一種微型渦輪發(fā)動機的關鍵結構及其制造技術的研究.pdf

1、以MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術為基礎的微飛行器是目前航空航天領域最具吸引力的產品之一，而動力裝置的微型化問題則是性能更強更靈活的新型微飛行器的關鍵技術。近年來，在國外，尤其是美國，相繼開展了微動力機電系統(tǒng)和微發(fā)動機的研究工作。目前硅刻蝕技術已經成功的應用于微型發(fā)動機的研制中。微型發(fā)動機的發(fā)展也從平面的二維結構到復雜的三維自由曲面，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加工方法。微細加工技術的發(fā)展促進了微型發(fā)動機技術的進步，同時微型發(fā)動機的進一步發(fā)展也同樣對加工技術提出了更高的要求。
　　本文分析了微型渦輪發(fā)動機的工作原理，論述了其工作過程和熱循環(huán)模式。通過比較微型發(fā)動機與傳統(tǒng)發(fā)動機的工作過程，針對微型發(fā)動機的特點和技術難點，提出了一種新型的分布式微型發(fā)動機結構，將燃燒腔與渦輪轉動本體分離，可由一個燃燒腔提供動力，供給多個渦輪轉子轉動，大大簡化了微型發(fā)動機的設計，燃燒室內

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

4、機的性能，所以提高轉動軸與渦輪和壓氣機葉輪的同軸度是微型發(fā)動機研究中的一個難題。本文對發(fā)動機的轉動部件采用渦輪壓氣機一體式轉子結構設計，中間的旋轉軸與渦輪和壓氣機葉輪是一體的，這樣既能減少發(fā)動機部件的數(shù)量，又可保證軸與轉動部件的同軸度，可大大提高動葉輪在高速轉動過程中的穩(wěn)定性。同時，渦輪和壓氣機與旋轉軸的連接強度增大，可靠性大大增加。
　　由于微型發(fā)動機的旋轉軸半徑尺寸很小，并且轉動葉輪高速旋轉運動，普通的滾動軸承已經無法滿足需要

5、，本文設計了一種新型的微型徑向動壓氣浮軸承結構，將氣浮軸承與微型發(fā)動機外殼集成在一起，即簡化了總體結構，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部的流動情況進行了仿真與分析，驗證了所設計微型徑向動壓氣浮軸承結構的合理性，并進一步根據仿真計算的結果對所設計的微型徑向動壓氣浮軸承結構進行了優(yōu)化設計。
　　由于傳統(tǒng) MEMS加工技術的限制，目前在微型發(fā)動機的

6、研究中，其關鍵部件渦輪和壓氣機轉子的葉片造型通常為二維結構，并且通常只能使用硅基材料，這大大限制了微型發(fā)動機的發(fā)展和潛力。由于微型發(fā)動機的尺寸只有幾厘米甚至幾毫米大小，傳統(tǒng)的 MEMS技術目前還很難加工出具有自由曲面的微細結構。而微細電火花加工技術其具有無宏觀切削作用力、設備簡單和真三維加工能力等特點，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體材料、陶瓷等，使得微細電火花加工技術成為最適合加

7、工本文所提出的微三維結構的微型發(fā)動機的方法。
　　目前微細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電火花銑削加工過程中電極損耗的特點，提出了在線實時測量補償策略，并以此為基礎開發(fā)出微細電火花銑削專用的 CAM(Computer Aided Manufacturing)系統(tǒng)，解決使用微細電火花銑削技術加工制造微型發(fā)動機轉子所遇到的問題。
　　在充分挖掘微細

8、電火花加工技術特點的基礎上，根據微型渦輪發(fā)動機的結構特點，采用微細電火花加工技術為主要的加工手段對微型發(fā)動機的關鍵部件進行加工制造。使用微細電火花磨削技術加工渦輪壓氣機一體式轉子結構的旋轉軸；使用微細電火花銑削技術在高溫鎳合金材料上加工出了具有微三維結構的壓氣機和渦輪葉片；使用微細電火花線切割技術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，本文所設計并加工制造的微型渦輪發(fā)動機可以最高達到4×104RPM的轉速，