一种微型涡轮发动机的关键结构及其制造技术的研究--《哈尔滨工业大学》2009年博士论文
一种微型涡轮发动机的关键结构及其制造技术的研究
【摘要】：以MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技术为基础的微飞行器是目前航空航天领域最具吸引力的产品之一,而动力装置的微型化问题则是性能更强更灵活的新型微飞行器的关键技术。近年来,在国外,尤其是美国,相继开展了微动力机电系统和微发动机的研究工作。目前硅刻蚀技术已经成功的应用于微型发动机的研制中。微型发动机的发展也从平面的二维结构到复杂的三维自由曲面,从MEMS传统的硅基材料到具有更高性能的合金材料,这都迫切地需要更加多样化的微细加工方法。微细加工技术的发展促进了微型发动机技术的进步,同时微型发动机的进一步发展也同样对加工技术提出了更高的要求。
本文分析了微型涡轮发动机的工作原理,论述了其工作过程和热循环模式。通过比较微型发动机与传统发动机的工作过程,针对微型发动机的特点和技术难点,提出了一种新型的分布式微型发动机结构,将燃烧腔与涡轮转动本体分离,可由一个燃烧腔提供动力,供给多个涡轮转子转动,大大简化了微型发动机的设计,燃烧室内空气与燃料混合燃烧后传递给涡轮转动部件的热量大大减少,使得转子的工作环境改善,使用寿命增加。
为了使得转子获得更好的转动性能和气动特性,本文设计了具有微三维结构的微型压气机和涡轮结构,并通过流体力学仿真软件对压气机和涡轮的内部流场进行了分析。在微型发动机中,由于尺寸很小,使得装配的难度大大增加,尤其是对于转动部件,在装配后,由于存在着装配误差,使得旋转的精度降低,转子转动的稳定性减小,转动过程中转子偏心的影响大大制约了微型发动机的性能,所以提高转动轴与涡轮和压气机叶轮的同轴度是微型发动机研究中的一个难题。本文对发动机的转动部件采用涡轮压气机一体式转子结构设计,中间的旋转轴与涡轮和压气机叶轮是一体的,这样既能减少发动机部件的数量,又可保证轴与转动部件的同轴度,可大大提高动叶轮在高速转动过程中的稳定性。同时,涡轮和压气机与旋转轴的连接强度增大,可靠性大大增加。
由于微型发动机的旋转轴半径尺寸很小,并且转动叶轮高速旋转运动,普通的滚动轴承已经无法满足需要,本文设计了一种新型的微型径向动压气浮轴承结构,将气浮轴承与微型发动机外壳集成在一起,即简化了总体结构,又降低了装配时的难度。通过使用FLUENT软件,建立了微型径向动压气浮轴承的轴间气体流动的仿真模型,对气体在气浮轴承内部的流动情况进行了仿真与分析,验证了所设计微型径向动压气浮轴承结构的合理性,并进一步根据仿真计算的结果对所设计的微型径向动压气浮轴承结构进行了优化设计。
由于传统MEMS加工技术的限制,目前在微型发动机的研究中,其关键部件涡轮和压气机转子的叶片造型通常为二维结构,并且通常只能使用硅基材料,这大大限制了微型发动机的发展和潜力。由于微型发动机的尺寸只有几厘米甚至几毫米大小,传统的MEMS技术目前还很难加工出具有自由曲面的微细结构。而微细电火花加工技术其具有无宏观切削作用力、设备简单和真三维加工能力等特点,同时其所能处理的材料非常广泛,不仅可以加工各种性能优良的金属、合金,还可以加工硅等半导体材料、陶瓷等,使得微细电火花加工技术成为最适合加工本文所提出的微三维结构的微型发动机的方法。
目前微细电火花铣削加工中不可避免的问题是电极的损耗,这也是限制微细电火花铣削能力的主要因素之一,为此,本文将深入分析微细电火花铣削加工过程中电极损耗的特点,提出了在线实时测量补偿策略,并以此为基础开发出微细电火花铣削专用的CAM(Computer Aided Manufacturing)系统,解决使用微细电火花铣削技术加工制造微型发动机转子所遇到的问题。
在充分挖掘微细电火花加工技术特点的基础上,根据微型涡轮发动机的结构特点,采用微细电火花加工技术为主要的加工手段对微型发动机的关键部件进行加工制造。使用微细电火花磨削技术加工涡轮压气机一体式转子结构的旋转轴;使用微细电火花铣削技术在高温镍合金材料上加工出了具有微三维结构的压气机和涡轮叶片;使用微细电火花线切割技术加工出了微型气浮轴承。
通过外部气源模拟微型燃烧室提供动力,本文所设计并加工制造的微型涡轮发动机可以最高达到4×104RPM的转速,达到了预期的设计要求。研究了进气压强和进气口距叶片距离对转速的影响,并测试了其在工作时的噪音。
本文对微型涡轮发动机的整体结构进行了设计仿真,以微细电火花加工技术为主要手段,完成微型发动机关键部件的加工制造,实现了具有高转速的微型涡轮发动机原型,为微型涡轮发动机的实用化奠定了基础。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2009【分类号】：V235.11
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400-819-9993美国垄断这一关键材料；让中国发动机始终不能进国际一流！美国垄断这一关键材料；让中国发动机始终不能进国际一流！金凤军事天地百家号航空发动机，是一种高度复杂和精密的热力机械，为航空器提供飞行所需动力的发动机。作为飞机的心脏，被誉为&工业之花&，它直接影响飞机的性能、可靠性及经济性，是一个国家科技、工业和国防实力的重要体现。目前，世界上能够独立研制高性能航空发动机的国家只有美国、俄罗斯、英国、法国等少数几个国家，技术门槛很高。美国前国防部战略贸管司司长约翰·康法拉曾称：“为保证美国在全球事务中的领导地位，在美国对外技术输出和核心材料问题上，尤其在具有战略意义的关键领域，美国必须维持至少二十年到三十年的领先优势。”工艺这个不说，是长期的工业基础所决定，缺乏有效竞争，而航空发动机需要一些稀有的金属作为材料，其中金属铼是导弹、火箭、飞机的重要材料，含铼的钽、钨合金被认为是最耐高温性能，最高可以承受三千一百多度高温。铼是一个真正稀有元素。它在地壳中的含量比所有的稀土元素都小，仅仅大于镤和镭这些元素。再加上它不形成固定的矿物，通常与其他金属伴生。这就使它成为存在于自然界中被人们发现的最后一个元素。铼是及其稀缺的元素且地壳含量仅仅百分之七左右，中国的产量极低几乎没有，若想使用只有靠进口，全球主要矿产分布在美洲和欧洲，其中美国和智利全世界产量最高，而美国又控制着全球销售市场。主要采购商是美国的通用电气公司和普惠公司，他们控制着全球销售市场，处于垄断地位，特别是针对中国进行材料和技术封锁。本文仅代表作者观点，不代表百度立场。系作者授权百家号发表，未经许可不得转载。金凤军事天地百家号最近更新：简介:世界经济倒退的原因不是核战争相关文章为啥中国发动机至今无法达到国际一流？承认吧，这一关键材料早被美国垄断！可惜了为啥中国发动机至今无法达到国际一流？承认吧，这一关键材料早被美国垄断！可惜了大番茄黑科技百家号美国前国防部战略贸管司司长约翰·康法拉曾称：“为确保美国在全球事务中的领导位置，在美国对外技能输出和核心资料疑问上，尤其在具有战略意义的要害领域，美国有必要保持最少二十年到三十年的领先优势。”尽人皆知我国发动机疑问，一向困扰航空工业开展，我国的歼10、歼31等系列都是用的俄罗斯RD-93和AL-31发动机，制约我国高功能航空研制因素是一向缺少规则去做研制，缺少匠人精力，也缺高素质工业人才，距离是从理论上就现已开端。除了这些因素外，还有十分首要的发动机制作资料，航空发动机资料十分特殊，不只要耐几千度高温，还要抗高压，特别是民用发动机和长途战略轰炸机，飞机飞翔时间长，对发动机即是个无穷挑战，不过可喜的是2016年尾现已建立航发集团，专门霸占这个难关。工艺这个不说，是长时间的工业基础所决定，缺少有用竞赛，而航空发动机需要一些稀有的金属作为资料，其间金属铼是导弹、火箭、飞机的首要资料，含铼的钽、钨合金被认为是最耐高温功能，最高能够承受三千一百多度高温，铼是及其稀缺的元素且地壳含量只是百分之七摆布，我国的产值极低几乎没有，若想运用只要靠进口，全球首要矿藏散布在美洲和欧洲，其间美国和智利全世界产值最高，而美国又操控着全球销售市场，首要采购商是美国的通用电气公司和普惠公司，他们操控着全球销售市场，处于独占位置，特别是对于我国进行资料和技能封锁，避免我国的发动机技能提高起来。本文仅代表作者观点，不代表百度立场。系作者授权百家号发表，未经许可不得转载。大番茄黑科技百家号最近更新：简介:推送电脑问题解决方案，电脑、手机小知识作者最新文章相关文章美国垄断这个关键材料，导致中国发动机，停滞不前20年美国垄断这个关键材料，导致中国发动机，停滞不前20年军事家呢百家号其实我们目前航空发动机的发展还是不错的，但是与很多发达国家来说，中间的差距是不可避免的，这一切都是因为制造发动机的材料被限制了，材料的短缺让我们发动机的发展受到了非常严重的影响。当然不能完全说每个国家发动机的发展状况不一样，都是因为材料的原因，但是由于一些稀少但又无法代替的重要资源，在每个国家中的分布都是非常不均匀的，我们国家有着丰富的稀土资源，但是也还缺少很多别的材料，基本完全要靠进口才能够满足。在发动机的制造上铼时必不可缺少的一种原料，不仅能够在高温高压下急速冷却并且不怕撞，也不会出现裂痕，目前有80%的铼都被利用于制作航天发动机中的超耐热合金。相信不用我说大家都知道，发动机问题一直是困扰着我们航空的发展，比如说我们的歼10和歼31等系列的战斗机都是去俄罗斯采购新型发动机，先不说对工艺上有什么影响，但它却是长期工业发展最基础的原料之一。这个稀有的原料在美国的产量是非常的高，可以说他们能够控制全球销量，市场处于垄断的地位，这也是对我们进行技术封锁的关键所在，他为了房子，我们发动机技术的提升，所以对这种材料的分数也是非常严格的。小编个人认为每个国家都有属于自己的一些原材料，就比如说我们的息也是非常珍贵的，欧美等国家要制造先进的战斗机航母等都离不开，完全是要从中国进口，可以说如果没有这种东西的话，高科技武器也没有办法制造出来。本文仅代表作者观点，不代表百度立场。系作者授权百家号发表，未经许可不得转载。军事家呢百家号最近更新：简介:关注各国军事情况，军事作者最新文章相关文章[转载]中国轰20即将横空出：技术已经领先美国B2
图为轰20轰炸机
&近日，据俄罗斯媒体报道称，中国正在研制的轰20轰炸机已经进入关键阶段，有可能会在年内亮相，作为中国空军“20家族”最后的一款杀手锏武器，轰20的横空出世，将大大提高中国空军的战略威慑能力，而且，蓄势待发的轰20，在技术上也已经领先美国B2轰炸机了。因此，有美国白宫官员表示，轰20轰炸机的出现只是一个时间问题，可能已经开始倒计时了。
轰20是中国目前第一代隐身战略轰炸机，这也是中国第一次设计战略轰炸机，它的出现将彻底完善中国三位一体核反应力量。而且除了核力量得到极大加强之外，中国空军的远程常规打击力量也会得到极大的提升。就已知的情况来看，技术方面已经没有什么可以难倒中国航空科研人员了。
图为中国歼20隐身战斗机
从隐身方面来看，中国第一型隐身战斗机歼20已经开始批量服役，就性能方面已经和美国F22不相上下了，属于世界顶尖的战斗机。而歼20上面大量先进且成熟的隐身技术，已经可以运用到轰20上面，包括歼20使用的各种机体材料、隐身涂层、火控系统等等，都是比较成熟且已经开始批量生产的。这样的话，对降低生产成本，特别是对使用部队的后勤保障各方面都非常省心省力。
至于航电系统，得益于中国改革开发数十年来的厚积薄发，目前中国航电系统已经达到世界最先进的行列。比如作为最为复杂的360度全向感知能力，现在全世界只有F35与中国歼20拥有，连美国F22都不曾拥有。因此，对于轰20来讲，其配备的航电系统肯定会远远超过20多年前定型生产的美国B2型隐身轰炸机，最少会美国目前正在紧锣密鼓研制中的B21相当。
图为中国轰20轰炸机CG图
最后就是动力系统，这也是一直卡中国航空业脖子的最后一道坎了。不过现在中国研制的涡扇18型发动机已经在2016年开始进行了测试，这种发动机是中国最新一代大涵道发动机，另外该发动机还有民用版本，准备用于中国国产的919型客机。该发动机最大功率达到120千牛，最大寿命达到5000小时左右，总体性能已经接近西方同类型产品。
轰20另外还有一型发动机可以装备，那就是更为先进的涡扇20型发动机，这型发动机是中国从太行发动机发展出来的大涵道发动机，总体性能甚至要比涡扇18型发动机更为先进，达到世界一流水准。轰20无论上面那一型发动机，基本都会安装4部发动机，使得其最大航程达到12000公里左右，成为一型真正意义上的战略轰炸机。
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