小涡喷设计
小涡喷设计
微型涡喷发动机总体性能设计完成后，根据其各部件性能参数、材料特性、加工精度、设计经验等条件，实现原理样机的结构设计。通常，总体结构的设计主要遵循以下三条设计原则：一、在确保微型涡喷发动机可靠性的前提下，力求结构简单、降低加工难度和减少零部件数量；二、为降低设计风险和减少设计周期，在成熟经验技术的基础上进行创新；三、结合现有微型涡喷发动机的设计、使用、维护等方面的经验，指导新机的结构设计。
总体结构设计
如图 1 所示，微型涡喷发动机主要由微型离心压气机、微型向心涡轮、微型环形回流燃烧室、尾喷管及其相关的附件系统组成。为满足微型结构设计和性能指标，单级离心压气机、回流环形燃烧室、单级向心涡轮和尾喷管从左至右排列，压气机叶轮和涡轮叶轮共轴设计，减少零件和增加机械传动效率，转子机械效率达到 0.995。各部件间紧凑连接，设计后的微型燃气轮机的总体结构长度为 226mm，周向直径为 118mm。
图 1 微型涡喷发动机总体结构
图 2 为微型涡喷发动机整机装配示意图，图中给出了发动机各部件之间的连结方式以及气体流路结构。如图所示，气流从进气道入口流入发动机内部，并沿轴向进入离心压气机，气体经过压气机加压后进入燃烧室，与燃料混合燃烧获取能量，进一步升温后形成高温高压燃气进入向心涡轮，在涡轮中膨胀做功，涡轮产功与压气机耗功相匹配，气体流出涡轮后在尾喷管中进一步膨胀并产生推力。
图 2 微型涡喷发动机整机装配图
图 3 微型涡喷发动机轴系结构
微型涡轮发动机压气机转子与涡轮转子刚性连接，采用 0-2-0 的两支点支撑方式，两轴承位于压气机和涡轮之间，压气机和涡轮背靠背悬臂安装，悬臂梁安装特性决定压气机和涡轮轴距尽可能缩短，进而导致燃烧室须放置在涡轮之后布置，轴系结构如图 3 所示。为减少轴系长度，缩短两支点之间距离。采用 GRW D688 深沟球轴承，压端轴承固定，涡端轴承轴向窜动，其内圈均通过挡圈固定，涡端轴承外圈与碟簧相配合，通过轴向预加力起到定心作用。为减少零件数量，压端轴承固定挡板与扩压器轮盘一体化设计，且两端挡圈均采用直口定位方式，从而保证径向安装精度，为保持端面水平，挡圈与轴套之间采用沉头螺栓连接。
在燃烧室与导叶结构连接处，采用如图 3-4 所示的“旋扣”式连接，即在火焰筒尾部周向均布六个安装柱，在导叶机匣切割出旋孔，安装柱轴向插入后沿周向旋转，且采用过盈配合方式，从而实现简单有效的固定与密封。为进一步防止气体泄漏，在扩压器轮毂上也切割与安装柱相配合的直口，且安装柱内部攻螺纹，与整机外壳以及燃烧室外壳均采用螺栓连接，此处的详细安装过程如图 4 所示。
图 4 部装流程
如图 5 所示，向心涡轮转子与转轴采用 M5 反螺纹连接方式，装配时首先将涡端轴承挡圈与轴套挡板装配到轴与轴套上，从而保证涡轮和导叶的轴向尺寸定位。向心涡轮转子与长 24mm 的 M5 轴段进行连接，涡轮转子孔与转轴之间采用过盈配合，两者无法通过挤压方式完成装配，在装配时对涡轮转子进行加热使其胀大，然后迅速与轴进行装配，待到冷却后达到更加牢固的效果。涡轮转子与机匣以及导叶端面之间保持 0.2mm 间隙，其径向尺寸链通过导叶与轴套的直口定位得以保证。然后，采用长 35mm 的 M2 螺杆连接轴套与挡板。
图 5 涡轮端结构图
如图 6 所示，压气机转子与转轴采用 M6 反螺纹的连接方式，压气机转子前端面与螺母接触面摩擦传递扭矩，后端面与压端轴承挡圈接触保证轴向定位，孔面与转轴 M7.8 轴段圆柱面接触定心，并且圆柱接触面采用过盈配合方式使得转子牢固。螺母前端为圆锥面，与起动电机的超越离合器胶圈相配合，起动电机通过螺母传递扭矩带动发动机工作，反螺纹连接方式确保了起动过程的可靠性。
图 6 压气机端结构图
图 7 给出了微型涡喷发动机油路结构，发动机采用开环润滑冷却系统，轴承润滑所需的滑油不单独提供，而是集成到燃油中，在航空煤油中增加 4%的滑油，通过轴套开 φ0.3 通孔将滑油直接引到轴承外圈。在轴套外不同轴向位置焊接两个油管安装座，与内含 φ0.3 通孔的油管外引插头相配合，这一结构可以同时保证油管的周向定位与轴向定位。油管通过扩压器叶片通孔与整机外壳通孔接到外部，轴孔定位也保证了油管径向位置。可将整体油管视为为直路供油管与环路供油管两部分，直路供油管尺寸 φ1.8，壁厚 0.2mm。环路供油管类似高压共轨结构，一方面可以保证火焰筒六个燃油喷嘴的喷射压力相同，另一方面可以起到储油效果，保证燃油沿周向均匀分布，加工时环形油路分半加工，通过连接处点焊进行装配，结构以及尺寸如图8 所示。
图 7 油路结构
图 8 油管结构
尾喷管结构设计
主要特性参数
微型涡喷发动机采用固定式收敛喷管，喷管内在特性可用流量系数 φNZ 和推力系数 CF 来描述。其中，流量系数 φNZ 为流过喷管的实际气体流量 WNZ,ac 与理想气体流量 WNZ,id 之比，即：
上式中，WNZ,id 为一维等熵流动计算得到的尾喷管理想流量，除上式之外，收敛喷管流量系数还可以近似根据收敛半角以及喷管进出口面积比 A8/A7 表示：
推力系数为尾喷管实际推力 FNZ,ac 与等熵状态下的理想推力 FNZ,id 之比，即：
收敛喷管的推力系数也受非等熵、粘性流动以及多维流动效应等影响，在设计阶段，仅考虑非等熵流动对收敛喷管推力的影响，其流量系数可用下式近似表示。
上式中的 ψNZ 为速度系数，可用收敛喷管出口速度 V8 和一维等熵流动出口速度 Vid 之比表示，即：
其中一维等熵流动出口速度 Vid 可用进出口滞止焓差表示为：
结构设计
尾喷管的设计采用求解三维 N-S 方程方法，进口截面积由涡轮出口面积确定，通过 ICEM CFD 的 rpl 文件自动修改尾喷管几何的收敛角与出口截面半径，进而自动生成计算网格进行 CFD 计算，其进口截面总压为 155602Pa，环境静压设置为 101325Pa，进过迭代计算最终确定得到的尾喷管设计参数如下：
表 1 尾喷管设计结果
确定尾喷管流道尺寸后，需要确定其结构尺寸。尾喷管放置于环形回流燃烧室尾部，气流在流过向心涡轮后，经一长约 63mm 的等截面过渡通道进入尾喷管。为防止流道截面突变造成的气动损失，喷管壁厚仅 0.1mm，且在其上设置肋板，沿轴向均布 6 个 M4 螺纹孔与燃烧室外壳连结并固定，部装图如图 9 所示。
图 9 喷管与燃烧室外壳装配示意图
