定子转子系统与启动减震系统

北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计定子转子系统与启动减震系统、及其外壳等部件设计与制作摘要自从1988年出现了第一架遥控式喷射涡轮模型引擎飞机试飞后，遥控模型界便迎来了喷射涡轮引擎的时代。经过几十年的沉淀，现如今国外随着微机电技术（MEMS）的发展，出现了更小的涡轮喷气式发动机，而在全国大概已经有十几个公司在研制，也有民营企业投资的公司和原来航天系以及中科院物理所热机所的单位出来研制的。微型涡喷的关键不在于它的价格，而在于它的使用寿命，目前所有的参数，时间寿命大多不超过25小时。为此作者对微型涡喷发动机的每个零件进行各个方面的理解与剖析，对整个微型涡喷发动机的机械设计合理度进行检查；还设计了对应的组装顺序，解决了组装过程中，调试转子系统的转动润滑度等问题；以及实现了主控的焊接、气路的连接和主控电路的布线与固定，解决了启动电机和主轴轴心度问题，和测量转速传感器的固定等调试过程中的一系列问题。本次作者主要是完成微型涡轮喷气发动机定子转子系统、启动减震系统、及其外壳等部件的设计与制作。通过使用PORE三维建模软件对微型涡喷发动机总图进行5次不断的优化设计、使用AUTOCAD软件出工程图纸加工，从而设计实现测试平台，并对整体发动机、主控进行逐步的组装和调试，最终完成一台能提供50N推力的微型涡喷发动机。关键词：定子转子；启动减震；PORE三维建模；组装和调试AbstractTheeraofremotecontrolledmodelsbeganin1988withthefirsttestflightofaremotecontrolledjetturbineengine.Afterdecadesofprecipitation,nowwiththedevelopmentofmicro-electro-mechanicalsystems(MEMS)abroad,therearesmallerturbinejetengine,andinthecountrytherehavebeenaboutadozencompaniesinthedevelopment,therearealsoprivateinvestmentcompaniesandtheoriginalAerospaceDepartmentandtheChineseAcademyofSciencesInstituteofheatengineunitsoutofthedevelopment.Thekeytomicro-vortexinjectionisnotitsprice,butitsservicelife,allthecurrentparameters,thetimelifeisnotmorethan25hours.Forthisreason,Iunderstandandanalyzeeverypartoftheengineineveryaspect,checktherationalityofthewholeengine'smechanicaldesign,anddesignthecorrespondingassemblysequencetosolvetheassemblyprocess,theproblemssuchastherotationlubricationdegreeoftherotorsystem,theweldingofthemaincontrol,theconnectionofthegaspathandthewiringandfixingofthemaincontrolcircuitarerealized,andtheproblemsofthestartingmotorandthespindleaxisdegreearesolved,andthemeasurementspeedsensorfixeddebuggingprocesssuchasaseriesofproblems.Thistime,Imainlyfinishedthedesignandmanufactureoftheminiatureturbojetsystem,thestartingdampingsystem,anditsShell.ByusingPore3dmodelingsoftwaretooptimizethegeneraldrawingofmicro-enginefor5times,andusingAUTOCADsoftwaretoprocessengineeringdrawing,thetestplatformisdesignedandrealized,thewholeengineandthemaincontrolweregraduallyassembledanddebuggedtocompletea50Nthrustturbojet.Keywords:StatorandRotor；StartandDamping；Porethree-dimensionalModeling；AssemblyandDebugging目录第一章 前言 前言1.1本设计的目的、意义及应达到的技术要求一、目的在查阅相关资料与数据的基础上进行微型涡轮喷气发动机设计与试制，其内容包括微型涡轮喷气发动机定子转子系统、启动减震系统、和外壳等部件的设计与制作，以及使用PORE三维建模对微型涡喷发动机总图进行5次不断的优化设计加工、设计和手动加工测试平台、对整体进行组装，调试。最终的目标是调试出一台能提供约50N推力的微型涡喷发动机，并完成相应图纸和设计说明书。二、意义微型涡喷发动机虽说结构看起来很简单，但每处的尺寸都是非常严格，技术含量非常高，而且加工也很复杂，这也是微型涡喷发动机价格昂贵的原因。作为一名大四的学生，设计并制作出一部微型涡轮喷气式发动机实物，这是具有非常大的挑战，但是相信最后会受益匪浅的。这是学校第一部由学生自己制作的微型涡喷发动机。假如自制的微型涡喷发动机最终可以达到相应的性能，后期学院再加以优化版本，相信最终可以给学院的航模表演团队提供可自制的涡喷发动机，也将大大的推动该团队在燃油大型航模表演上的发展。这将不仅仅在学校的微型涡喷发动机邻域有推进作用，还会给航模表演社团提供较大的技术上支持，有重要的意义。三、应达到的技术要求：（一）所有5个总装配图的三维建模，所有零件结构的定位等工作技术要求；（二）出图的质量，加工工艺的合理，加工出来工件的精度要求；（三）组装顺序的合理性，调试出良好的主轴旋转润滑度要求；（四）自己手动设计加工测试平台，设计三维图纸、找材料、自己切割、打孔、最后用螺丝固定；保证测试平台结构的稳定性，价格的较低，且实现周期短要求；（五）控制电路中线路的焊接，测量转速传感器实际组装中平行度要求的固定、温度传感器的固定，及其主控所有元件、气路线路等在测试平台上的固定和组装要求；（六）调试中，启动电机和主轴的轴心度，要求在高速的一段时间下，主控的控制面板不会报错；（七）调试减震系统，增强转子系统稳定性要求；（八）转子系统的全转速动平衡实验，对压气轮和涡轮等部件的调试要求；（九）前导流罩和扩压器通过螺丝连接装配后，两者的同轴度变差范围对前导流罩与叶轮之间间隙均压性的技术要求；1.2本设计在国内外的发展概况及存在的问题自从1988年开始，出现了第一架遥控式喷射涡轮模型引擎飞机试飞后，遥控模型界便迎来了喷射涡轮引擎的时代。直到1993年的法国，Jpx推出以丙烷为燃料的商品航模涡轮发动机，随后出现了各种商业涡喷厂家，使得涡喷发动机的价钱可以被少部分人接受。因此，飞机比例缩小，配上喷气发动机的航模像真机，成了发达国家地区的航模爱好者最热门的爱好。英国的一位工程师KurtShreckling自己设计的第一款涡轮喷气发动机，并在1998年出版了一本名叫《航模喷气发动机-Gasturbineengineforaircraftmodel》的书籍，打破了涡喷发动机爱好者不能业余自制的神话。由于商品涡喷发动机，价格昂贵，在国外的折合人民币高达30000元；而在国内也有着市场小、价格高的特点，因此诸多的国内航模爱好者选择自己制作涡喷发动机。现如今，这类的微型涡喷发动机在全国大概已经有十几个公司有在研制，有民营企业投资的公司和原来航天系以及中科院物理所热机所的单位出来研制的。微型涡喷的关键不在于它的价格，而在于它的使用寿命，目前所有的参数，其时间寿命都不高于25小时。因为尺寸效应问题，在微型涡喷里面无法部署完整的系统，所以说叶片主轴的高温部分以及轴承润滑问题还没有找到良好解决方案。微型涡喷发动机的设计2.1设计原理微型涡喷发动机的工作原理是先由发动机最前端的压气机涡轮将空气压缩,压缩后的空气温度上升;空气从压气机进入燃烧室,将燃油雾化后形成油气混合物;火花塞或电热塞将混合气点燃,燃气爆燃做功,形成高温高压气体;高压气体推动涡轮运转,涡轮通过传动轴带动压气机涡轮吸气,形成整个热机循环。本次微型涡喷发动机用于航模。气流从燃烧室外流过,从燃烧室后部的蒸发管进入。高速气流在撞到发动机內壁转弯时会产生涡流,引起能量的损失,从而降低气流速度,同时,这样布置可以给发动机和燃烧室降温,避免燃烧室过热。2.2整体微型涡喷发动机应设计的机械部分2.2.1转子系统的设计与出图加工转子系统是通过前后轴承的外圈和定子系统进行配合，从而使发动机的可以在高速旋转中提供所需要的推力。要想承受极高的速度，不仅仅要对压气轮和涡轮单个部件进行动平衡调试，而且要对整个转子系统的全转速动平衡调试，所以转子系统的实物设计和制作在整个涡喷发动机中是一个难题。一、转子系统的组成（如图2-1和图2-2，从左向右）：压气轮螺母、压气轮、定距环C、前轴承、主轴、后轴承、定距环T、涡轮、涡轮螺母。二、转子系统的定位：以转子系统为参考，后面的定子系统等系统将依次介绍。图2-1转子系统的三维视图 图2-2转子系统的剖视图，主轴、涡轮和涡轮螺母的位置 三、转子系统部件采用的材料、结构特点、工程图要点及其加工和检查项目压气轮螺母（如图2-3）1.材料上：采用的是7075铝合金。2.结构上：（1）M6的螺纹通孔：孔的一端是螺纹连接主轴的一端，孔的另一端是放入小磁铁（主轴旋转后，小磁铁上方的测量转速传感器，可以测量到小磁铁的转动，从而测量到发动机的实际转速）；（2）工件的两边各铣了1.5mm的距离，这是为了方便使用扳手、钳子进行拆装。3.工程图纸上：（1）该旋转工件的轴心度有要求，保证它和主轴的轴心对齐；（2）该旋转工件和压气轮的接触面有平面度要求。4.加工和检查项目上：（1）用车床和铣床加工；（2）检查该旋转工件和主轴螺纹连接，实际上有没有旋转不进去的问题。注明：每次加工检查项目，是一旦拿到工件就逐步检查，发现问题及时返工，防止拖进度。（A）压气轮螺母(B)压气轮螺母的位置图2-3压气轮螺母及其位置压气轮（如图2-4的A和B）1.材料上：采用的是KKK成品材料，该材料为德国专有。2.结构上：（1）该旋转工件的孔和主轴配合。3.工程图纸上：（1）该旋转工件的轴心度有要求，保证它和主轴的轴心对齐；（2）该旋转工件和压气轮螺母的接触面有平面度要求；（3）该旋转工件和定距环C的接触面有平面度要求。4.加工和检查项目上：（1）用5轴加工中心加工；（2）检查该旋转工件孔的尺寸是否达标。（3）检查该旋转工件的总长是否达标。(A)压气轮(B)压气轮和定距环C的位置（C）定距环C图2-4压气轮和定距环C，及其它们的位置定距环C（如图2-4的B和C）材料上：采用的是7075铝合金。结构上：（1）该旋转工件的孔和主轴配合。工程图纸上：（1）该旋转工件的轴心度有要求，保证它和主轴的轴心对齐；（2）该旋转工件和压气轮的接触面有平面度要求；（3）该旋转工件和前轴承的接触面有平面度要求。加工和检查项目上：（1）用车床加工；（2）检查该旋转工件孔的尺寸是否达标。（3）检查该旋转工件的总长是否达标。（四）前轴承、后轴承（如图2-5和图2-4的B）：1.材料上：采用的是陶瓷球轴承。2.结构上：（1）8x22x7规格的轴承；（2）无密封圈，为了冷却气体更好的通过前轴承，再冷却到后轴承；也为了润滑油更好的进入轴承中；（3）该旋转工件的孔和主轴配合。3.工程图纸上：（1）该旋转工件的轴心度有要求，保证它和主轴的轴心对齐；（2）该旋转工件和压气轮的接触面有平面度要求；（3）该旋转工件和前轴承的接触面有平面度要求。4.加工和检查项目上：（1）成品加工件；（2）无检查。(A)前后轴承（B）前后轴承和定距环T的位置（C）定距环T图2-5前后轴承和定距环T，及其他们的位置（五）主轴（如图2-6和图2-2）1.材料上：采用的是7075铝合金。2.结构上：（1）工件两端都有M6的外螺纹，前端和压气轮螺母连接，后端和涡轮螺母连接；（2）工件的中间分别和压气轮、定距环C、前轴承、后轴承、定距环T、涡轮的孔连接。3.工程图纸上：（1）该旋转工件的轴心度有要求，保证它和主轴的轴心对齐；（2）该旋转工件和前轴承、后轴承的接触面有平面度要求；（3）该旋转工件和涡轮螺母的接触面有平面度要求；4.加工和检查项目上：（1）用车床加工；（2）检查该旋转工件和压气轮螺母和涡轮螺母的螺纹连接，实际上有没有旋转不进去的问题；（3）检查该旋转工件和前轴承、后轴承的检查直径，尺寸是否有问题；（4）检查该旋转工件的每个长度是否达标。图2-6主轴定距环T（如图2-5的B和C）材料上：采用的是7075铝合金。结构上：（1）该旋转工件的孔和主轴配合。工程图纸上：（1）该旋转工件的轴心度有要求，保证它和主轴的轴心对齐；（2）该旋转工件和后轴承的接触面有平面度要求；（3）该旋转工件和涡轮的接触面有平面度要求。加工和检查项目上：（1）用车床加工；（2）检查该旋转工件孔的尺寸是否达标；（3）检查该旋转工件的总长是否达标。涡轮（如图2-8和图2-2）材料上：采用的是航空高温合金K418。结构上：（1）该旋转工件的孔和主轴配合。工程图纸上：（1）该旋转工件的轴心度有要求，保证它和主轴的轴心对齐；（2）该旋转工件和定距环T的接触面有平面度要求；（3）该旋转工件和涡轮螺母的接触面有平面度要求。加工和检查项目上：（1）用精密铸造和CNC加工成型；（2）检查该旋转工件孔的尺寸是否达标；（3）检查该旋转工件的总长是否达标。图2-8涡轮图2-9涡轮螺母（八）涡轮螺母（如图2-2和图2-9）1.材料上：采用的是7075铝合金。2.结构上：（1）该旋转工件的孔和主轴配合。3.工程图纸上：（1）该旋转工件的轴心度有要求，保证它和主轴的轴心对齐；（2）该旋转部件和涡轮的接触面有平面度要求。4.加工和检查项目上：（1）用精密铸造和车铣加工；（2）检查该旋转工件孔的尺寸是否达标；（3）检查该旋转工件和主轴螺纹连接，实际上有没有旋转不进去的问题。2.2.2定子系统的设计与出图加工定子系统是通过前后轴承的外圈和转子系统进行配合，从而对转子系统进行固定。润滑冷却都是间接通过定子对主轴上的轴承进行工作的，并且大轴套可以有效的隔离来自燃烧室带来的温度，保护了转子的正常运行，提高发动机的使用寿命。所以定子系统的实物设计和制作在整个微型涡喷发动机中是一个必不可少的。一、定子系统的组成（如图2-10，从左向右）：扩压轮（4个M3x10的沉头螺丝）、大轴套、弹簧、小轴承、涡轮导向器。二、定子系统的定位（如图2-11）：通过前轴承的外圈表面和大轴承的的轴肩，及其后轴承的外圈表面和小轴承的的轴肩进行轴向定位；定子系统是通过前后轴承的外圈和转子系统配合。（A）定子系统的三维视图（B）定子系统的剖视图图2-10定子系统的三维视图和剖视图图2-11定子系统的位置三、定子系统部件采用的材料、结构特点、工程图要点及其加工和检查项目（一）扩压轮（如图2-12）1.材料上：采用的是7075铝合金。2.结构上：（1）该旋转工件的孔和前轴承的外圈前端配合；（2）通过4个M3x10的沉头螺丝，将该工件和大轴套连接在一起；（3）该旋转工件的15个M3的螺纹孔的轴心有轴心度有要求，保证它和进气道15个M3孔的轴心对齐；（4）该旋转工件和进气道的接触平面有平面度要求；（5）该旋转工件和扩压轮的接触圆面有圆度要求；（6）该旋转工件圆周面上的4个M3的螺纹孔的轴心有轴心度有要求，保证它和外壳的4个M3的通孔的轴心对齐；（7）通过该工件的4个M3的通孔、4根M3x20的双通铜柱、燃烧室的4个M3的通孔、4根M3x10的内六角螺丝，将该工件和燃烧室连接在一起。3.工程图纸上：（1）该旋转工件的轴心度有要求，保证它和主轴的轴心对齐；（2）该旋转工件的4和M3的孔的轴心有轴心度有要求，保证它和大轴承4个M3孔的轴心对齐；（3）该旋转工件和大轴套的接触面有平面度要求。4.加工和检查项目上：（1）用5轴加工中心加工成型；（2）检查该旋转工件孔的尺寸是否达标；（3）检查该旋转工件的总长是否达标。（A）扩压轮(B)扩压轮和大轴套的位置图2-12扩压轮、及其扩压轮和大轴套的位置（A）大轴套（B）大轴套的润滑油口图2-13大轴套和大轴套的润滑油口（二）大轴套（如图2-12的B和图2-13）：1.材料上：采用的是7075铝合金。2.结构上：（1）该旋转工件的前孔和前轴承的外圈后端进行配合；该旋转工件的后孔和前轴承的外圈后端进行配合；（2）通过4个M3x10的沉头螺丝，将该工件和扩压轮连接在一起；（3）大轴套前端开有直径0.9的孔，用于润滑油管的通入，对前轴承进行润滑。3.工程图纸上：（1）该旋转工件的轴心度有要求，保证它和主轴的轴心对齐；（2）该旋转工件的4和M3的孔的轴心有轴心度有要求，保证它和扩压轮4个M3孔的轴心对齐；（3）该旋转工件和扩压轮的接触面有平面度要求；（4）该旋转工件后端与弹簧、小轴套配合的孔表面有圆度要求；（5）该旋转工件后端与涡轮导向器配合的轴表面有圆度要求。4.加工和检查项目上：（1）用车床和铣床加工成型；（2）检查该旋转工件有配合要求的孔、轴的尺寸是否达标；（3）检查该旋转工件的总长是否达标。图2-14弹簧，弹簧、小轴套和涡轮导向器的位置（三）弹簧（如图2-14）： 1.材料上：采用的是弹簧钢。2.结构上：（1）该旋转工件的外面和大轴套的后孔进行配合。3.工程图纸上：（1）该旋转工件的轴心度有要求，保证它和主轴的轴心对齐；（2）该旋转工件和大轴套的接触面有平面度要求。4.加工和检查项目上：（1）无，成品加工件；（2）检查该旋转工件的外径尺寸是否达标；（3）检查该旋转工件的总长是否达标。（四）小轴套（如图2-15和图2-14）：1.材料上：采用的是7075铝合金。2.结构上：（1）该旋转工件的外圈和大轴套的后孔进行配合。3.工程图纸上：（1）该旋转工件的轴心度有要求，保证它和主轴的轴心对齐；（2）该旋转工件和弹簧的接触面有平面度要求；（3）该旋转工件和后轴承外圈的接触面有平面度要求。4.加工和检查项目上：（1）用车床加工成型；（2）检查该旋转工件外外径尺寸是否达标；（3）检查该旋转工件的总长是否达标。图2-15小轴套图2-16涡轮导向器（五）涡轮导向器（如图2-16和图2-14）：1.材料上：采用的是航空高温合金K418。2.结构上：（1）该旋转工件的孔和大轴套后端配合。3.工程图纸上：（1）该旋转工件的轴心度有要求，保证它和主轴的轴心对齐；（2）该旋转工件的孔和大轴套的轴配合，有圆度要求。4.加工和检查项目上：（1）用精密铸造和CNC加工成型；（2）检查该旋转工件孔的尺寸是否达标；（3）检查该旋转工件的总长是否达标。2.2.3启动系统的设计说明启动系统采用的是电机（永磁高速直流电机）启动方式。启动系统是微型涡喷发动机运行的开始，只有启动电机带动主轴一定的速度时，让外界的气体通过压气轮形成高速高压的气体，再通过扩压轮形成更高压力的低速气体，从而进入燃烧室，配合燃烧油和火花塞进行点燃。所以启动系统的实物设计和制作在整个微型涡喷发动机运行中是第一步。一、启动系统的组成（如图2-17，从左向右）：线路接口、启动电机的机身（3个M3x18+6的单通六角铜柱）、离合器。二、启动系统的定位（如图2-18）：启动电机是整套成品。通过启动电机3个M3的孔、3个M3x18+6的单通六角铜柱、3个M3*10的螺丝和前端组件的3个M3的孔，将启动电机固定到发动机的进气道上。三、启动系统的工作原理（如图2-17）：离合器通过顺时针转动，伸入发动机连接主轴旋转；通过逆时针转动，伸出发动机断开主轴，停止旋转。（A）启动电机（B）启动电机的安装（C）离合器图2-17启动电机及其安装、离合器图2-18启动电机的位置2.2.4减震系统的设计说明在测试平台调试过程中,转子失稳会造成轴心轨迹发散,涡动运动扩散,进而导致定子转子系统严重碰磨损坏。在80000-100000r/min转速范围内多次出现周向碰磨，使叶轮、涡轮、前导流罩、涡轮导向器出现不同程度的磨损。期间,最高振动加速度幅值可达到200g左右。所以想保证微型涡喷发动机整体的结构稳定性，减震系统的加入是很有必要的。一、弹簧（如图2-19）的外径=22mm。由于后轴承的外径和组装顺序的合理性，弹簧、小轴套和后轴承必须安装在大轴承同一尺寸的孔内，所以弹簧的外径要等于后轴承的外径。二、根据要提供40N的张力，理论初步选用对应的弹簧。Y=KX（2-1）；Y为张力，K为弹簧系数，X为有效伸缩量=11.5mm。K=G∙G为商家工具钢的弹力系数=8×103(Kg/mm根据式2-1、2-2，最终初步选用外径22mm,线径为2.5mm，长度为20mm，材料为弹簧钢的弹簧。三、购买弹簧实物后，用40N的重物压缩，有效伸缩量11mm（不超过弹簧失效伸缩量），证明弹簧满足需求，最终选用该规格的弹簧。（A）弹簧（B）弹簧的位置图2-19弹簧及其位置2.2.5外壳等部件的设计与出图加工外壳等部件指的是指除了定子转子系统、启动减震系统、燃烧室系统、喷油系统、润滑系统与尾喷部件之外的所有部件。它们将所有各个系统完全结合在一起，才形成一个微型涡喷发动机的机械整体，所以外壳等部件的设计与出图加工是整个微型涡喷发动机身中的最后一步。一、外壳等部件的组成（如图2-20）：进气道、外壳、法兰盘。图2-20外壳等部件的剖视图二、外壳等部件采用的材料、结构特点、工程图要点及其加工和检查项目（一）进气道（如图2-21）1.材料上：采用的是7075铝合金。2.结构上：（1）通过该工件12个M3的通孔、12个M3x10的内六角螺丝、扩压轮上的12个螺纹孔，让该工件和扩压轮连接在一起；（2）该工件其余3个M3的通孔和扩压轮上的3个螺纹孔，分别是燃烧油口、润滑油口和通气口；（3）该工件有3个M3的通孔，使用M3x18的单通铜柱和M3X10的螺丝，对启动电机和进气道进行连接。3.工程图纸上：（1）该旋转工件的轴心度有要求，保证它和主轴的轴心对齐；（2）该旋转工件的15个M3的孔的轴心有轴心度有要求，保证它和扩压轮15个M3孔的轴心对齐；（3）该工件和扩压轮的接触平面有平面度要求；（4）该工件和扩压轮的接触圆面有圆度要求。4.加工和检查项目上：（1）用5轴加工中心加工成型；（2）检查该旋转工件的总长是否达标。（A）进气道(B)进气道的位置图2-21进气道及其位置（二）外壳（如图2-22）1.材料上：采用的是304不锈钢。2.结构上：（1）通过该工件4个M3的通孔、4个M3x10的内六角螺丝、扩压轮圈周上的4个螺纹孔，让该工件和扩压轮连接在一起；（2）通过该工件1个M6.7的通孔、热火头的M6的螺纹轴、燃烧室外圈的M6的螺纹孔，让该工件、热火头和燃烧室连接在一起；（3）通过该工件后面的12个M3的通孔、法兰盘的12个M3的螺纹孔、尾喷管的12个M3的通孔，将该工件、涡轮导向器、法兰盘和尾喷管连接在一起。3.工程图纸上：（1）该旋转工件的轴心度有要求，保证它和主轴的轴心对齐；（2）该旋转工件的4个M3的孔的轴心有轴心度有要求，保证它和扩压轮的4个M3孔的轴心对齐；（3）该工件和法兰盘的接触平面有平面度要求；（4）该工件和尾喷管的接触平面有平面度要求；（5）该旋转工件后面的12个M3的孔的轴心有轴心度有要求，保证它和法兰盘、尾喷管的12个M3孔的轴心对齐；（6）该工件和扩压轮的接触圆面有圆度要求。4.加工和检查项目上：（1）用数控CNC加工成型；（2）检查该旋转工件的总长是否达标。(A)外壳(B)外壳的位置(C)外壳中热火头的位置图2-22外壳及其位置、外壳中热火头的位置（三）法兰盘（如图2-23）：1.材料上：采用的是7075铝合金。2.结构上：（1）通过该工件后面的12个M3的通孔、外壳的12个M3的螺纹孔、尾喷管的12个M3的通孔，将该工件、涡轮导向器、外壳和尾喷管连接在一起。3.工程图纸上：（1）该旋转工件的轴心度有要求，保证它和主轴的轴心对齐；（2）该工件和外壳的接触平面有平面度要求；（3）该工件和涡轮导向器的接触平面有平面度和圆度要求；（4）该旋转工件后面的12个M3的孔的轴心有轴心度有要求，保证它和外壳、尾喷管的12个M3孔的轴心对齐。4.加工和检查项目上：（1）用车床加工成型；（2）检查该旋转工件的孔径是否达标。（A）法兰盘(B)法兰盘的位置 图2-23法兰盘及其位置 2.3测试平台的设计与加工制作图2-24测试平台一、部件介绍（一）固定框架（如图2-24和图2-25）1.材料上：20x60厚度为1.5的方钢。2.结构上：底面的4个M10的孔，使用M10的螺丝固定在长凳子上；上表面4个M6的孔通过M6螺丝螺母和前端抱紧组件连接一起，2个M10的孔通过M10螺丝螺母和后端抱紧组件连接一起。3.加工过程：方钢用切割机切出相应的长度，使用气焊机焊出三维图纸的形状。4个M10和2个M6的孔是和前端抱紧组件和后端抱紧组件，一起使用对准钻孔的。图2-25固定框架（二）前端抱紧组件（如图2-26和图2-27）1.材料上：20x60厚度为1.5的方钢，外径60厚度为1的钢管。2.结构上：通过2个M6的孔，使用M6的螺丝螺母（双螺母，防止调试中被震松），将该工件定位在固定框架上；再通过另外2个的M6的孔，使用M6的螺丝螺母，将上下前端抱紧件加紧，固定住进气道。3.加工过程：方钢用切割机切出相应的长度，再用角磨机切出相应的钢板；钢管用切割机切出的半圆，再用角磨机磨出相应的半圆（配合实物比对）；使用气焊机焊出三维图纸的形状。按照图纸，先打2个M6的孔，另2个M6的孔和固定框架对准钻孔。图2-26前端抱紧组件的位置图2-27前端抱紧组件的上、下部件（三）后端抱紧组件（如图2-28、图2-29）1.材料上：20x60厚度为1.5的方钢，外径120厚度为1.5的钢管。2.结构上：通过4个M10的孔，使用M10的螺丝螺母（双螺母，防止调试中被震松），将该工件固定加紧在固定框架上，固定住外壳。3.加工过程：方钢用切割机切出相应的长度，再用角磨机切出相应的钢板；钢管用切割机切出的半圆，再用角磨机磨出相应的半圆（配合实物比对）；使用气焊机焊出三维图纸的形状。按照图纸，4个M10的孔和固定框架对准钻孔。图2-28后端抱紧组件的位置（A）前端抱紧组件的上部件(B)前端抱紧组件的下部件图2-29前端抱紧组件的上部件和上部件四、测试平台的设计说明前端抱紧组件对进气道的定位夹紧和后端抱紧组件外壳的夹紧，前端抱紧组件和后端抱紧组件固定在同一个固定框架上，从而对微型涡喷发动机进行完全的固定（如图2-24）。第三章微型涡喷发动机的组装和调试3.1设计整体微型发动机安装顺序，及实际组装3.1.1设计安装顺序的必要性本次微型涡轮发动机的实物组装当中，每个旋转部件的轴心都要非常的对齐，同心度要求高，制作正确的安装顺序，可以减少反复的拆装，降低安装磨损上对每个系统轴心度不齐的问题。尤其是转子系统，要首先组装好，并做全速动平衡调试。一旦调试好将就不要拆卸，像轴承等部件也最好不能拆卸。因为发动机要在非常高的速度下进行调试，所以制定安装顺序是极为重要的。安装顺序的说明一、燃烧室的安装顺序：（一）工件介绍 1.燃烧室机体（如图3-1的A和B）：全部焊接为一体；2.燃油管道（如图3-1的C）：焊接为一体；3.通气管道（如图3-2的A）：焊接为一体；（A）燃烧室机体（B）燃烧室机体(C)燃油管道图3-1燃烧室机体和燃油管道（A）通气管道(B)铁片固定住燃烧油管道图3-2通气管道、铁片固定住燃烧油管道（二）安装顺序：1.将燃烧油管道对准4根雾化管道，安装到燃烧室机体上，用燃烧室机体上的4个焊接上的铁片固定住燃烧油管道（如图3-2的B）。2.将通气管道对准靠近燃烧室M6孔位两侧的2根雾化管道，并且安装上去。3.主体的安装顺序（如图3-3）：图3-3微型涡喷发动机主体的安装剖视图第一步：在主轴上安装前轴承、定距环T；第二步：在使用4个M3x10的十字沉头螺丝，将扩压轮和大轴套连接一起，并安装在前轴承的位置上；使用4个M3x10的十字沉头螺丝，将扩压轮和4个M3x20的内六角双通铜柱连接一起；第三步：在扩压轮M3的螺纹通孔中，安装对应的3个内部接口（如图3-4，用于燃油、润滑和通气）；再对准润滑的内部接口和大轴套的润滑油口，安装润滑管道（如图3-5）；第四步：用安装好的燃烧室中的燃油管道和通气管道，对准扩压轮中润滑油和通气的内部接口，安装上去；再用4个M3x10的内六角螺丝，将燃烧室和4个M3x20的内六角双通铜柱连接一起；第五步：在大轴套的后面，对准燃烧室，安装涡轮导向器；在大轴套的后孔内，依次安装弹簧、小轴套和定距环C；在涡轮导向器内，安装涡轮；最后安装涡轮螺母；第六步：在主轴的前端依次安装压气轮和压气轮螺母；第七步：使用12个M3x10的内六角螺丝，将进气道和扩压轮连接在一起，先使用对角2个螺丝固定，手动调试转子系统的旋转润滑度，在逐步连接后面的螺丝，直到调试到所有的螺丝固定后，转子系统足够的旋转顺滑。使用3个外部接口（如图3-6，用于燃油、润滑和通气）和3个M3x12的内六角双通铜柱，连接3个外部接口；第八步：旋转外壳，对齐燃烧室M6的孔和扩压轮4个M3的孔，用铅笔在涡轮导向器记录外壳后12个M3孔的位置，从而将法兰盘12个M3孔对准铅笔笔迹位置，初步安装法兰盘。用4个M3的内六角螺丝，将外壳和扩压轮连接在一起；用2.0内六角扳手慢慢将法兰盘和外壳后12个M3孔位调的尽量对齐（扳手将法兰盘调到太进去燃烧室内，将重新开始），用尾喷管的12个M3孔位对齐上面调好的孔，（使用一个扳手勾住这3个通孔，防止前几个螺丝的连接把法兰盘挤入燃烧室内）依次连接12个M3x10的内六角螺丝。将外壳、法兰盘、涡轮导向器和尾喷管连接在一起。（这个过程中，法兰盘、涡轮导向器和尾喷管的孔位不对齐，将重新开始；安装好后，手动调试转子系统的旋转润滑度，润滑度不行也将重新开始。）第九步：用热火头将外壳和燃烧室连接在一起。图3-4外部接口图3-5润滑管道图3-6内部接口安装顺序的关键技术点一、气管的安装，保证进气道与压气轮直接的间隙足够的均匀，安装后的转子系统有良好的旋转润滑度。二、由于涡轮导向器在安装之前轴向没有被限位，安装过程中的法兰盘在微型涡喷发动机内部情况下，且没有定位，不能用手辅助。安装外壳、外壳、法兰盘、涡轮导向器和尾喷管本身非常有难度。而且安装好后的转子系统有良好的旋转润滑度。3.2主控的焊接、固定、组装及其调试图3-7主控原理图主控电路的焊接、气路的连接和主控电路的布线与固定一、主控电路需要的焊接（一）小接口粗线（如图3-8）的焊接难度大，手动设计夹具辅助完成焊接，焊接之前套上黑色套皮（防止焊接部分外露），小接口用黑红笔标记，再焊接。这种焊接有：主控外部接口连接油泵、启动电机和点火头的线路。（A）小接口(B)小接口粗线图3-8接口、小接口粗线（二）小接口细线（如图3-9）的焊接容易，焊接之前时，小接口用黑红笔标记，再焊接。这种焊接有：主控外部接口连接电磁阀的线路。（三）线路焊接启动电机的接口上，焊接难度一般。启动电机两个接口，靠经红点的是接红线，另一个接口是接黑线。（四）线路焊接热火头（如图3-11），焊接难度一般。红线焊接在热火头上、黑线焊接在后端抱紧组件（靠近热火头）。焊接之前时，先套入金属软管线路保护套（如图3-10，304不锈钢材质），再焊接。图3-9小接口细线图3-10保护套图3-11线路焊接好的热火头二、主控电路需要的连接（一）通过主控原理图（如图3-7），使用对应的原件、软管（如图3-12）进行气路的连接。但是实际连接中，有些原件的接口直径会过大（如图3-12），要对软管进行沸水煮软，才可以连接上。图3-12软管及其在原件的安装（二）组装是遗漏了一个外部接口（如图3-13的A，共3个，分别接燃油口，润滑油口，通气口）。使用M3内六角双通铜柱（如图3-13的B）和快插接气管的接口（如图3-13的C，接口来自汽车修理店），由于快插接气管没有内螺纹和铜柱连接，最终使用520胶水。先滴一点进行初步固定（防止胶水从两者间隙流出，也防止没有连接好可以再调和重新开始），再滴满。520胶水凝固后，检查该组件连接非常紧。（A）外部接口(B)M3的内六角双通铜柱(C)快速接气管的接口图3-13外部接口、M3的内六角双通铜柱、快速接气管的接口三、主控电路的布线与固定图3-14主控电路的布线与固定方法：使用扎带将主控、电磁阀、油泵等元件和线路气路固定到测试平台上去（如图2-43）。测量转速和温度传感器的固定一、转速传感器的固定（1）固定要求：转速传感器（如图3-15的B，原理是磁阻传感器通过测试压气轮螺母中的小磁铁的转动，测量发动机的实际转速）的固定平面和小磁铁，尽量在同一水平面；并且不能有高温和震动的影响。（2）固定方案：用铁丝通过转速传感器的2个M3的通孔，铁丝两端固定在固定框架两边（如图3-15的A），使转速传感器不直接接触发动机。调整铁丝，尽量让转速传感器的固定平面和小磁铁，尽量在同一水平面。（A）铁丝固定在固定框架的两边(B)转速传感器图3-15铁丝固定在固定、转速传感器（A）温度传感器(B)温度传感器的固定图3-16温度传感器及其固定温度传感器的固定（1）固定要求：温度传感器（如图3-16的A）原理是K型热电偶测试尾喷管内部的温度，作为测量发动机的实际温度。（2）固定方案：铁丝固定在固定框架一端，铁丝伸出部分固定并支持住温度传感器（如图3-16的B）。通过弯曲温度传感器的最外端铁丝，在测试之前放入尾喷管内部。实际调试过程在微型涡喷发动机的实际调试过程中，首先要对主控进行参数的设置，其次要对启动电机、电磁阀、点火头和油泵进行测试，最后按照发动机的操作顺序对发动机整体进行调试，产生期望的推力。在实际调试过程中会遇到很多问题，尤其是启动电机机械部分方面对调试影响，最后是通过目测打磨的方式去调整启动电机和主轴的轴心度的问题。虽然实际调试非常繁琐，但是这是此次设计的最后关键一步。 一、微型涡喷发动机调试操作过程：第一步：接通点火器加热；第二步：接通电机带动转子旋转，然后快速断开，以得到一个较低的转速状态（观察转速信号）；第三步：打开气阀，丙烷气应在燃烧室内点火成功（观察排气温度信号）；第四步：如果点火成功，则断开点火器，接通电机加速；第五步：接通油阀,控制油泵,使燃油进入燃烧室，并维持一个较小的流量；第六步：燃油蒸发燃烧时,发动机的状态有显著变化,转速上升,声音增大；第七步：调节供油量，避免转速悬挂；第八步：当转速达到一定程度时，切断气阀；第九步：当转速达到一定程度时，电机脱开；第十步：继续加油，直至发动机进入慢车状态；第十一步：慢车以后，改变供油量，可以改变发动机状态，产生期望的推力。二、主控的参数设置和测试项目（一）参数设置第一步：长按STOP键直至出现“Setting”,即可进入设置页面；第二步：启动电机输入PWM，设置范围10-100%；第三步：点火头设置，设置范围1-99%，由于此次用的是热火头，所以1%开始加（陶瓷点火头45%）。电压超出点火头电压范围会损坏点火头；第四步：点火头启动转速，当转速达到该值时电机停，油泵开启，点火油管进油，并启动点火头，当温度变化超过10度，则说明点火成功，再开始加速；第五步：电机加速斜率，可以设置0.1-0.9s内，数值越高，加速越快；第六步：预热转速，设置范围小于19000转，当转速达到该值且温度大于200度，电磁阀导通，主油管进油，启动电机全速转动；第七步：离合器分离转速，设置范围小于40000转，当转速达到该值且温度大于400度，依靠油泵供油自转，启动电机停；第八步：最高限制转速，涡喷自启动后，当达到该值时，涡喷执行停机冷却操作；第九步：最高限制温度，涡喷自启动后，当达到该值时，涡喷执行停机冷却操作；第十步：启动模式，oilonly（燃油一键启动）；gas-oil（燃气点火至燃油加速）。（二）测试项目测试项目一：启动电机测试，按RUN则接通显示ON，按STOP则停止显示OFF，右上角是设置的功率百分比，右上角是查看转速情况；测试项目二：电磁阀测试，按RUN则接通显示ON，按STOP则停止显示OFF；测试项目三：点火头测试，按RUN则接通显示ON，按STOP则停止显示OFF，右上角是设置的功率百分比；测试项目四：油泵测试，按RUN则接通显示ON，可通过旋钮进行油泵功率调节。按STOP则停止显示OFF，油泵停。三、启动电机的调试问题和解决方案（一）启动电机的调试问题在调试启动电机过程中，要求启动电机装配到发动机机体的时候，要达到此时的启动电机的轴心和主轴的轴心有一定的轴心度的要求。而很难对齐的原因有这几个：第一是设计上：为了减少加工件的加工和避免阻挡进气道的进气，选用黄铜和螺丝的固定方式，这样多一次安装就会造成一点轴心度误差的增多；第二是加工上：设计加工出来的组装情况，即使2根黄铜是预安装（没有安装紧），第三根黄铜的孔位安装有较大的变差。（二）解决方案1.对每个对应的螺丝、黄铜、启动电机和进气道孔位进行标注一二三；2.手动转动主轴，调试转速传感器的位置，直到主控页面出现转速，并对转速传感器的位置进行记录；3.调试启动电机的转速为10个单位，目测启动电机的轴心度向那边偏，就用砂纸磨短长的那根黄铜，直到启动电机转动的时候，主控不出现errRPM。再加大启动电机的转速，直到调好为止。第四章优化设计4.1优化方案一、由于调试启动电机的轴心问题，在此次微型涡喷发动机实物调试中花了较多时间。为了减少安装启动电机螺纹连接次数太多带来的轴心度不齐问题，将铜柱改为铝柱，且一端焊接到启动电机上，当然最终用高精度车床加工到一定的几何公差要求（如图4-1和4-2）。图4-1本次设计的启动电机连接方式图4-2优化版的启动电机连接方式二、本次为微型涡喷发动机（如图4-3），推力主要来自于尾喷管的喷气。要想获得更高的推力，可以在本次微型涡喷发动机上添加其他组件，形成涡桨发动机（如图4-4）图4-3涡桨发动机图4-4涡扇发动机总结在设计微型涡轮发动机的过程中，本次设计取得了如下成果：设计绘制第一和第二版微型涡轮发动机三维模型（Pro/E），了解整体的工作原理、每个零件在装配图上的定位，压气轮、扩压轮和涡轮导向器等部件的类型和结构细节；研究压气轮，涡轮和扩压轮等加工件的工作原理，直接怎样的相互配合，最后才可以点燃喷射约50N的推力气体。模型可以让组员和指导老师直观地理解微型涡轮发动机；组员完全设计并可以实现燃烧室系统和润滑系统的控制和实物组装后，对总装配图进行最终的细节调整，设计绘制第三版微型涡轮发动机三维模型（Pro/E）。非标件的出图、加工和后处理；对转子中压气轮和涡轮的全动平衡等一系列的调试；设计合理的实物组装顺序，保证主轴的旋转润滑度，并实际组装出整体微型涡轮发动机；设计并自己手动加工测试平台，设计三维图纸和工程图、找材料、自己切割、自己打孔、然后用螺丝固定的方式，设计出完整的测试平台，最后将整体发动机组装到测试平台上去；控制电路中线路的焊接、测量转速传感器实际组装的平行度的要求固定、和温度传感器的固定、及其主控总体气路线路等元件，在测试平台上的组装；对启动电机等项目进行逐步的调试，然后对发动机整体进行调试，并记录测量的性能数据；设计绘制第四版总装配三维模型（Pro/E）。用于组员和自己撰写毕业论文和答辩使用。微型涡喷发动机虽说结构看起来很简单，但其中的每个设计都是非常严格的，技术含量非常高，而且加工也很复杂。想真正去做一款微型涡喷发动机，这一般是一位资历较高的工程师可以胜任的，所以作为一名大四的学生，设计并制作出一部涡轮喷气式发动机实物，这是具有非常大的挑战。首先要明确每次的技术路线，中间认真的提前做准备，中期细心的设计，后期耐性的去检查；其次要及时处理实物中很多突发的问题，尽量运用学校的学的课程知识去解决；一旦发现自己可能解决不了的加工等问题，要提交注意要向商家进行返工，防止拖进度；然后要有熟练的三维建模能力、出工程图纸及