航模涡轮喷气发动机制造安装.doc

1、1航模涡轮喷气发动机制造安装HerrSchreckling 早期受到过基础技术教育，后来又修完了重点在应用物理学方面的工程课程。之后又在一家大型的化工公司从事工程控制和系 3 统控制方面的工作。HerrSchreckling 在 15 岁之前已经有了飞行模型的经验，那是他第一次把一套飞机模型套件组装起来后的事。几年之后他开始学习制造模型飞机和无线电控制设备。他特别钟情于模型的动力系统，但那时还没有重大的进展。因此他投入了相当多的时在电动飞行器方面的开发：可调螺距的推进系统和计算机优化的电动飞行系统。接下来他的首次成功尝试是用他自己制作的一套电动直升机，随后是他为 WolfgangKuepper

2、s 设计了电动系统，并创造了竞速模型的速度记录。再随后的五年中他把他的全部业余时间投入了喷气发动机的开发，并且抽出时间写出他在这方面的成功经验。因此，如决定要开发专业级的模型喷气发动机的话，HerrSchreckling 是最适合的合作人选。虽然 HerrSchreckling 并不是非常好的模型飞行员，但是他具有独创的见解，并且在一个领域有独创，并把他自己做的发动机装到了模型中并且飞了起来，因此他必定是我们这个时代最多才多艺最有经验的模型制造者。至今已经有很多种成功类型的 FD3/64 涡轮喷气发动机被制造出来，这促使我决定要给这本新版本的书添加一个附录，涉及到喷气发动机的一些特殊问题，但是

3、如果我要写一个很透切的附录那肯定会超出本书的范围，甚至会让读者困惑。很多问题摆在我面前，比如说：“为2什么你把 FD3/64 发动机设计成这个样子而不是那样？”对于这个问题我只能作一些比较片面的回答。当面对一个比较棘手的问题，比如轴承润滑的供给，我试图使用一些简单实用的解决方案而不使用比较完善但复杂的测试每一种方法找出最好的系统的方法。有很多在喷气模型方面比较成功的模型爱好者，他们的活动在 1994 年在Nordheim 举行的争夺战利品 Ohain/Whittle 中形成了一个高潮。尽管是作为一个非完全专业的模型爱好者来参加竞赛的，但是由ReinerEckstein 制作并操作使用 FD3/

4、64 涡轮喷气发动机的一架“涡轮驯马师”获得了 quotBestofShowquot 奖。自从第一个版本出现以后很多真正的开发工作已经进行，并且在半像真比例模型和 FD3 发动机的飞行中获得了很多经验，这导致了一种新的更精确完美的设计的产生：FD3/67LS 涡轮喷气发动机套件。当然我会很愿意对按我的图纸制作发动机中遇到的问题进行解释，对于过去在电话中耐心的听我指导的模型爱好者我在这向他们表示感谢。简介 22222.1 简单的涡轮喷气发动机如何工作 2.2 一个用业余制作燃气轮机的好方法 2.3 燃烧系统 2.3.1 燃料 2.3.2 燃烧室和燃油喷射器 2.4 温度问题 2.5 冷却 333

5、33.1 涡轮喷气推进和螺旋桨推进的本质区别 3.2 在典型的模型飞行器飞行中的动力效应 3.2.1 滑跑起飞3.2.2 爬升性能和最大速度 3.2.3 典型的动力运动：圆周运动 3.3 涡轮喷气模型的飞行经验 3.3.1 今天的涡轮喷气发动机模型 3.3.2 涡轮喷气发动机模型的特性 3.4 飞行中的涡轮喷气发动机 3.5 噪声 3.6 模型介绍 44444.1 角速度和平面速度 4.2 涡轮的设计过程 54.3 压缩机的3设计过程 4.3.1 增压涡轮的设计与空气动力的关系 4.3.2 扩散系统的设计 4.3.3 增压涡轮的强度 4.4 燃料消耗 4.4.1FD3/64 的燃料消耗的计算

6、4.4.2 最佳燃料消耗量对应的运行参数 55555.1 测量旋转速度5.2 测量压力 5.3 测量推力 5.4 测量温度 5.5 测量燃油消耗量 5.6 喷射口气流流动方向的测量 5.7 测量结果分析 66666.1 点火系统 6.2 燃油仪器系统 6.3 油箱 6.4 启动设备 6.4.1 鼓风机或压缩空气 6.4.2 电子启动器 7.1 一般信息 7.2 组成构造 7.2.1 转动系统 7.2.1.1 轴承 7.2.1.2 增压涡轮 7.2.1.3 涡轮 7.2.2 夹具 7.2.3 内部构造 7.2.4 机架 7.2.5 涡轮叶片系统和涡轮机架 7.2.6 涡轮叶片系统和涡轮机架的连接

7、 7.2.7 内部结构中心定位 7.2.8 外壳的制作 7.2.9 燃烧室 7.2.10 燃油喷雾器7.2.11 燃烧室内燃油喷雾器的安装 7.2.12 环形喷射口 7.3 总装 7.4 配件列表 7.5 设计图 6“一台为模型飞行器设计的涡轮喷气发动机？涡轮喷气发动机是什么？在这你可以获得什么类型的发动机？”这是我以前经常听到的几个问题，甚至是从很有经验的模型发动机爱好者那里听到。有时候一些小的知识被这样一个问题透露：“它需要多少个涡轮才能运行？”偶然 -很偶然-我会被问一个关于压缩比的问题。之后我明白我已经成这一领域的专家！但所有问我的人都有一个共同点：他们都想知道一个涡轮喷气装置的真正的

8、工作原理。涡轮喷气机正像涡轮喷气发动机一样，利用气体喷射产生推力。它被叫做涡轮喷气机是因为它的工作媒介空气是一种气体形态。请注意燃料在气态下会有什么事情发生。利用这种简单的结构形态这种类型的热力发动机被用来制造高性能的飞行器的动力系统。当气体涡4轮变成了喷射涡轮，或是涡轮喷射机，这时在废气中的有用的能量就会在喷管的作用下被浓缩。然而这并不是本质的原理。第一个喷气涡轮推进的航空器是 He178 它的第一次飞行在 1939 年 8 月 22 日。它被在一家叫 Heinkel 工厂制造飞行员是 ErichWarsitz。这种革命性的发动机是 Dr.PapstvonOharn 创造出来的。在这种以涡轮

9、喷气发动机推进的航空器的第一次飞行中就达到了 600km/h 的飞行速度，比那个时候的任何型号的螺旋桨推进的航空器都要快的多。确实，简而言之这种发动机简单并且有独创性：一个压缩涡轮吸取空气并把它在燃烧室中压缩，然后燃烧的燃料增加了热空气的热能，接着热废气经过 7 涡轮被排放到外面的空气中由此产生推力.涡轮仅吸取足够使增压涡轮能够正常工作的能量。所有的模型涡轮机，涡轮小模型，涡轮风扇和很多相似的使用在直升机中的发动机本质上都是基于气体涡轮，今天已经有很多混合类型的发动机被开发出来。就连PapstvonOhain 先生也几乎不会相信今天的发动机就是利用这种简单的原理。模型爱好者很渴望得到一个真正能

10、与自己的模型飞行器完美结合的涡轮喷气发动机，这一点能从今天很多半像真模型飞机普遍是喷气机看得出来。但是很多年了这个梦想似乎很难变成现实。其中面临的一个事实是：制作一个缩小的涡轮喷气发动机决不能使用真的发动机一样的方法。其中一个原因是的涡轮喷气发动机在设计制造方法上是非常复杂的，但在大多数情况下阻挡我们的物理规则是重量问题。没有任何人会企图完全按照真发动机制作一个比例缩小的活塞发动机模型，而全尺寸的涡轮喷气发动机更难于缩小到5适合模型的尺寸上。如果你正在进行一个小的活塞发动机的设计并且设计得约来越小，或者是做成多汽缸的，那么它的输出能量会有规律的减小，而制作的复杂度却会不断增加，结果是这种类型的

11、发动机根本就不会被相信能运行起来。这个问题已经被公认，它们命中注定只能呆陈列窗中。一些模型涡轮喷气发动机已经按这种形式按全尺寸涡轮喷气发动机被制造出来。他们的唯一缺点是它们不能工作，这是大家都知道的高性能飞行器的比例模型的飞行性能会随着比例的缩小而恶化。8 但是我们可以相当完美的制作飞行性能很好的滑翔机，而小型的活塞式发动机也是有很强大的能量。却极少有微型的涡轮喷气发动机能够工作。使用简单的方法和技术去观察物理现象并正确的利用它们这些都是可能的，惟独以下一点还没实现：缩小一个机器的比例并且还要他能够正常的工作。至今仍然没有一套比较完整的论述涡轮喷气发动机的技术和理论的著作。实际上，随着我在这个

12、领域取得成功我越来越觉得有必要去写这样一本书，它的目的是提供给你这样一本有意思的书，使用里边的信息你能够在利用基础物理学和技术经验去制作一台自己的涡轮喷气发动机。在准备投入这项工作以前我已经估计到大部分模型爱好者即不是工程师也不是物理学家，因此，我认为要传授一定水平的能够被理解的物理和技术原理并让他们能够据此制作出能够用在飞行器上的涡轮喷气发动机不是那么简单的， “FD1”（左图）并不是答案，它有能力自动运行，但是运行温度非常高，因此在“FD2”中从新设计了一个具有更大的机架的压缩涡轮。因此在我向读者介绍这种革命6性的模型动力装备的制作指导和技术图纸之前，在第二章逐渐渗入一些不太难懂的数学计算

13、。在第四章讲解了一些与模型涡轮喷气发动机相关的基础原理，此书的目的是要具有一定的技术和科学根据，虽然我并不要求在科学方面尽善尽美。这个涡轮喷气发动机制作的描写是我的实际开发工作的结果，并且实际运行证明它是具有实用价值的发动机，并且制作所须的工具是在大多数的业余爱好者的工作室中都能找到的。我已经尽量的简化，但是作为一种高科技产品发动机必须具备一定的制造精度，请不要轻视这一点！你的工作室的加工条件必须能够满足以下几条要求：1车床，至少能够加工直径 54 毫米，长 300 毫米的部件 2气焊机 3耐高温和抗氧化的高硬度焊接材料 4精确的夹具，以能夹住能打出 0.5 毫米到 10毫米孔径的钻孔器材 5

14、一些常用的工具，比如钻孔机，锉刀，剪刀，锤子，钳子和尺子 6运行发动机的测量仪器，比如转速计，温度计，压力计，以及推力测量平台相对来说，材料的花费比工具少得多，选择材料时我总是在保证能用的前提下选用最普通的材料。配件列表是制作工作的一个很好的补充，在上边每一个配件和它的材料都被清楚的列出来，但是要成功的制作一个喷气式发动机的最重要的因素是要有熟练的手工制作技能。如果你是一个热爱实践的模型爱好者，我建议您在进行制作之前先仔细的阅读这本书。另一方面，如果你只满足于按本书的指导作一个完全一样的发动机，那你不必对本书所说的一些理论进行深入的了 10 解。如果你确认您是7个老手了，那您最好深入研究那些理

15、论！本书中的图片和文档介绍的涡轮喷气发动机模型是以第一款成功的实验发动机“FD3/64”为蓝版的，它已经经过无数飞行实验。我发现当我看到别的模型爱好者也在进行同样类似的项目的制作时我就觉得很有成就感。其中取得最大成功的是 ReinerBinczyk。我们最被关注的时候是在 1991 年 8月 24 日 ReinerBinczyk 的以模型涡轮喷气发动机为动力的飞行器成功飞行和我的“Rutonius”在 HolstebroDenmark 展示期间。涡轮喷气发动机的核心能被归于一类既是普通的吸气热力发动机，这和往复式的活塞发动机、脉冲喷气发动机和冲压喷气发动机是一样的类型。这些发动机能够把燃料燃烧

16、产生的能量转换成能够方便使用的动能。涡轮喷气发动机动能的唯一来源是尾喷管喷出的高速气流。推力的大小会随着尾喷管气流的喷射速度的增加而增加。这种能量的转化只有在工作媒介空气的压力大于大气压力时才有可能发生。这些现象的精确物理理论解释涉及一些比较偏的动力学问题，这超出了本书的范围。当你读到下一部分时请参照涡轮喷气发动机的示意图，它能帮助您理解涡轮喷气发动机的工作原理。这种类型的发动机不能工作在没有压缩装置的情况下，很明显的一个例子是活塞发动机都具有活塞环或是一个能够自由活动但密封的活塞，在活塞发动机的工作过程中活塞在消耗能量和产生能量两种状态下不断循环，就这样，如果发动机产生的能量比自身消耗的能量

17、多的话它就能自动运行下去。同样，涡轮喷气发动机也仅在涡轮克服轴间摩擦和空气阻力所消耗的能量小于它产生的能量时才能自动8运行。在物理学里发动机在每个单位时间里完成的工作量就叫做发动机的功率。对于一个不断运行的机器，它的功率就等于我们能够利用的那部分输出功率。一想到活塞发动机我们一般都知道它的能量都在旋转的轴上，除非装上螺旋桨否则它是不会产生推力的。因此我不能简单的用涡轮喷气发动机的推力和活塞发动机的轴向力相互比较，这个问题需要进一步的阐述，这将在第三章中详细论述。现在让我们进一步了解涡轮喷气发动机的工作原理。在涡轮喷气发动机中压缩和轴向能量不断交互产生，既然工作媒介-空气的压缩和解压剧烈变化不能

18、在同一时刻发生，因此涡轮喷气发动机有两个独立的工作过程，也就是压缩过程和涡轮机运行过程。每一个过程都分别由一个带有降页和扩散体的旋转固定装置来完成增压涡轮和涡轮机它们成对装在一根轴上，增压涡轮和涡轮机组成转子组件。中空气流的热能燃烧室中被提高，燃烧室位于增压涡轮和涡轮机之间，其并无很复杂的结构，燃气轮机与燃料的类型完全无关。然而要在尽可能小的空间里形成剧烈的燃烧，这是一个有效的模型涡轮喷气发动机所要求的，光要达到这一点就需要在实验阶段花费相当大的努力。所有的燃气轮机都有一个危险的特性，而这一点必须被铭记在心：它们在燃料的消耗上是贪得无厌的。共给的燃料越多，推力就会约大，温度和转速也会越高，同时

19、能量的转换效率也会随着转速增长。如果燃料的供应不加限制，那么涡轮的速度将会增长到它的其中一个部件不再能承受巨大增长的离心力为止。这个过程即使在使用了控制传感器后还是会发生，结果是发动机变成碎9片。幸好这个问题被解决了，我们将会在后边详细的讨论。预防发生这种情况的方法是避免发动机不受控制的运行。简单的燃气轮机和涡轮喷气发动机之间的区别是燃气轮机是涡轮喷气发动机的雏形，并且涡轮喷气发动机的尾部就有一个燃气轮机。在燃气轮机前边套一个引流装置就成了一台涡轮喷气发动机。严格意义上的涡轮喷气发动机就是把一个喷管或喷气机装在涡轮前边，以此来增强和优化喷气流所产生的推力。这并不是作为模型飞机涡轮喷气动力系统的

20、特别结构。另一个问题是燃气轮机的启动。正像活塞发动机一样不能依靠自己的能力从零转速提升到工作速度，启动它需要某种启动设备的帮助。请注意发动机有能力 14 在启动后进入不受控制的状态，如果，比如说有不受控制的燃油供应。因此如果你想要启动你的发动机，你就必须先要仔细阅读操作指导。为了能够使发动机点火，必须需要一些附加的额外能量。和活塞发动机相比，燃烧在涡轮喷气发动机里是连续的，因此只要点火一次，这个是燃气轮机的最后一个问题。在技术方面燃气轮机转子是燃气轮机中最复杂的部分。如果你能够制作转子，那你将无庸质疑的能够战胜剩下的技术问题。一个比较好的方法是从汽车用的一大堆涡轮增压机里挑选部件，然后设计省下

21、的部分，这些转子是由增压涡轮和相似形状的涡轮机组成的半开放空间。这样做的涡轮喷其发动机将无庸质疑能够运行，但是不幸的是这些技术不是一个普通爱好者的工作室利用我介绍的装备和方法能够达到的。主要问题是要精确的制作一个涡轮机的外壳，10因为涡轮机的外壳和带有放射形的叶片的增压涡轮以及涡轮机转子对于轴向上的精度都非常敏感。制作完外壳然后再制作在轴向上配合的转子这时问题似乎会变得比下边的工作更棘手。第一步就是要忘掉以前你所看到的和听说的关于模型涡轮喷气发动机的情况，因为它们中没有一个是关于使用业余方法制作的。使用下面的方法依靠物理理论和周密的考虑已经取得了成功，下面是靠辛苦的实践积累的经验：1全尺寸涡轮

22、喷气发动机的所有物理原则也同样适用于小型的发动机。唯一难点是精确的计算和评估不可避免的各项损失我们称之为内在效率，但计算最大损失，也就是保持燃气轮机运行的最低内在效率，这是比较现实的。2如果我们做一个相似的比较，比如模型螺旋桨和载人的航空器上的螺旋桨推进器，我们会发现：全尺寸的螺旋桨的最高效率在 85-89 之间。我们自己用电动模型实验发现模型螺旋桨最高效率大约在 75。从这些数字比较中我们可以得出对于模型涡轮喷其发动机至关重要的效率不会发生急剧的下降，尽管尺寸比例已经有很大的减小。如果我们比较通过螺旋桨和涡轮增压轮的气流，我们能发现有相似的地方。在两种情况下气流都是首先被加速然后速度又放慢。因为增压涡轮的放射形的叶片（作为一个例子）空气被加速并吸进快速转动的叶轮并在桨叶的外围达到约 200 米每秒的速度然后飞离涡轮增压机。当然必须有能量才能用这种方法压缩这些空气。一部分压力的增加是依靠离心力，另一部分是依靠增压机的扩散系统把气流的速度放慢。不幸的是我们必须接受这个过程中造成的大约 20 的能量损失。另一部分损失由