某微型渦輪噴氣發動機結構設計

曹永華，朱閃閃，欒 飛，趙澤楷

（江蘇航空職業技術學院航空工程學院，江蘇 鎮江 212134）

0 引言

常見的航空發動機可分為渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機、渦輪螺旋槳發動機及渦輪軸發動機，后三種類型的發動機是在渦輪噴氣發動機的基礎上進行結構改進，以達到不同的功率和效率。發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 的航空發動機常稱為微型航空發動機。微型航空發動機結構尺寸受到限制，結構不宜復雜，所以微型渦輪風扇發動機、微型渦輪螺旋槳發動機及微型渦輪軸發動機都還沒有得到真正的使用，而微型渦輪噴氣發動機已經在各種軍用或民用無人機上使用，加之其成本較低，亦在不進行回收循環使用的靶機、制導彈藥等裝備上廣泛使用。隨著多種飛行器對續航能力、機動能力等性能的高要求，微型渦輪噴氣發動機憑借其航程遠、推力大的優勢受到越來越多的關注，在國內外成為研究的熱點。

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

國內微型渦輪噴氣發動機的研究起步較晚，上個世紀90 年代初期，西北工業大學微型航空發動機研究所自行設計和研制了我國第一臺微型渦輪噴氣發動機W2P-1，填補了我國在該領域研究的空白[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、南京航空航天大學等研究機構或高校也在微型渦輪噴氣發動機領域進行了深入的研究，出現了CYS-40WP/-80WP、MTE-160 等型號的渦輪噴氣發動機[4]，整體發展趨勢也是朝著高性能低成本的方向邁進。

1 微型渦輪噴氣發動機的工作原理及組成

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

圖1 微型渦輪噴氣發動機結構

2 微型渦輪噴氣發動機的結構設計

2.1 壓氣機結構設計

微型渦輪噴氣發動機壓氣機的設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，相比于大發中多級軸流式壓氣機，微型渦輪發動機中壓氣機常采用單級離心式壓氣機的結構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計采用主流葉片和分流葉片兼顧使用的方式進行穩定流場處理，如圖2 所示；微型渦輪噴氣發動機中壓氣機靜子即擴壓器的設計需要使得沿徑向流動的氣流轉變為沿軸向流動，同時流動過程中持續增壓，本文所設計的擴壓器將徑擴和軸擴分開，徑擴和軸擴流道都設計成擴張通道，以實現減速增壓，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計螺紋安裝孔，用以與擴壓器機匣裝配，螺紋孔的設計便于安裝與定心，同時通過緊固螺釘施加的預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 燃燒室結構設計

在微型渦輪噴氣發動機燃燒室的設計過程中要兼顧穩定點火和安全燃燒[5]。

穩定點火方面：微型渦輪噴氣發動機與大型渦輪噴氣發動機相同，需要對壓氣機出口的氣流進行減速，大型渦輪噴氣發動機上常采用的方式有：漸擴型火焰筒結構、旋流器設計、霧化或汽化噴嘴等。微型渦輪噴氣發動機在燃燒室設計時采用環形燃燒室結構，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入燃燒室，流道面積顯著增大，氣流軸向速度可以進一步減小，以便于點火；微型渦輪噴氣發動機設計燃燒室時，沒有足夠的空間設計精細的旋流器，本文設計時采用在火焰筒前端設計與火焰筒內環相切的進氣小管進行氣流導向，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動機中使用蒸發管燃油噴嘴，燃油管路供應燃油進入蒸發管，蒸發管受熱負載作用，使得液體燃油汽化形成蒸汽與氣流摻混，相比傳統霧化型噴嘴其結構簡單，便于裝配，如圖7。綜上所述，特定結構設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定燃燒。

圖5 流道變化示意圖

圖6 旋流產生示意圖

圖7 蒸發管燃油噴嘴

安全燃燒方面：微型渦輪噴氣發動機相比于大型渦輪噴氣發動機，沒有較為復雜的空氣系統進行渦輪葉片等熱端零件的冷卻，所以需要在結構設計中保留較大的安全裕度。本文中燃燒室火焰筒的設計采用鈑金成型技術，內外環上均設計有氣流稀釋孔，通過等厚鋼板沖壓鈑金成型，如圖8。卷焊后內外圈與火焰筒前壁點焊形成圖6 所示火焰筒結構，在火焰筒內部燃燒，火焰筒外部不斷有冷氣流進入火焰筒，保證火焰不竄出火焰筒。燃燒室的壓力負載由發動機機匣承擔，燃燒室的熱負載由火焰筒承擔，同時燃燒室出口冷卻氣流和高溫燃氣的稀釋摻混也能保證渦輪葉片不被燒壞。

圖8 火焰筒內外圈成型過程

2.3 渦輪結構設計

因為燃燒室設計時已考慮到控制燃燒室排氣溫度，本文中關于微型渦輪噴氣發動機中渦輪的設計采用單級軸流式渦輪，渦輪采用內部實心結構，相比大型渦輪噴氣發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 渦輪盤結構

2.4 其它零件結構設計

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

圖10 油管管路設計

如圖11（a）、（b）所示，燃油進入油環右邊凹槽內后分別進入滑油腔和燃油管，進入滑油腔的燃油用于冷卻潤滑，如圖12 所示，流經滑油管后進入前軸承，對其進行潤滑冷卻，集聚的燃油經過軸套與軸之間的環形通道，再對后軸承進行潤滑冷卻，隨后排至渦輪轉子進口處與燃氣混合燃燒；圖11（c）所示燃油進入油環左邊凹槽，則燃油流至點火器，進行點火器噴油，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供油，而點火過程僅僅是一短暫瞬間，不需要連續供油。

圖11 油管管路設計

圖12 滑油潤滑冷卻油路

3 結語

本文以微型渦輪噴氣發動機的設計為主要研究方向，通過對目前微型渦輪噴氣發動機研究趨勢的調研，確定了微型渦輪噴氣發動機應以結構簡單易裝配為主要設計準則，本文的結構設計亮點主要體現為：

（1）主/分流葉片離心葉輪設計提高壓比與流動性能，簡化結構；

（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、焊接等技術簡化火焰筒結構；

（4）氣流分股，冷熱摻混保證渦輪安全，以降低渦輪葉片結構加工難度；

（5）緊湊型供油裝置的設計大大減小了發動機的零件數量和體積。