一種微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)及其組合微細(xì)電加工技術(shù)研究.pdf

1、人類探索太空和開(kāi)發(fā)太空資源的步伐隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的需求在逐步加快。伴隨著神州9號(hào)的順利升空并與天宮一號(hào)實(shí)現(xiàn)成功對(duì)接,各種空間試驗(yàn)站、深空探測(cè)器已成為各國(guó)太空探索、資源開(kāi)發(fā)和空間作戰(zhàn)防衛(wèi)的重要工具。
　　空間推進(jìn)器離不開(kāi)動(dòng)力系統(tǒng),微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)作為微動(dòng)力系統(tǒng)的一種,它具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、能量密度高等特點(diǎn),只需攜帶足夠的燃料即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離飛行任務(wù),滿足深空探測(cè)要求。但是,發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸的縮小會(huì)引起一系列問(wèn)題,比如加工、裝

2、配困難,表面散熱損失嚴(yán)重,燃料的停留時(shí)間短、燃燒穩(wěn)定性差等,這些嚴(yán)重制約著微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用。本文以微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象,在分析其工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,對(duì)其進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究為手段對(duì)其展開(kāi)相關(guān)技術(shù)研究。
　　設(shè)計(jì)了一種微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī),將一體化微型渦輪轉(zhuǎn)子與微型燃燒室集成,減小發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸、使其結(jié)構(gòu)緊湊。為了更直觀、準(zhǔn)確地分析氣體在葉片微小流道內(nèi)的流動(dòng)特性,采用全三維瞬態(tài)數(shù)值模擬方法對(duì)

3、微型壓氣機(jī)、渦輪葉片內(nèi)氣體的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行數(shù)值模擬與分析,能夠全三維觀察葉片內(nèi)部氣體從轉(zhuǎn)子啟動(dòng)開(kāi)始不同時(shí)刻的流動(dòng)狀態(tài),分析了壓氣機(jī)的工作性能以及不同渦輪出口安裝角對(duì)渦輪性能的影響,對(duì)微型徑向動(dòng)壓氣浮軸承的承載力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算及性能分析,該氣浮軸承能獲得足夠的徑向氣浮力支撐渦輪轉(zhuǎn)子。
　　基于微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種微環(huán)形燃燒室,使燃?xì)夂涂諝庠陬A(yù)混道中預(yù)先混合,延長(zhǎng)燃?xì)庠谖⑷紵覂?nèi)的化學(xué)反應(yīng)時(shí)間,同時(shí)還可充分利用微燃

4、燒室內(nèi)高溫燃?xì)獾谋诿鎮(zhèn)鳠嵝?yīng)對(duì)預(yù)混通道中的氣體進(jìn)行預(yù)熱,提高其入口溫度,增大燃?xì)庠谖⑿】臻g內(nèi)的可燃性。對(duì)微小空間混合燃?xì)馊紵M(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了當(dāng)量比、燃?xì)赓|(zhì)量流量、入口溫度和入口壓力對(duì)微燃燒的影響,為微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)提供參考。
　　針對(duì)微三維結(jié)構(gòu)開(kāi)展了微細(xì)電火花與電化學(xué)組合三維銑削加工實(shí)驗(yàn)研究,分析了不同電加工參數(shù)對(duì)工件成形精度及表面質(zhì)量的影響。利用實(shí)驗(yàn)所得的最優(yōu)組合加工參數(shù)實(shí)現(xiàn)高表面質(zhì)量、高加工效率、高加工精度的微三維

5、結(jié)構(gòu)的組合加工,可去除工件表面的重鑄層、微裂紋等表面缺陷,使壁面錐度進(jìn)一步減小,提高工件的使用性能。建立了組合加工模型,利用該模型可精確控制組合加工工件的尺寸精度。
　　為了提高復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的加工精度及表面質(zhì)量,在同一臺(tái)機(jī)床上不更換電極和工件裝夾的條件下開(kāi)展了微型渦輪轉(zhuǎn)子組件的組合微細(xì)電加工技術(shù)研究。采用非線性插補(bǔ)式電極損耗補(bǔ)償策略的微細(xì)電火花三維分層銑削加工壓氣機(jī)葉片,可使電極損耗得到及時(shí)補(bǔ)償,提高復(fù)雜三維曲面結(jié)構(gòu)的微細(xì)電火花銑

6、削加工的成形精度。采用微細(xì)電火花與電化學(xué)組合三維分層銑削加工方法加工渦輪葉片,提高了葉片的表面質(zhì)量、成形精度及加工效率,使氣體在葉片微小流道內(nèi)的流動(dòng)阻力及分離流損失減小,從而提高渦輪的輸出功率。此外,組合加工采用盤(pán)狀電極及較大的加工電參數(shù),可降低雜散腐蝕的影響,減小壁面錐度,實(shí)現(xiàn)大深寬比葉片薄壁零件的加工。利用微細(xì)電火花磨削與電火花線切割組合加工方法加工渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸,可獲得軸徑大小一致且兩端無(wú)圓角的微細(xì)軸。
　　對(duì)微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)