PDF《在目前已知的各式转动机械中,一般认为,以涡轮发动机的效》

8 如前文所述,以本研究的目的为原则,订定了微型涡轮发动机的 设计要求如下: (1)大小: 拇指般(长度在5cm 以内) (2)加工方式:一般CNC 加工 (3)低成本 (4)材料:不锈钢304 (工作温度上限为摄氏600 度) (5)推力:100 克等级 (1)压缩比 p γ : 根 Kamps[5]的经验得到,压缩机直径为 66cm,转速 99495rpm 的微型发动机的压缩比为 1.898,而MIT 的9microengine 压缩比为 4.本研究中将微型涡轮发动机的压 缩比定为2. (2) 临界转速(critical rotational speed) W : cr C T W 转动件的转速决定在材料的限制、叶轮的半径、轴的承受 度.首先必须考虑材料在高转速之下不会过热,另外尚须考 虑转动件材料的强度及其所能承受的最高转速.先求出各转 动件的临界角速度(critical angular speed): (a)临界转速W (压缩机),W (涡轮): file:///E|/上传工具/docinbao/download/设计/微型涡轮发动机设计.txt[2011-4-4 12:02:34] 因为压缩机和涡轮的叶轮中心留有安装轴承的孔 洞,因此其剖面成环状,则其临界转速为 C 或()213CCmEI T + = W 其中 E : 材料的弹性模数(modulus of elasticity of material) 钢材的弹性模数为

2 9

10 210 m N E steel * = ( )

64 4

4 π i o file:///E|/上传工具/docinbao/download/设计/微型涡轮发动机设计.txt[2011-4-4 12:02:34] d d I ? = :惯性矩(moment of inertia) o d :叶轮直径

10 i m d :孔洞直径 C :重心到第一个轴承的距离(distance from the wheel C.G to the first bearing) :叶轮的重量(wheel mass) (b)转轴(shaft)的临界转速 W W : s W E d l ρ

2 47 .

2 = W 其中 d:转轴直径 l :轴承间的距离(bearing space) s ρ :转轴材料的密度 (c)发动机临界转速W : cr file:///E|/上传工具/docinbao/download/设计/微型涡轮发动机设计.txt[2011-4-4 12:02:34]

2 2

2 2

1 1

1 1 W T C cr W W W W + + =

11 本研究的微型涡轮发动机基本上是一个缩小尺寸的涡轮喷射发 动机,因此可以由布兰登循环(Brayton Cycle)计算出发动机的设计 点性能.将微型发动机的各部分元件以代号表示,如图2-1: a:发动机外大气环境,进气道入口 1:压缩机入口 2:压缩机出口,燃烧室入口 3:燃烧室出口,涡轮入口 4:涡轮出口 5:排气道出口 本研究的微型涡轮发动机将使用环境定义为在海平面,而空气进 入压缩机之前的速度定为马赫数0.01,即: h=0(sea level) M=0.01 在海平面的大气状态: a a P =1.01325bar T =288.15 K a ρ =1.225

3 m kg file:///E|/上传工具/docinbao/download/设计/微型涡轮发动机设计.txt[2011-4-4 12:02:34] a=340.3 s m

12 =1.005 p c ( ) C kg kJ ° ? γ =1.4 又已知大型涡轮发动机各元件的效率约在0.9 左右,但是小型涡 轮发动机的效率却只有约在0.65 到0.75 之间,本研究将压缩机、涡 轮与燃烧室的效率分别定为0.75 与0.7,机械的传送效率定为0.8, 燃烧室的压力损失定为4%,整理如下: 压缩比 p γ :2 涡轮前端温度(turbine inlet temperature) T :873K

3 c 压缩机效率 η :0.75 涡轮效率 t η :0.7 机械传送效率 m η :0.8 燃烧室效率 b η :0.7 燃烧室压力损失 ? :10% b P file:///E|/上传工具/docinbao/download/设计/微型涡轮发动机设计.txt[2011-4-4 12:02:34] (1) 压缩机出口处: 因为忽略进气道,压缩机入口静压 与外界静压 同,假 设入口气流速度为0.04

1 P a P M ,则由静压 与入口速度C 可算出 全压 :

1 P a

01 P

13 g C P P a

2 2

1 1

01 ρ + = ( )

980 2

3 .

340 04 .