走進(jìn)模型工廠系列從機(jī)加工件到航模用渦噴發(fā)動機(jī)

潘禹橋

渦輪噴氣式發(fā)動機(jī)（英文turbojetengine，以下簡稱渦噴發(fā)動機(jī)）是渦輪發(fā)動機(jī)的一種，完全依賴燃?xì)饬鳟a(chǎn)生推力，通常用作高速飛機(jī)的動力。現(xiàn)代渦噴發(fā)動機(jī)的主要元部件包括進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪、尾噴管等。

現(xiàn)代飛機(jī)上使用的渦輪噴氣發(fā)動機(jī)

近年來，模型界也出現(xiàn)了一類使用渦噴發(fā)動機(jī)的航模，被稱為渦噴模型飛機(jī)。模型的動力燃料是柴油、航空煤油等，利用渦噴發(fā)動機(jī)產(chǎn)生與飛行方向相反、高速噴射的氣流快速向前飛行。憑借強(qiáng)勁的動力，堪比真機(jī)飛行體驗(yàn)的逼真音效，航模用渦噴發(fā)動機(jī)逐漸進(jìn)入玩家的視野，并得到廣大模友的喜愛。

與渦噴像真機(jī)類似，航模用渦噴發(fā)動機(jī)在剛被引入中國的頭幾年，因高昂的價格、大量的維護(hù)時間、漫長的生產(chǎn)周期，成為一種圈內(nèi)的奢侈品。而近年，隨著越來越多國內(nèi)廠家開始研發(fā)、制造小型渦噴發(fā)動機(jī)，以及購買昂貴、操作繁瑣、保養(yǎng)不便等問題逐漸得到解決，渦噴模型的普及率越來越高。目前，渦噴飛行項(xiàng)目已經(jīng)成為大型航模賽事的?？?以它為主題的飛行聚會也越來越多。本文為大家揭秘的是航模用渦噴發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)流程，提供拍攝素材的模型工廠是國產(chǎn)渦噴發(fā)動機(jī)制造商——廣州市司派克航空器材有限公司（以下簡稱司派克）。

了解生產(chǎn)流程前，先來講講渦噴發(fā)動機(jī)的工作原理。與活塞式發(fā)動機(jī)類似，渦噴發(fā)動機(jī)遵循熱機(jī)的做功原理：高壓下儲存能量，低壓下釋放能量。二者同樣有進(jìn)氣、壓縮/加壓、點(diǎn)火/燃燒和排氣這4個階段。不同之處在于，活塞式發(fā)動機(jī)的4個階段分時依次進(jìn)行，渦噴發(fā)動機(jī)則是連續(xù)進(jìn)行?；旌蠚怏w依次流過各個部件的時刻，對應(yīng)活塞式發(fā)動機(jī)的4個工作行程。

著陸中的殲10渦噴像真機(jī)

隨著國內(nèi)廠家主動投入研發(fā)和制造小型渦噴發(fā)動機(jī)，渦噴模型的普及率越來越高。

航模用渦噴發(fā)動機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)，與真機(jī)的基本一致。主要的工作過程是：發(fā)動機(jī)通過壓氣輪吸入新鮮空氣;經(jīng)壓縮后，氣流速度放緩、壓力增大;在空氣流入燃燒室的同時，燃油被油泵加入蒸發(fā)管，在高溫環(huán)境下汽化后噴入燃燒室;在燃燒室中，汽化的燃油遇見新鮮空氣發(fā)生爆燃;高溫高速氣流從燃燒室噴出，驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生推力;與渦輪相連的主軸跟隨旋轉(zhuǎn)，帶動壓氣輪繼續(xù)吸入更多的新鮮空氣;渦噴發(fā)動機(jī)的一個工作循環(huán)就這樣建立了。在合理范圍內(nèi)改變供油量，就能調(diào)整渦噴發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制發(fā)動機(jī)推力的大小。下面讓我們一同走進(jìn)廠房，揭開航模用渦噴發(fā)動機(jī)的神秘面紗。

首先通過—個簡單的流程圖，了解一下航模用渦噴發(fā)動機(jī)的研發(fā)和生產(chǎn)流程。總的來說，一臺渦噴發(fā)動機(jī)從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)，需要經(jīng)過市場調(diào)查、設(shè)計(jì)打樣、機(jī)械和電子部件生產(chǎn)、發(fā)動機(jī)參數(shù)調(diào)試、發(fā)動機(jī)匹配測試、質(zhì)檢和包裝，才能送到買家手中。

市場調(diào)查，是廠家在生產(chǎn)發(fā)動機(jī)前，通過調(diào)查市場需求，以及對特定機(jī)型進(jìn)行匹配等方式，確定新品渦噴發(fā)動機(jī)的推力大小。

航模用渦噴發(fā)動機(jī)的研發(fā)和生產(chǎn)流程圖

根據(jù)推力值，模型工廠的設(shè)計(jì)師會根據(jù)產(chǎn)品的性能目標(biāo)做大量的計(jì)算分析。確定設(shè)計(jì)方案后，利用電腦軟件設(shè)計(jì)打樣。航模用渦噴發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)方案，包括發(fā)動機(jī)本體的設(shè)計(jì)圖紙、電子部件的電路圖以及配套開發(fā)的軟件。

完成設(shè)計(jì)圖稿后，工廠會進(jìn)行零星幾個樣品的生產(chǎn)。在打樣生產(chǎn)階段，最重要的部分是匹配性測試，即讓發(fā)動機(jī)的機(jī)械部件、電子部件與軟件匹配，以達(dá)到最佳工作狀態(tài)。再安裝在模型上做大量的試飛，以確保發(fā)動機(jī)在不同環(huán)境下的穩(wěn)定性。定型后，工廠開始量產(chǎn)。

航模用渦噴發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)分成兩個部分：其一是機(jī)械部件的生產(chǎn)，包含發(fā)動機(jī)外殼、主軸、壓氣輪、增壓器、導(dǎo)向器、燃燒室等;其二是電子部件的生產(chǎn)，包含ECU、電磁閥、點(diǎn)火器等。因涉及商業(yè)機(jī)密，本文對電子部件的生產(chǎn)不做詳細(xì)介紹，重點(diǎn)說說機(jī)加工的部分。

雖然航模用渦噴發(fā)動機(jī)的機(jī)械部件眾多，但單個部件基本遵循“下料——數(shù)控機(jī)床（CNC）加工”或“下料——鑄造”的流程。右表列舉了航模用渦噴發(fā)動機(jī)主要部件的機(jī)械加工方式。

設(shè)計(jì)師利用電腦軟件繪制渦噴發(fā)動機(jī)的機(jī)械部件

電腦屏幕展現(xiàn)了一臺航模用渦噴發(fā)動機(jī)電子部件的電路圖

制造發(fā)動機(jī)外殼的原材料一一柱狀鋁合金

用機(jī)器切割柱狀鋁合金，完成下料。

將切割好的鋁合金材料送入數(shù)控加工車床

用數(shù)控車床初加工的發(fā)動機(jī)鋁合金外殼

利用擠壓機(jī)加工外殼的過渡圓弧

發(fā)動機(jī)外殼的制造材料一般是鋁合金，主要使用車床和擠壓加工。用車床進(jìn)行加工，雖然費(fèi)時費(fèi)料，但因成品外殼的精度高，所以工廠仍然愿意采用這種方式。制造外殼，第一步是下料。取柱狀鋁合金，按照外殼的尺寸，用機(jī)器進(jìn)行切割分段。然后把切割好的鋁合金段，送入數(shù)控車床進(jìn)行加工。最后利用擠壓機(jī)，加工外殼的過渡圓弧。

司派克出品的渦噴發(fā)動機(jī)，壓氣輪、渦輪等均采用鑄造的加工工藝，為外包業(yè)務(wù)。不過據(jù)介紹，壓氣輪也可用數(shù)控機(jī)床加工。如果使用鑄造工藝，成品壓氣輪的重量偏重，但是品控不錯且成本低廉;如果使用數(shù)控機(jī)床加工，成品壓氣輪的重量較輕，缺點(diǎn)是對加工設(shè)備的要求高，且成本飆升。從市售產(chǎn)品的使用體驗(yàn)來看，采取這兩種加工方式做出的發(fā)動機(jī)壓氣輪，工作狀態(tài)都不錯。

采用鑄造工藝加工的導(dǎo)向器零件

對一臺航模用渦噴發(fā)動機(jī)來說，燃燒室是最重要的部件之一，在很大程度上影響其品質(zhì)。燃燒室的加工，需用到的一項(xiàng)工藝是焊接。制造時，先取一片預(yù)打孔的高溫合金片，卷成桶狀，作為側(cè)壁;然后在桶的一端焊上金屬圓環(huán)片，作為前蓋;再在其后焊接8-12根細(xì)管，作為蒸發(fā)管;燃燒室就完成了。其中側(cè)壁的孔位排布、蒸發(fā)管的直徑和長度，對燃燒室性能的影響非常大，全靠設(shè)計(jì)師憑經(jīng)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)反復(fù)琢磨、推定。

航模用渦噴發(fā)動機(jī)最重要的部件之一一一燃燒室

右圖是一臺航模用渦噴發(fā)動機(jī)的零件拆解圖。可以看出，相比航模用活塞式發(fā)動機(jī)，渦噴發(fā)動機(jī)的部件不算多。航模用渦噴發(fā)動機(jī)中的重要部件，有油環(huán)、導(dǎo)向器、渦輪、壓氣輪、增壓器、燃燒室、啟動機(jī)、電磁閥、ECU和點(diǎn)火器。

（1）油環(huán)：將燃油均勻地送入燃燒室。

（2）導(dǎo)向器：對燃燒室噴出的高速氣流進(jìn)行整流，使驅(qū)動渦輪的效率達(dá)到最大。

（3）渦輪：被燃燒室噴出的高速氣流驅(qū)動，進(jìn)而通過主軸帶動壓氣輪吸入更多空氣。

（4）壓氣輪：將大量空氣引入發(fā)動機(jī)。

（5）增壓器：將高速低壓氣流轉(zhuǎn)換為低速高壓氣流。

（6）燃燒室：提供高壓氣流和汽化燃油混合和燃燒的空間。

（7）啟動機(jī)：在發(fā)動機(jī)啟動階段，通過離合器帶動壓氣輪旋轉(zhuǎn);進(jìn)入怠速后，離合器自動脫開，停止工作。

（8）電磁閥：在發(fā)動機(jī)啟動階段，控制點(diǎn)火油路和主油路。

（9） ECU：發(fā)動機(jī)的“大腦”，控制其啟動和運(yùn)行，并記錄發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

（10）點(diǎn)火器：在發(fā)動機(jī)啟動階段，讓燃燒室內(nèi)的混合汽體發(fā)生爆燃。

航模用渦噴發(fā)動機(jī)的零件拆解圖

渦噴發(fā)動機(jī)中的重要部件及其名稱

做好發(fā)動機(jī)的零部件，僅僅完成了整個生產(chǎn)過程的1/3。專業(yè)、細(xì)心的組裝和正確的參數(shù)調(diào)試，是保證一臺渦噴發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。一般來說，航模用渦噴發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速高達(dá)十幾萬、甚至幾十萬。組裝過程中的細(xì)微差錯，將導(dǎo)致不可估量的后果。

組裝渦噴發(fā)動機(jī)時，有幾點(diǎn)需特別注意。一是發(fā)動機(jī)的氣密性，其間的各條油路、氣路，必須保證無泄漏的可能。二是盡量用靜壓的手法完成組裝，且安裝過程中不能有沖擊動作。這是因?yàn)闇u噴發(fā)動機(jī)的軸承屬于精密元器件，在沖擊力作用下很容易損壞。三是組裝完成后，須仔細(xì)檢查各部件的功能，如電磁閥的氣密性、熱電偶的好壞、點(diǎn)火器的運(yùn)行等。在渦噴發(fā)動機(jī)中，主軸貫穿始終，而發(fā)動機(jī)的工作轉(zhuǎn)速極高。故在安裝好軸系后，還須對整個軸系做一次動平衡處理。

盡量用靜壓的手法完成渦噴發(fā)動機(jī)的組裝

總裝完成的渦噴發(fā)動機(jī)將被送往試車臺，進(jìn)行匹配性測試。渦噴發(fā)動機(jī)的試車過程一般分為兩個階段。第一階段是啟動測試。該階段主要檢查發(fā)動機(jī)是否能順利啟動，再轉(zhuǎn)到怠速狀態(tài)。除此以外，啟動中的發(fā)動機(jī)不能出現(xiàn)過大的尾焰，且不得超溫、超時。第二階段是運(yùn)行測試。該階段主要檢查發(fā)動機(jī)能不能正常提速，會不會在提速時嚴(yán)重卡頓。同時還需測定大轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)的最大推力和最高穩(wěn)定溫度。

試車后的發(fā)動機(jī)被送到質(zhì)檢部門，最后單個打包，或直接安裝到渦噴模型上，發(fā)送至消費(fèi)者手中。至此，一臺航模用渦噴發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工作告—段落。

正在試車臺上進(jìn)行啟動測試的渦噴發(fā)動機(jī)

工作人員帶著耳罩做渦噴發(fā)動機(jī)的運(yùn)行測試

相比活塞式發(fā)動機(jī)，一臺渦噴發(fā)動機(jī)的價格不菲，從幾萬到十幾萬乃至幾十萬元不等。毫不夸張地說，一架質(zhì)量上乘的渦噴模型，其售價與一輛轎車無異。而渦噴模型的“心臟”，是渦噴發(fā)動機(jī)。因此，與駕駛汽車一樣，在飛渦噴模型時，操縱者不僅要養(yǎng)成良好的使用習(xí)慣，還得定期保養(yǎng)發(fā)動機(jī)。

根據(jù)生產(chǎn)廠家的不同，渦噴發(fā)動機(jī)的保養(yǎng)周期也不一樣。司派克生產(chǎn)的渦噴發(fā)動機(jī)，建議保養(yǎng)周期為25個飛行小時，—次保養(yǎng)的成本約為1000 -2000元。至于保養(yǎng)的具體項(xiàng)目，需待發(fā)動機(jī)返廠經(jīng)檢測后決定。在此舉一個實(shí)例，筆者曾購買過司派克出品的T16發(fā)動機(jī)，在1年多的使用過程中，從未出現(xiàn)過熄火、停車、無法啟動等故障。但考慮到發(fā)動機(jī)已經(jīng)運(yùn)行了2255分鐘（約37.5小時），啟動循環(huán)220次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于建議保養(yǎng)周期，且已經(jīng)出現(xiàn)了油耗稍微增高的瑕疵，于是立刻決定返廠保養(yǎng)。經(jīng)廠家檢測發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機(jī)燃燒室中的蒸發(fā)管有3處燒穿，其余部件均處于良好狀態(tài)。根據(jù)這份報告，筆者找到了發(fā)動機(jī)油耗稍高的原因：蒸發(fā)管的破損使部分燃油未經(jīng)過霧化就被直接噴入燃燒室，導(dǎo)致燃燒不充分，油耗提高，推力也略有下降。更換燃燒室后，廠家再次對這臺T16發(fā)動機(jī)進(jìn)行了檢測，結(jié)論是至少還可以正常運(yùn)行20個飛行小時，而保養(yǎng)僅僅花了1800元，可謂物超所值。

返廠保養(yǎng)的渦噴發(fā)動機(jī)已經(jīng)運(yùn)行了2255分鐘，啟動循環(huán)220次。

經(jīng)檢測，發(fā)現(xiàn)渦噴發(fā)動機(jī)的燃燒窒出現(xiàn)了問題。

通過放大細(xì)節(jié)，可以明顯看到燃燒窒蒸發(fā)管上燒穿的部分。