发动机结构课程设计

航空发动机

结构课程设计

姓名：杨程浩

班级：1115062班

学号：111506236

院系：航空工程系

指导老师：张丽娜

2014年6月18日

航空发动机结构课程设计任务书

一、设计题目

JetCat P-100-RX小型发动机拆装测绘

二、设计内容

（1）收集和查阅专业相关资料，了解小型发动机的功用；

（2）进行小型发动机分解，记录小型发动机分解过程，画出分解示意图，并对其拆装流程进行分析；

（3）分析小型发动机结构组成，分析核心机单元体组成，分析小型发动机启动与工作过程；

（4）进行发动机测绘（每个小组需完成以下内容，个人任务根据各自小组成员分配方案进行），主要包括：①完成发动机零件的测绘：轴、轴套、前内导流罩、前外导流罩、离心叶轮、扩压器1、扩压器2、燃烧室、涡轮导流器、涡轮工作叶轮、尾喷管、整流锥、发动机壳体；②完成部件装配图：进气道部件，压气机部件，涡轮部件，尾喷管部件，轴与轴套；③画出小型发动机的总装配图（根据小组及个人情况和意愿做）。

三、设计要求

（1）在两周内完成所有课程设计任务；

（2）完成发动机拆装，完成分解示意图，完成小型发动机拆装流程分析，分析小型发动机结构及工作原理；

（3）对小型发动机零件进行分析、测绘，完成零件图、部件组装图和总装配图的绘制；

（4）完成零件图、部件组装图（或总装配图）等至少3张以上图纸；

（5）完成课程设计报告。

四、参考资料

（1）《JetCat P-100-RX小型发动机说明书（英文）》

（2）《JetCAT涡轮发动机使用说明书》

（3）《航空发动机结构课程设计具体安排》

（4）《北航微发装配实验指导书》

目录

一、JetCat P-100-RX小型发动机的功用 (4)

1.1 简介 (4)

1.2 功用 (4)

二、小型发动机的工作原理 (5)

2.1 工作原理 (5)

2.2 具体步骤 (5)

三、小型发动机的结构分析 (6)

3.1 结构系统分析 (6)

3.2 核心机单元体分析 (7)

3.2.1 压气机 (7)

3.2.2 燃烧室 (8)

3.2.3 涡轮 (8)

四、小型发动机拆装流程分析 (9)

五、小发零件的测绘、部件组装 (15)

5.1 扩压器1的测绘 (15)

5.1.1 扩压器作用 (15)

5.1.2 扩压器1的测量 (16)

一、JetCat P-100-RX小型发动机的功用

1.1 简介

微型涡轮发动机是航空发动机的一个新领域。这类发动机的推力为数十至数百牛,功率为数瓦至数百瓦。它们在设计思想、参数选择、部件形式、结构支撑、材料工艺及研制等方面均有其特点,将会越来越广泛地用作靶机、航空模型、小型无人驾驶飞机和巡航导弹的动力装置。在国内外均具有广阔的发展和应用前景。

随着世界航空工业发展以及一些国家对武器装备的要求,小型航空涡轮发动机发展很快,产品的种类和型号大大增加,已经形成系列产品。制造技术也逐渐成熟,应用领域不断扩大,除用于小型飞机、直升机、无人机、靶机、巡航导弹、航模、飞机辅助动力装置外,近年来又出现了新的应用领域――发烟机。微小型航空涡轮发动机(以下简称微小发)的广泛应用,不仅为微小发的发展创造了条件,而且也使微小发的社会效益和经济效益大大提高。

1.2 功用

微小发从出现到今天已经走过了24年的历史。1983年的3月20号，由英国人杰里·杰克曼领衔的团队研制的第一台微小发成功的为一架模型飞机完成3分钟飞行而提供动力，由此拉开了微型发动机在航空领域中精彩演出的序幕。第一台微小发约 30 磅重左右，可以产生9磅的推力，转子极限转速可达95000rpm。而在20多年后的今天，相同尺寸及重量的涡轮发动机可在转子转速达到120000rpm

的前提下产生30多磅的推力级。

图1-1

本实验采用的是JetCat P-100RX 小型发动机，其转速为1520001/min,推力为100N ber，重量为1080g（含启动马达），直径为97mm，长度为245mm，转速范围为42000-1520001/min，喷口最高温度可达到730°C，最大耗油量350ml/min, 使用燃油Kerosin JetA1,煤油，油机混合比为5％，须返厂维修时间为50小时。目前用于小型飞机、直升机、无人机、靶机、巡航导弹、航模、飞机辅助动力装置和发烟机。

二、小型发动机的工作原理

2.1 工作原理

燃气涡轮发动机是由进气装置、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管等主要部分组成。从进气装置进入的空气在压气机中被压缩后，进入燃烧室并在那里与喷入的油混合燃烧，生成高温高压燃气。燃气在膨胀过程中驱动涡轮做高速旋转，将部分能量转变成涡轮功。涡轮带动压气机不断吸进空气并进行和压缩，使发动机能连续工作。经过涡轮之后的燃气从尾喷管喷出产生推力。

2.2 具体步骤

接通点火器加热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打开气阀，丙烷气应在燃烧室内点火成功如果点火成功，则断开点火器，接通电机加速接通油阀,控制油泵,使燃油进入燃烧室，并维持一个较小

的流量

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

调节供油量，避免转速悬挂

当转速达到一定程度时，切断气阀

当转速达到一定程度时，电机脱开

继续加油，直至发动机进入慢车状态

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

图2-1 工作原理简图

三、小型发动机的结构分析

3.1 结构系统分析

压气机部件由进气道、离心叶轮、扩压器、压气机盖和压气机机匣组成。进

气道由前内导流罩和前外导流罩组成。进气口为环形，无进口导流叶片，流道外壁设置消声衬板，无防冰装置。对于离心叶轮是这次自己主要负责的零件。压气机叶轮为半封闭式，单面进气，其叶片为前弯型叶轮的单级轴流式结构。叶片分为长短两组，由6个大叶片和6个小叶片组成。这种设计减少了零件数目，简化了结构。扩压器是使将离心叶轮高速甩出的气流减速增压，减少气流流动损失，达到提高效率、简化结构的目的。压气机盖大安装边上的内环槽对压气机机匣上的环形凸缘定心。在小安装边上有螺桩，用来固定进气道。在压气机盖的专用凸丙烷

燃油

ECU 油门杆电池组驾驶舱面板点火器

启动电机丙烷阀

燃油阀

燃油泵

传感器

肋上有使空气进入进气道封严衬套去的气孔。压气机盖和压气机机匣用螺栓固定在涡轮机匣上。压气机机匣的凸肋上有使空气通往轴承封严盖去的进气孔和滑油回油孔。

涡轮部件由涡轮导流器和涡轮工作叶轮组成。涡轮导流器又称涡轮静子，有16个叶片，涡轮工作叶轮又称涡轮转子，有26个叶片，属于径向式涡轮。一排静子叶片和一排转子叶片组成涡轮的一个级，气体通过涡轮膨胀做功，气体比容增大，密度减小。

燃烧室为短环形。火焰筒由内外壁两部分组成。外壁与压气机相接，分布有6排大小不一的气孔，达到冷却目的。内壁与涡轮导流器相接触。有12个高压空气雾化喷嘴。

尾喷管部件由外壳和整流锥组成。是固定面积收敛喷管，风扇流道内设置反推力装置。尾喷管功能是将从涡轮流出的燃气膨胀加速，将燃气中一部分热焓转化为动能，从尾喷管告诉喷出，产生反作用推力。整流锥和外壳通过3个螺栓固定。

启动系统：采用气起动机装在附件齿轮机匣上。

控制系统：主发动机控制系统（MEC）。

指示系统：发动机指示系统（EIS）。

3.2 核心机单元体分析

JetCat P100-RX小型发动机的核心机主要有三部分组成：压气机，燃烧室，涡轮。

3.2.1 压气机

本发动机为离心压气机，由两个基本部分组成：一个是固定部分，一个是旋转部分。固定部分是由进气装置、叶轮的前壁和后壁、扩压气以及支撑转动部分的机匣组成。转动部分由导风轮、离心叶轮以及带动他们的转子轴组成。

压气机转子：进入压气机的气流由进气道装置导入导风轮，经导风轮进入离心叶轮。离心叶轮的进口向中间收拢使她的直径尽量减小，来有效地利用叶轮外径的切线速度以提高叶轮对气流的加工量。

压气机前静子：由进气装置、叶轮的前壁和后壁、扩压气以及支撑转动部分的机匣组成。从离心叶轮出来的高速气流先在扩压器1中降速增压，再流

入扩压器2中继续降速增压，使气流压力提高。

前机匣有钛合金锻制，延伸机匣由不锈钢锻制。延伸机匣通过螺栓和螺

帽安装在前机匣上，其中有9个连接点是焊接的，是前机匣和延伸机匣成为一

个不可分离的整体。前机匣的下半环和延伸机匣上有孔探孔，用于检查内部区域。前静子机匣在风扇框架和燃烧室机匣之间形成承载结构。在前机匣和延伸

机匣上有引气口，可以将引气引到飞机起源系统，作为涡轮冷却空气。

3.2.2 燃烧室

燃烧室机匣:燃烧室机匣用于提供结构安装面，传递轴向载荷，提供高压压气机和高压涡轮之间的气流通道。燃烧室机匣上安装有高压压气机出口导向叶片（OGV）和扩散器，扩散器可减缓进入燃烧室的气流速度。

燃烧室:JetCat P100-RX小型发动机采用短环形燃烧室，装配式结构。采用这样的设计，可产生更适宜的油气混合气和低的热应力。燃烧室包含在机匣内，包括内筒、外筒及其整流罩，12个主级和次级旋流喷嘴，支撑套筒。外筒和外筒整流罩焊接在支撑套筒上，内筒和内筒整流罩用螺栓也支撑套筒固定在一起。

3.2.3 涡轮

涡轮进口导向器:涡轮进口导向器（喷嘴环）是一个单级、气冷式组件，

他安装于燃烧室机匣上，可引导燃烧室出口的燃气以最佳的角度冲击涡轮转子。进口导向器的主要组成部分包括：23个导向器叶片组、外环和内环。

涡轮转子:涡轮转子是一个单级，气冷涡轮。转子包括前轴，前空气封严件、涡轮盘、23个叶片和后轴。前轴形成压气机和涡轮转子的结构链接，并

且支撑压气机转子的后端。涡轮盘是锻制的机加工件，涡轮叶片固定于盘的轴

向燕尾槽中。

高压涡轮转子后轴通过螺栓连接到涡轮盘的后侧，形成高压涡轮转子的

后支撑点。高压涡轮的后轴由4号轴承支撑，此轴承的内圈固定在低压涡轮轴上。

涡轮叶片由高温镍合金制成，它们为单叶片设计，每个叶片都是可换的。叶片通过高压压气机排气进行内部冷却，冷却空气从叶片燕尾槽进入，通过叶

片前缘，侧面和后缘的通气孔喷出。涡轮叶片由前后固定环固定，固定环用螺

栓固定在涡轮盘上。

涡轮护罩和涡轮进口导向器组件:涡轮（HPT）护罩和涡轮（LPT）进口导向器组件位于燃烧室机匣的后端内侧。它形成了核心机主单元体和涡轮主单元体的连接界面。

四、小型发动机拆装流程分析

图4-1 整机

1.取下机匣外壳、前外导流罩和起动机。

图4-2 拆除机匣

2. 拆下前内导流罩

图4-4 拆除前内导流罩3. 拆下离心叶轮

图4-5 拆除离心叶轮4. 取出轴和涡轮转子

5. 拆下涡轮导向器

6. 拆下燃烧室

图4-8 拆除燃烧室7. 拆下轴套

图4-9 拆除轴套

8.拆分扩压器1和扩压器2

图4-10 分离扩压器1和扩压器2

9. 所有零部件拆分完成

图4-11 所有零件拆分完成

安装时由于工具不足和拆发动机时对其一些零部件造成损伤，在安装时就产生了一些困难，一些细小零件不能重新装上或者装上后造成其他零件不能很好的配合安装。具体的安装步骤与拆卸时的步骤相反，在此不再详细介绍。

五、小发零件的测绘、部件组装

5.1 扩压器1的测绘

5.1.1 扩压器作用

扩压器是使将离心叶轮高速甩出的气流减速增压，减少气流流动损失，达到提高效率、简化结构的目的。

气体从叶轮流出时，具有很高的流动速度，为了将这部分动能充分的转变为热能，以提高压力，在叶轮后面设置了扩压器，它是有前后隔板组成的通道，随着直径的增大，流通面积也随着增加，气体速度逐渐减慢，压力得到提高。

扩压器的工作原理就是利用通流截面积的不同，将速度能转化为压力能。叶片扩压器无非就是通过叶片的形状限制了气流的流动方向，从而缩短了扩压器通道的总体结构尺寸。轴流压缩机中一般也会在末级后采用无叶扩压器来回收气流的速度能。

图5-1 扩压器1

图5-2 扩压器1

5.1.2 扩压器1的测量

工具：内六角螺钉扳手、尖嘴钳、游标卡尺、刻度尺等。

扩压器1的拆卸所需工具主要是扳手、尖嘴钳；扩压器1的测绘主要依靠游标卡尺、刻度尺。游标卡尺主要测量该部件的外径、厚度；刻度尺主要测量内径、圆孔，以及其与游标卡尺不能完成的部分。

扩压器零件及部件组装图见手绘图纸。