一種微型燃氣渦輪發(fā)動機及其組合微細電加工技術(shù)研究.pdf

1、人類探索太空和開發(fā)太空資源的步伐隨著科技的發(fā)展和社會的需求在逐步加快。伴隨著神州9號的順利升空并與天宮一號實現(xiàn)成功對接,各種空間試驗站、深空探測器已成為各國太空探索、資源開發(fā)和空間作戰(zhàn)防衛(wèi)的重要工具。
　　空間推進器離不開動力系統(tǒng),微型燃氣渦輪發(fā)動機作為微動力系統(tǒng)的一種,它具有尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、能量密度高等特點,只需攜帶足夠的燃料即可實現(xiàn)遠距離飛行任務(wù),滿足深空探測要求。但是,發(fā)動機尺寸的縮小會引起一系列問題,比如加工、裝

2、配困難,表面散熱損失嚴重,燃料的停留時間短、燃燒穩(wěn)定性差等,這些嚴重制約著微型燃氣渦輪發(fā)動機的發(fā)展及應(yīng)用。本文以微型燃氣渦輪發(fā)動機為研究對象,在分析其工作原理和結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上,對其進行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計,以數(shù)值模擬和實驗研究為手段對其展開相關(guān)技術(shù)研究。
　　設(shè)計了一種微型燃氣渦輪發(fā)動機,將一體化微型渦輪轉(zhuǎn)子與微型燃燒室集成,減小發(fā)動機尺寸、使其結(jié)構(gòu)緊湊。為了更直觀、準確地分析氣體在葉片微小流道內(nèi)的流動特性,采用全三維瞬態(tài)數(shù)值模擬方法對

3、微型壓氣機、渦輪葉片內(nèi)氣體的動力學(xué)特性進行數(shù)值模擬與分析,能夠全三維觀察葉片內(nèi)部氣體從轉(zhuǎn)子啟動開始不同時刻的流動狀態(tài),分析了壓氣機的工作性能以及不同渦輪出口安裝角對渦輪性能的影響,對微型徑向動壓氣浮軸承的承載力進行了數(shù)值計算及性能分析,該氣浮軸承能獲得足夠的徑向氣浮力支撐渦輪轉(zhuǎn)子。
　　基于微型燃氣渦輪發(fā)動機的結(jié)構(gòu)特點,設(shè)計了一種微環(huán)形燃燒室,使燃氣和空氣在預(yù)混道中預(yù)先混合,延長燃氣在微燃燒室內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)時間,同時還可充分利用微燃

4、燒室內(nèi)高溫燃氣的壁面?zhèn)鳠嵝?yīng)對預(yù)混通道中的氣體進行預(yù)熱,提高其入口溫度,增大燃氣在微小空間內(nèi)的可燃性。對微小空間混合燃氣燃燒進行了數(shù)值模擬,分析了當量比、燃氣質(zhì)量流量、入口溫度和入口壓力對微燃燒的影響,為微型渦輪發(fā)動機樣機實驗提供參考。
　　針對微三維結(jié)構(gòu)開展了微細電火花與電化學(xué)組合三維銑削加工實驗研究,分析了不同電加工參數(shù)對工件成形精度及表面質(zhì)量的影響。利用實驗所得的最優(yōu)組合加工參數(shù)實現(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,在同一臺機床上不更換電極和工件裝夾的條件下開展了微型渦輪轉(zhuǎn)子組件的組合微細電加工技術(shù)研究。采用非線性插補式電極損耗補償策略的微細電火花三維分層銑削加工壓氣機葉片,可使電極損耗得到及時補償,提高復(fù)雜三維曲面結(jié)構(gòu)的微細電火花銑

6、削加工的成形精度。采用微細電火花與電化學(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,實現(xiàn)大深寬比葉片薄壁零件的加工。利用微細電火花磨削與電火花線切割組合加工方法加工渦輪轉(zhuǎn)動軸,可獲得軸徑大小一致且兩端無圓角的微細軸。
　　對微型燃氣渦輪發(fā)動機