曹永華，朱閃閃，欒 飛，趙澤楷

（江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212134）

0 引言

常見的航空發(fā)動機可分為渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪風(fēng)扇發(fā)動機、渦輪螺旋槳發(fā)動機及渦輪軸發(fā)動機，后三種類型的發(fā)動機是在渦輪噴氣發(fā)動機的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，以達(dá)到不同的功率和效率。發(fā)動機按其推力大小分為大型、中型、小型及微型等類型，推力小于100daN 的航空發(fā)動機常稱為微型航空發(fā)動機。微型航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)尺寸受到限制，結(jié)構(gòu)不宜復(fù)雜，所以微型渦輪風(fēng)扇發(fā)動機、微型渦輪螺旋槳發(fā)動機及微型渦輪軸發(fā)動機都還沒有得到真正的使用，而微型渦輪噴氣發(fā)動機已經(jīng)在各種軍用或民用無人機上使用，加之其成本較低，亦在不進(jìn)行回收循環(huán)使用的靶機、制導(dǎo)彈藥等裝備上廣泛使用。隨著多種飛行器對續(xù)航能力、機動能力等性能的高要求，微型渦輪噴氣發(fā)動機憑借其航程遠(yuǎn)、推力大的優(yōu)勢受到越來越多的關(guān)注，在國內(nèi)外成為研究的熱點。

國外微型渦輪噴氣發(fā)動機的研究早在上個世紀(jì)50 年代就開始進(jìn)行，直至70 年代，微型渦噴發(fā)動機J402 使用于美國海軍最早設(shè)計和生產(chǎn)的巡航導(dǎo)彈上，并獲得良好反響，至此奠定了微型渦輪噴氣發(fā)動機的廣闊前景[1]；80 年代，微型渦輪噴氣發(fā)動機的研制趨于低成本化，Model305、WR1、WR2 型渦輪噴氣發(fā)動機對壓氣機及渦輪等核心機零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高了推重比，至此微型渦輪噴氣發(fā)動機向著高性能、低成本的方向快速發(fā)展[2]。

國內(nèi)微型渦輪噴氣發(fā)動機的研究起步較晚，上個世紀(jì)90 年代初期，西北工業(yè)大學(xué)微型航空發(fā)動機研究所自行設(shè)計和研制了我國第一臺微型渦輪噴氣發(fā)動機W2P-1，填補了我國在該領(lǐng)域研究的空白[3]。隨后中國人民解放軍總參謀部第六十研究所、中國航天科工集團第三研究院、南京航空航天大學(xué)等研究機構(gòu)或高校也在微型渦輪噴氣發(fā)動機領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究，出現(xiàn)了CYS-40WP/-80WP、MTE-160 等型號的渦輪噴氣發(fā)動機[4]，整體發(fā)展趨勢也是朝著高性能低成本的方向邁進(jìn)。

1 微型渦輪噴氣發(fā)動機的工作原理及組成

與大型或中型渦輪噴氣發(fā)動機相比而言，微型渦輪噴氣發(fā)動機結(jié)構(gòu)上趨于整體化，零件數(shù)量大幅減少，但不意味著工作原理也相應(yīng)的簡化，與大發(fā)相同，微型渦輪噴氣發(fā)動機也是由進(jìn)氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪、尾噴管及附件組成，如圖1 所示。發(fā)動機工作時過程也是一樣，空氣自進(jìn)氣道進(jìn)入發(fā)動機，經(jīng)壓氣機旋轉(zhuǎn)壓縮做功，形成高壓空氣進(jìn)入燃燒室與霧化或者汽化燃油摻混之后點火燃燒，形成高溫高壓的燃?xì)?，推動渦輪盤旋轉(zhuǎn)以帶動壓氣機旋轉(zhuǎn)，隨后在固定結(jié)構(gòu)的收斂型噴管內(nèi)繼續(xù)膨脹做功直至排出發(fā)動機。

圖1 微型渦輪噴氣發(fā)動機結(jié)構(gòu)

2 微型渦輪噴氣發(fā)動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 壓氣機結(jié)構(gòu)設(shè)計

微型渦輪噴氣發(fā)動機壓氣機的設(shè)計既要滿足尺寸小的要求，又要兼顧壓氣機增壓比高的要求，相比于大發(fā)中多級軸流式壓氣機，微型渦輪發(fā)動機中壓氣機常采用單級離心式壓氣機的結(jié)構(gòu)來控制壓氣機軸向長度，同時單級離心式壓氣機在擴散增壓和離心增壓兼顧作用下增壓比可達(dá)4 以上。離心葉輪的流動特性影響壓氣機的壓比及效率，本文中壓氣機離心葉輪的設(shè)計采用主流葉片和分流葉片兼顧使用的方式進(jìn)行穩(wěn)定流場處理，如圖2 所示；微型渦輪噴氣發(fā)動機中壓氣機靜子即擴壓器的設(shè)計需要使得沿徑向流動的氣流轉(zhuǎn)變?yōu)檠剌S向流動，同時流動過程中持續(xù)增壓，本文所設(shè)計的擴壓器將徑擴和軸擴分開，徑擴和軸擴流道都設(shè)計成擴張通道，以實現(xiàn)減速增壓，如圖3 所示。徑擴與軸擴分開可以大大減少加工難度，便于控制加工成本。

圖2 離心葉輪

圖3 擴壓器

在擴壓器徑擴端面上設(shè)計螺紋安裝孔，用以與擴壓器機匣裝配，螺紋孔的設(shè)計便于安裝與定心，同時通過緊固螺釘施加的預(yù)緊力能夠使得擴壓器機匣與擴壓器緊密貼合，減少不必要的軸向間隙泄漏，如圖4 所示。

圖4 擴壓器與擴壓器機匣的的裝配

2.2 燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計

在微型渦輪噴氣發(fā)動機燃燒室的設(shè)計過程中要兼顧穩(wěn)定點火和安全燃燒[5]。

穩(wěn)定點火方面：微型渦輪噴氣發(fā)動機與大型渦輪噴氣發(fā)動機相同，需要對壓氣機出口的氣流進(jìn)行減速，大型渦輪噴氣發(fā)動機上常采用的方式有：漸擴型火焰筒結(jié)構(gòu)、旋流器設(shè)計、霧化或汽化噴嘴等。微型渦輪噴氣發(fā)動機在燃燒室設(shè)計時采用環(huán)形燃燒室結(jié)構(gòu)，同樣需要有擴張的通道，如圖5 所示，從擴壓器流出的氣流進(jìn)入燃燒室，流道面積顯著增大，氣流軸向速度可以進(jìn)一步減小，以便于點火；微型渦輪噴氣發(fā)動機設(shè)計燃燒室時，沒有足夠的空間設(shè)計精細(xì)的旋流器，本文設(shè)計時采用在火焰筒前端設(shè)計與火焰筒內(nèi)環(huán)相切的進(jìn)氣小管進(jìn)行氣流導(dǎo)向，形成旋流，使得氣流軸向速度減小，周向速度變大，如圖6 所示；本文微型渦輪噴氣發(fā)動機中使用蒸發(fā)管燃油噴嘴，燃油管路供應(yīng)燃油進(jìn)入蒸發(fā)管，蒸發(fā)管受熱負(fù)載作用，使得液體燃油汽化形成蒸汽與氣流摻混，相比傳統(tǒng)霧化型噴嘴其結(jié)構(gòu)簡單，便于裝配，如圖7。綜上所述，特定結(jié)構(gòu)設(shè)計的燃燒室能夠降低氣流流動速度，增加流動紊亂程度，加強氣流與汽化燃油的摻混，有利于可靠點火及穩(wěn)定燃燒。

圖5 流道變化示意圖

圖6 旋流產(chǎn)生示意圖

圖7 蒸發(fā)管燃油噴嘴

安全燃燒方面：微型渦輪噴氣發(fā)動機相比于大型渦輪噴氣發(fā)動機，沒有較為復(fù)雜的空氣系統(tǒng)進(jìn)行渦輪葉片等熱端零件的冷卻，所以需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計中保留較大的安全裕度。本文中燃燒室火焰筒的設(shè)計采用鈑金成型技術(shù)，內(nèi)外環(huán)上均設(shè)計有氣流稀釋孔，通過等厚鋼板沖壓鈑金成型，如圖8。卷焊后內(nèi)外圈與火焰筒前壁點焊形成圖6 所示火焰筒結(jié)構(gòu)，在火焰筒內(nèi)部燃燒，火焰筒外部不斷有冷氣流進(jìn)入火焰筒，保證火焰不竄出火焰筒。燃燒室的壓力負(fù)載由發(fā)動機機匣承擔(dān)，燃燒室的熱負(fù)載由火焰筒承擔(dān)，同時燃燒室出口冷卻氣流和高溫燃?xì)獾南♂寭交煲材鼙ＷC渦輪葉片不被燒壞。

圖8 火焰筒內(nèi)外圈成型過程

2.3 渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

因為燃燒室設(shè)計時已考慮到控制燃燒室排氣溫度，本文中關(guān)于微型渦輪噴氣發(fā)動機中渦輪的設(shè)計采用單級軸流式渦輪，渦輪采用內(nèi)部實心結(jié)構(gòu)，相比大型渦輪噴氣發(fā)動機中的空心渦輪葉片而言，更加簡單易加工，如圖9 所示。

圖9 渦輪盤結(jié)構(gòu)

2.4 其它零件結(jié)構(gòu)設(shè)計

微型渦輪噴氣發(fā)動機安全穩(wěn)定高效地工作，除了主要部件的合理設(shè)計之外，還需要附件系統(tǒng)的燃油供應(yīng)和滑油冷卻[6]。本文中采用燃油、滑油及點火油路一體化設(shè)計，設(shè)計為油路匯集總環(huán)——油環(huán)，最大程度減小零件數(shù)量及體積，如圖10 所示。

圖10 油管管路設(shè)計

如圖11（a）、（b）所示，燃油進(jìn)入油環(huán)右邊凹槽內(nèi)后分別進(jìn)入滑油腔和燃油管，進(jìn)入滑油腔的燃油用于冷卻潤滑，如圖12 所示，流經(jīng)滑油管后進(jìn)入前軸承，對其進(jìn)行潤滑冷卻，集聚的燃油經(jīng)過軸套與軸之間的環(huán)形通道，再對后軸承進(jìn)行潤滑冷卻，隨后排至渦輪轉(zhuǎn)子進(jìn)口處與燃?xì)饣旌先紵?；圖11（c）所示燃油進(jìn)入油環(huán)左邊凹槽，則燃油流至點火器，進(jìn)行點火器噴油，之所以單獨留有點火器油路，是由于燃燒及潤滑過程可以連續(xù)供油，而點火過程僅僅是一短暫瞬間，不需要連續(xù)供油。

圖11 油管管路設(shè)計

圖12 滑油潤滑冷卻油路

3 結(jié)語

本文以微型渦輪噴氣發(fā)動機的設(shè)計為主要研究方向，通過對目前微型渦輪噴氣發(fā)動機研究趨勢的調(diào)研，確定了微型渦輪噴氣發(fā)動機應(yīng)以結(jié)構(gòu)簡單易裝配為主要設(shè)計準(zhǔn)則，本文的結(jié)構(gòu)設(shè)計亮點主要體現(xiàn)為：

（1）主/分流葉片離心葉輪設(shè)計提高壓比與流動性能，簡化結(jié)構(gòu)；

（2）擴壓器徑擴與軸擴分離簡化加工，控制加工成本；

（3）鈑金成型、焊接等技術(shù)簡化火焰筒結(jié)構(gòu)；

（4）氣流分股，冷熱摻混保證渦輪安全，以降低渦輪葉片結(jié)構(gòu)加工難度；

（5）緊湊型供油裝置的設(shè)計大大減小了發(fā)動機的零件數(shù)量和體積。