微型涡轮发动机的设计与应用分析

摘要：微型涡轮发动机是基于大、中型发电机所提出来的概念，相比于大、中型发动机的大功率、大体积，微型涡轮发动机在体型上比较小、重量较轻、携带方便，能够满足移动设备的能源需求，在当今甚至是未来都会是许多户外工作项目的必备机器。文章从微型涡轮发动机的结构设计要点以及其应用实例分析为切入点，讨论微型涡轮发动机的相关设计。

关键词：微型涡轮发动机；发动机设计；发动机应用

中图分类号：V235 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）01-0010-02

在许多需要使用到微型涡轮发动机的地方，对发动机的结构要求比较严格，特别是发动机既要满足工作项目的功率要求，又要满足轻便易携带的要求，这一直是微型涡轮发动机的设计难点。要让微型涡轮发动机真正发挥其独有的作用，对发动机本身的设计就要格外注意，从多个影响因素去综合考虑，确保微型涡轮发动机在不失去本身优点的同时能够弥补自身缺点。

1 微型涡轮发动机结构设计要点

微型涡轮发动机在整体结构特点上相较于普通的大、中型发动机要简单一些，在缩小了一些必要零件尺寸的基础上精简了一些不必要的零件，最大程度地减轻了发动机的重量。同时，也由于零件结构的简化，微型涡轮发动机的正常工作成为了设计的难点，需要从各方面影响工作的因素去考虑，尽量满足发动机的正常工作需求。

1.1 发动机结构稳定性的设计

发动机结构的稳定性是其能够正常工作的基础，所有的发动机在设计的时候都需要首先保证各部位的零件之间嵌合足够稳定。在发动机的工作过程中，对其结构稳定性考验最大的就是工作过程中产生的震动，特别是微型涡轮发动机的各个零件尺寸都相对较小，在整体结构上有所简化，就更容易受到工作振动的影响了。

这种工作中的振动来源是发动机内燃烧反应所引起的振动，进而影响到整个机身。这种连锁反应带来的整机振动在机身重量轻、机体材料薄的情况下表现得最为明显。要控制这种振动反应，最好的方法就是加强机身一体化的运用，在选择装机零件的时候尽量选择刚性高、较轻巧、机体结构一体化铸造的材料。尽量减少零件之间的拼接，即使在拼接时也要保证接口的稳定。还可以对内壁与尾喷管采用缓震设计，将振动的力度通过特殊的结构分散开。

1.2 发动机工作温度的控制设计

对发动机温度的控制是在设计发动机时考虑得最多的问题，因为发动机内有些部位的工作产热，而有些部位的工作并不产热，所以一般的发动机常常会出现局部温度过高的情况。长期的零件温度过高甚至还会引起发动机的材料发生损伤、变形、过早老化等故障，甚至直接影响到发动机的安全反应工作，波及到周围的正常工作进行。

为了减小这种局部热力影响，在不能留有叶片膨胀间隙的基础上，可以在导向叶片的内外环之间设计一个人为的斜角，在涡轮工作的时候，这个人为设计的倾斜角就可以使内外环实现相对转动，降低热应力，防止材料变形。

一般的微型涡轮发动机的工作结构设计原理都是类似的，包括了燃烧装置、涡轮装置、排气装置等主要工作部分，其工作系统结构如图1所示：

图1

从图1中可以看出，微型涡轮发动机的零件尺寸都比较小，包括管道与叶片以及外壳都需要采用高强度的材料制作。在制作微型涡轮发动机的时候，由于零件较为微小，所以一般采用零件之间的焊接操作，正确的方法就如上文所提到的采用一体化铸造的结构，减少零件之间的连接。如果需要对零件进行焊接的话，则尽量采用高精度的电焊技术，用精细到μm的焊接操作保障发动机的制作质量。

2 微型涡轮发动机的应用范围

微型涡轮发动机作为发动机中携带极为方便、动力较好的一类，在当今的一些特定领域以及未来科研发展中具有非常高的应用价值。由于一般的微型涡轮发动机的推动力最高可以达到100㎏，所以一般的运行动力在100㎏以下的便携设备都需要用到微型涡轮发动机。根据工作设备的使用目的来划分，微型涡轮发动机的应用主要包括以下四个方面：

2.1 在机器模型上的应用

在各种大型机器模型上的应用是现今的微型涡轮发动机应用得最广泛的一类，许多相关模型的运转都需要依靠微型涡轮发动机来提供动力。常见的模型包括航天飞机、潜艇、轮船、汽车以及一些重型机械设备等等。特别是对于许多航模爱好者来说，微型涡轮发动机更是一种具有能够为飞机提供飞行动力的必要设备。另外，在一些科学勘测中，也会用到航天飞机模型或者潜艇模型来进行危险地区的勘探工作，在这其中微型涡轮发动机起着非常核心的作用。

2.2 在军事设备上的应用

目前最尖端的微型涡轮发动机基本上都应用于军事领域，其参数是各国军事发展的机密。目前在军事中应用得最为普遍的一种就是作为导弹的推动力，这种微型涡轮发动机的动力通常偏大，大多为60㎏以上的推力，并且材料质量与设计结构上都相较于一般的微型涡轮发动机更加完美。而在未来军事领域的研究中，微型涡轮发动机还被应用于无人机的飞行，为无人机提供持续的动力。将其应用到无人机飞行领域，就对发动机本身的动力有了更加严格的要求，在动力的研究上面还需要进一步加强。

2.3 在小型机车上的应用

微型涡轮发动机在这方面的应用主要流行于一些机车爱好者当中，许多人为了追求行驶的速度而在机车上安装微型涡轮发动机。这类发动机的动力通常也比较大，大约在几十kg的水平，最基本的动力要求就是对机车的行驶速度有显著的提升作用。

2.4 在小型元件上的应用

微型涡轮发动机在小型元件上也能发挥非常大的作用，一些需要外出携带的小型设备，其动力源泉就是来自于微型涡轮发动机。通常该领域中使用的发动机需求动力并不高，大约为几kg的水平，只要发动机能够达到安全、稳定、便携的要求就可以了。

3 微型涡轮发动机的应用实例

一般对于普通大众来说，对微型涡轮发动机应用得最为广泛的就是机械模型领域了。比如说航天飞机模型，就是许多航模爱好者非常喜欢制作的一类模型设备。本文所选用的是一种推力为20㎏的微型涡轮发动机，应用于一架普通航天飞机模型上，整套设备的价钱在三万元左右，属于普通的航模价位。

3.1 燃料装置制作

微型涡轮发动机的运行燃料为一般的高质量燃油，但对于燃油的利用效率却相较于一般的机械设备更高。而再高的燃料利用效率也需要足够的燃料支撑才能够满足航模长距离飞行的需要，所以一般是用燃料雾化器来进行燃料的储备与供应，只需要占用很小的体积与重量，就可以提供较为持久的燃料支持。该航模上的燃料雾化器如图2

所示：

图2

整个燃料雾化器的长度约为5㎝，放在航模之上大小较为合适。将燃料雾化器与微型涡轮发动机相连接，可以实现燃料在航模飞行过程中的持续供应了。

3.2 飞行时速测定

应用微型涡轮发动机作为飞行动力的航模在飞行时速上面可以达到非常高的水平，最快的航模飞行时速可以超过500㎞/h，而本文调查选用的是一架普通的航模，飞行时速经测定在200㎞/h左右，相比于普通的电动模型要快许多倍。

4 结语

从文中可以看出，在很多领域都可以见到微型涡轮发动机应用的身影。而为了对使用者的安全负责，在进行微型涡轮发动机设计的时候需要格外注意，以严谨的态度对待每一个微小的结构，以仔细的精神完成每一个零件的焊接，让微型涡轮发动机不仅精小高效，而且安全稳定。

参考文献

[1] 万照云.微型涡轮发动机风车起动特性研究[D].南

京航空航天大学，2012.

[2] 徐建国，张天宏.微型涡轮发动机燃油闭环控制起动

方法[J].航空动力学报，2012，（3）：701-706.

[3] 宣建光，邱建，夏晨，黄国平.一种微型涡轮发动机

导向器改进方案[J].航空动力学报，2010，（12）：

2690-2696.

[4] 郑振江.高膨胀比向心涡轮的气动设计与数值模拟

[D].哈尔滨工业大学，2011.

作者简介：华国忠（1963—），男，江苏无锡人，北京中安质环技术评价中心有限公司无锡分公司工程师。

一般对于普通大众来说，对微型涡轮发动机应用得最为广泛的就是机械模型领域了。比如说航天飞机模型，就是许多航模爱好者非常喜欢制作的一类模型设备。本文所选用的是一种推力为20㎏的微型涡轮发动机，应用于一架普通航天飞机模型上，整套设备的价钱在三万元左右，属于普通的航模价位。

3.1 燃料装置制作

微型涡轮发动机的运行燃料为一般的高质量燃油，但对于燃油的利用效率却相较于一般的机械设备更高。而再高的燃料利用效率也需要足够的燃料支撑才能够满足航模长距离飞行的需要，所以一般是用燃料雾化器来进行燃料的储备与供应，只需要占用很小的体积与重量，就可以提供较为持久的燃料支持。该航模上的燃料雾化器如图2

所示：

图2

整个燃料雾化器的长度约为5㎝，放在航模之上大小较为合适。将燃料雾化器与微型涡轮发动机相连接，可以实现燃料在航模飞行过程中的持续供应了。

3.2 飞行时速测定

应用微型涡轮发动机作为飞行动力的航模在飞行时速上面可以达到非常高的水平，最快的航模飞行时速可以超过500㎞/h，而本文调查选用的是一架普通的航模，飞行时速经测定在200㎞/h左右，相比于普通的电动模型要快许多倍。

4 结语

从文中可以看出，在很多领域都可以见到微型涡轮发动机应用的身影。而为了对使用者的安全负责，在进行微型涡轮发动机设计的时候需要格外注意，以严谨的态度对待每一个微小的结构，以仔细的精神完成每一个零件的焊接，让微型涡轮发动机不仅精小高效，而且安全稳定。

参考文献

[1] 万照云.微型涡轮发动机风车起动特性研究[D].南

京航空航天大学，2012.

[2] 徐建国，张天宏.微型涡轮发动机燃油闭环控制起动

方法[J].航空动力学报，2012，（3）：701-706.

[3] 宣建光，邱建，夏晨，黄国平.一种微型涡轮发动机

导向器改进方案[J].航空动力学报，2010，（12）：

2690-2696.

[4] 郑振江.高膨胀比向心涡轮的气动设计与数值模拟

[D].哈尔滨工业大学，2011.

作者简介：华国忠（1963—），男，江苏无锡人，北京中安质环技术评价中心有限公司无锡分公司工程师。

一般对于普通大众来说，对微型涡轮发动机应用得最为广泛的就是机械模型领域了。比如说航天飞机模型，就是许多航模爱好者非常喜欢制作的一类模型设备。本文所选用的是一种推力为20㎏的微型涡轮发动机，应用于一架普通航天飞机模型上，整套设备的价钱在三万元左右，属于普通的航模价位。

3.1 燃料装置制作

微型涡轮发动机的运行燃料为一般的高质量燃油，但对于燃油的利用效率却相较于一般的机械设备更高。而再高的燃料利用效率也需要足够的燃料支撑才能够满足航模长距离飞行的需要，所以一般是用燃料雾化器来进行燃料的储备与供应，只需要占用很小的体积与重量，就可以提供较为持久的燃料支持。该航模上的燃料雾化器如图2

所示：

图2

整个燃料雾化器的长度约为5㎝，放在航模之上大小较为合适。将燃料雾化器与微型涡轮发动机相连接，可以实现燃料在航模飞行过程中的持续供应了。

3.2 飞行时速测定

应用微型涡轮发动机作为飞行动力的航模在飞行时速上面可以达到非常高的水平，最快的航模飞行时速可以超过500㎞/h，而本文调查选用的是一架普通的航模，飞行时速经测定在200㎞/h左右，相比于普通的电动模型要快许多倍。

4 结语

从文中可以看出，在很多领域都可以见到微型涡轮发动机应用的身影。而为了对使用者的安全负责，在进行微型涡轮发动机设计的时候需要格外注意，以严谨的态度对待每一个微小的结构，以仔细的精神完成每一个零件的焊接，让微型涡轮发动机不仅精小高效，而且安全稳定。

参考文献

[1] 万照云.微型涡轮发动机风车起动特性研究[D].南

京航空航天大学，2012.

[2] 徐建国，张天宏.微型涡轮发动机燃油闭环控制起动

方法[J].航空动力学报，2012，（3）：701-706.

[3] 宣建光，邱建，夏晨，黄国平.一种微型涡轮发动机

导向器改进方案[J].航空动力学报，2010，（12）：

2690-2696.

[4] 郑振江.高膨胀比向心涡轮的气动设计与数值模拟

[D].哈尔滨工业大学，2011.

作者简介：华国忠（1963—），男，江苏无锡人，北京中安质环技术评价中心有限公司无锡分公司工程师。