一種微型渦輪發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及其制造技術(shù)的研究.pdf

1、以MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術(shù)為基礎(chǔ)的微飛行器是目前航空航天領(lǐng)域最具吸引力的產(chǎn)品之一，而動力裝置的微型化問題則是性能更強(qiáng)更靈活的新型微飛行器的關(guān)鍵技術(shù)。近年來，在國外，尤其是美國，相繼開展了微動力機(jī)電系統(tǒng)和微發(fā)動機(jī)的研究工作。目前硅刻蝕技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用于微型發(fā)動機(jī)的研制中。微型發(fā)動機(jī)的發(fā)展也從平面的二維結(jié)構(gòu)到復(fù)雜的三維自由曲面，從MEMS傳統(tǒng)的硅基材料到具有更高性能的合金材料，這都迫

2、切地需要更加多樣化的微細(xì)加工方法。微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了微型發(fā)動機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，同時微型發(fā)動機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展也同樣對加工技術(shù)提出了更高的要求。
　　本文分析了微型渦輪發(fā)動機(jī)的工作原理，論述了其工作過程和熱循環(huán)模式。通過比較微型發(fā)動機(jī)與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的工作過程，針對微型發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)，提出了一種新型的分布式微型發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，將燃燒腔與渦輪轉(zhuǎn)動本體分離，可由一個燃燒腔提供動力，供給多個渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，大大簡化了微型發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)，燃燒室內(nèi)

3、空氣與燃料混合燃燒后傳遞給渦輪轉(zhuǎn)動部件的熱量大大減少，使得轉(zhuǎn)子的工作環(huán)境改善，使用壽命增加。
　　為了使得轉(zhuǎn)子獲得更好的轉(zhuǎn)動性能和氣動特性，本文設(shè)計(jì)了具有微三維結(jié)構(gòu)的微型壓氣機(jī)和渦輪結(jié)構(gòu)，并通過流體力學(xué)仿真軟件對壓氣機(jī)和渦輪的內(nèi)部流場進(jìn)行了分析。在微型發(fā)動機(jī)中，由于尺寸很小，使得裝配的難度大大增加，尤其是對于轉(zhuǎn)動部件，在裝配后，由于存在著裝配誤差，使得旋轉(zhuǎn)的精度降低，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性減小，轉(zhuǎn)動過程中轉(zhuǎn)子偏心的影響大大制約了微型發(fā)動

4、機(jī)的性能，所以提高轉(zhuǎn)動軸與渦輪和壓氣機(jī)葉輪的同軸度是微型發(fā)動機(jī)研究中的一個難題。本文對發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)動部件采用渦輪壓氣機(jī)一體式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，中間的旋轉(zhuǎn)軸與渦輪和壓氣機(jī)葉輪是一體的，這樣既能減少發(fā)動機(jī)部件的數(shù)量，又可保證軸與轉(zhuǎn)動部件的同軸度，可大大提高動葉輪在高速轉(zhuǎn)動過程中的穩(wěn)定性。同時，渦輪和壓氣機(jī)與旋轉(zhuǎn)軸的連接強(qiáng)度增大，可靠性大大增加。
　　由于微型發(fā)動機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸半徑尺寸很小，并且轉(zhuǎn)動葉輪高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，普通的滾動軸承已經(jīng)無法滿足需要

5、，本文設(shè)計(jì)了一種新型的微型徑向動壓氣浮軸承結(jié)構(gòu)，將氣浮軸承與微型發(fā)動機(jī)外殼集成在一起，即簡化了總體結(jié)構(gòu)，又降低了裝配時的難度。通過使用 FLUENT軟件，建立了微型徑向動壓氣浮軸承的軸間氣體流動的仿真模型，對氣體在氣浮軸承內(nèi)部的流動情況進(jìn)行了仿真與分析，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)微型徑向動壓氣浮軸承結(jié)構(gòu)的合理性，并進(jìn)一步根據(jù)仿真計(jì)算的結(jié)果對所設(shè)計(jì)的微型徑向動壓氣浮軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　由于傳統(tǒng) MEMS加工技術(shù)的限制，目前在微型發(fā)動機(jī)的

6、研究中，其關(guān)鍵部件渦輪和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的葉片造型通常為二維結(jié)構(gòu)，并且通常只能使用硅基材料，這大大限制了微型發(fā)動機(jī)的發(fā)展和潛力。由于微型發(fā)動機(jī)的尺寸只有幾厘米甚至幾毫米大小，傳統(tǒng)的 MEMS技術(shù)目前還很難加工出具有自由曲面的微細(xì)結(jié)構(gòu)。而微細(xì)電火花加工技術(shù)其具有無宏觀切削作用力、設(shè)備簡單和真三維加工能力等特點(diǎn)，同時其所能處理的材料非常廣泛，不僅可以加工各種性能優(yōu)良的金屬、合金，還可以加工硅等半導(dǎo)體材料、陶瓷等，使得微細(xì)電火花加工技術(shù)成為最適合加

7、工本文所提出的微三維結(jié)構(gòu)的微型發(fā)動機(jī)的方法。
　　目前微細(xì)電火花銑削加工中不可避免的問題是電極的損耗，這也是限制微細(xì)電火花銑削能力的主要因素之一，為此，本文將深入分析微細(xì)電火花銑削加工過程中電極損耗的特點(diǎn)，提出了在線實(shí)時測量補(bǔ)償策略，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)出微細(xì)電火花銑削專用的 CAM(Computer Aided Manufacturing)系統(tǒng)，解決使用微細(xì)電火花銑削技術(shù)加工制造微型發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子所遇到的問題。
　　在充分挖掘微細(xì)

8、電火花加工技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)微型渦輪發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用微細(xì)電火花加工技術(shù)為主要的加工手段對微型發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行加工制造。使用微細(xì)電火花磨削技術(shù)加工渦輪壓氣機(jī)一體式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸；使用微細(xì)電火花銑削技術(shù)在高溫鎳合金材料上加工出了具有微三維結(jié)構(gòu)的壓氣機(jī)和渦輪葉片；使用微細(xì)電火花線切割技術(shù)加工出了微型氣浮軸承。
　　通過外部氣源模擬微型燃燒室提供動力，本文所設(shè)計(jì)并加工制造的微型渦輪發(fā)動機(jī)可以最高達(dá)到4×104RPM的轉(zhuǎn)速，