jī)葉輪總體應(yīng)力滿足可靠工作的要求，與此同時(shí)進(jìn)行葉尖間隙分析和優(yōu)化調(diào)整，使葉輪在離心載荷與氣動(dòng)載荷的綜合作用下能夠處于彈性變形范圍內(nèi)，保證最大徑向位移滿足葉尖間隙使用要求。壓氣機(jī)葉輪的應(yīng)力分布云圖、變形云圖如圖2，圖3所示：

燃燒室

發(fā)動(dòng)機(jī)選擇環(huán)型燃燒室，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，容積利用率較高。燃燒室由內(nèi)外兩個(gè)同心圓筒作為燃燒室和火焰筒的殼體，從壓氣機(jī)過來的壓縮空氣由內(nèi)外殼體上的進(jìn)氣孔進(jìn)入燃燒室。為了保證在高速流動(dòng)狀態(tài)下穩(wěn)定燃燒，并保證良好的燃燒效果，發(fā)動(dòng)機(jī)的液體燃料必須以霧化狀態(tài)與空氣混合后進(jìn)行燃燒。由于結(jié)構(gòu)空間的限制，微型噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)不能使用霧化噴嘴，為了保證燃油必須充分霧化，采用圖4所示蒸發(fā)管內(nèi)直接噴油形式供油。由于蒸發(fā)管位于火焰燃燒區(qū)域，蒸發(fā)管經(jīng)過燃燒火焰的加熱使其內(nèi)部產(chǎn)生高溫，高速噴射到蒸發(fā)管的燃油經(jīng)過高溫蒸發(fā)而汽化，將蒸發(fā)管內(nèi)余氣系數(shù)α控制在0.2～0.3之間，保證燃油在蒸發(fā)管內(nèi)不會(huì)燃燒。當(dāng)汽化的燃油從蒸發(fā)管進(jìn)入燃燒區(qū)與主燃孔的氣流混合，混合氣的余氣系數(shù)α達(dá)到1左右，混合氣不僅容易點(diǎn)燃，而且能夠燃燒充分。采用此種結(jié)構(gòu)后，不僅使燃油得到了良好的霧化，而且將燃燒室的長徑比控制在0.75，減小了發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸。

渦輪

渦輪作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵部件，由于處于高溫工作狀態(tài)下，工作環(huán)境比壓氣機(jī)葉輪更加惡劣。發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是單級(jí)向心式渦輪，葉片與輪盤連接采用整體鑄造方式，具有制造工藝簡單，整體強(qiáng)度、剛度性能好等特點(diǎn)。

根據(jù)飛行包線內(nèi)典型工作狀態(tài)下載荷分布，通過對(duì)渦輪葉輪進(jìn)行的強(qiáng)度校核及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確保了在發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速離心力作用下，渦輪總體應(yīng)力滿足可靠工作的要求，與此同時(shí)進(jìn)行葉尖間隙分析和優(yōu)化調(diào)整，使渦輪在離心載荷與氣動(dòng)載荷的綜合作用下能夠處于彈性變形范圍內(nèi)，保證最大徑向位移滿足葉尖間隙使用要求。渦輪的應(yīng)力分布云圖、變形云圖如圖5、圖6所示。

軸承

渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫、高速的特殊環(huán)境下工作，很難保證良好的潤滑條件，現(xiàn)有的鋼軸承用于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，就會(huì)出現(xiàn)溫升高、壽命低、剛度不足等問題。依據(jù)超高速軸承動(dòng)力學(xué)理論及其技術(shù)，研制了無保持架的陶瓷滾珠軸承。選用軸承材料為M50鋼，滾珠材料為氮化硅陶瓷，其材料參數(shù)如表1所示。

軸承精度、壽命都與接觸應(yīng)力和變形相關(guān)。在靜載條件下，可以用Hertz接觸理論分析接觸應(yīng)力、應(yīng)變。根據(jù)有限元模型進(jìn)行計(jì)算，得到氮化硅滾珠上的應(yīng)力分布如圖7。

內(nèi)套圈接觸負(fù)荷、表面接觸應(yīng)力隨溝曲率半徑系數(shù)f的變化分別如圖8所示。

對(duì)于陶瓷球軸承，由于氮化硅的彈性模量比鋼大，軸承受載時(shí)球和套圈的變形很小。為了增大球與套圈溝道間的密合度，選用了較小的溝曲率半徑值。采用耐高溫陶瓷滾珠、特殊鋼內(nèi)外圈、無保持架結(jié)構(gòu)的專用角接觸向心球軸承，并設(shè)計(jì)了合理的軸承冷卻潤滑形式，成功解決了高溫高速條件下軸承可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的技術(shù)難題。

結(jié)束語

本文分析了微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)原則和關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了某微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和軸承等關(guān)鍵部件進(jìn)行了仿真計(jì)算分析，解決了渦輪和軸承在高溫、高速環(huán)境下工作的可靠性，實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的小型化和高推重比。