一种超微型涡轮喷气动力装置

技术领域

本发明涉及微型涡轮发动机技术领域，特别是一种超微型涡轮喷气动力装置。

背景技术

微型无人机(Micro Air Vehicle，MAV)具有体积小、速度快、侦查能力强、隐蔽性好、操作简单、机动灵活等特点，被军事领域中作为微型侦察机用于战场侦察、监视目标、目标搜索、信号干扰、近距离作战，乃至侦察大型建筑设施内敌方重点敏感部位和窃听敌情，还可以用于检测生物化学污染区和核辐射危险区等人类不易到达的或不宜涉足的危险区域的军事动态任务，因此为战场增添“空中之眼”；在民用方面，MAV主要用环境监测、气象监测、森林防火监测、洪涝灾情监测，还可用于航拍、农作物监测、喷洒农药等领域。目前，西方军事强国现已进入微型无人机研究热潮阶段，但是要研制出该类微型无人机，首先需要解决的最重要最急迫的核心技术就是高能量密度的超微动力装置问题，因此研究新型高能量存储密度、体积小、重量轻、高功率的超微型动力装置是研制微型无人机的当务之急。

超微型涡轮喷气动力装置(Ultra Micro Turbine Engine，UMTE)具有高功率密度和高能量的特点，正是微型无人机急需的一种高能量密度的动力装置。根据UMTE特殊的热循环与结构特点，该动力装置须采用单级径流式压气机、微尺度燃烧室和单级向心式涡轮为一体的结构形式，且部件数量和连接点数必须尽可能少，整台装置直径≯22mm、轴向长度≯6mm；由于受到流量小、尺寸小、转速高，功率密度高的限制，气流在单级压气机中的压比≮4，转子切线速度达500m/s，燃气在燃烧室停留时间只有0.5ms，比传统燃烧室气流停留时间低了一个数量级，流入涡轮的燃气温度不低于1500K。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种超微型涡轮喷气动力装置。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种超微型涡轮喷气动力装置，包括：

所述装置包括：单级径流式压气机、微尺度燃烧室和单级向心式涡轮，其中，

所述单级径流式压气机的压气机转子与所述单级向心式涡轮的涡轮转子形成一个整体转子；

所述单级径流式压气机与所述单级向心式涡轮之间形成所述微尺度燃烧室，所述微尺度燃烧室包括：带环状燃料喷射口、环腔隔热夹层和带突扩口的火焰筒以保证燃料与主流预混预热充分，高温高压燃气沿所述单级径向流入涡轮的驱动涡轮转子做功后，再次转为轴向排出；

所述涡轮喷气动力装置为在采用6片厚0.4mm、2片厚0.6mm和3片厚0.8mm的单晶硅片单独蚀刻成型后，在相邻硅片之间通过扩散键合连接技术密封成气流通道而形成的。

可选地，所述单级径流式压气机由进气道、所述压气机转子、压气机静子和燃料喷射口构成；其中，

所述进气道设置于所述压气机静子的中心位置处；

在所述压气机转子上设置有多个叶片，使通过所述进气道的气流，经所述压气机转子后沿径向流动，再经过所述压气机静子上的扩压器叶片，以起到减速扩压作用；

所述燃料喷射口以环状结构设置于所述压气机静子出口截面，圆周方向呈均匀多点形式。

可选地，所述微尺度燃烧室由环腔隔热夹层、火焰筒、点火电嘴、突扩口和燃气出口组成，其中，

所述环腔隔热夹层以环形筒状设置于所述微尺度燃烧室的外侧，以对燃烧室的室壁进行冷却和对预混气进行预热；

在所述火焰筒的气流入口位置处设置有所述突扩口，在燃烧室前提内周向设置有多个所述点火电嘴，以点燃燃烧室组织燃烧后，通过所述燃气出口流进所述单级向心式涡轮。

可选地，所述单级向心式涡轮由涡轮导向器、涡轮转子和排气口组成，其中，

所述涡轮导向器上设置有多个导向叶片，在高温气流通过所述涡轮导向器后，沿径向流入所述涡轮转子的叶片驱动涡轮转子做功，然后折转90°，从环状的所述排气道轴向排出。

可选地，所述压气机静子的出口直径为7mm，在所述出口处周向设置有所述燃料喷射口。

可选地，所述环腔隔热夹层的宽度为0.4mm，轴长为4.4mm。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明实施例的超微型涡轮喷气动力装置的设计进口流量0.35g/s，推力0.3N，涡轮前温度1500K，，能满足微型无人机对动力装置功率重量比的迫切要求，同时在性能方面的提升潜力较大；且超微型涡轮喷气动力装置的结构紧凑、尺寸小(直径22mm，长度6mm)、重量轻(4.2g)，可满足微型无人机动力的结构需求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种超微型涡轮喷气动力装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种单级径流式压气机的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种微尺度燃烧室的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种单级向心式涡轮的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种整体转子的结构示意图。

具体实施方式

本方案采用小流量径流式高压比压气机，同时在压气机出口流道沿程提前布置环状燃料喷射点，以及在燃烧室外设置环腔隔热夹层，这样使喷入的燃料尽早与主流预先混合，还可对预混气进行预热，有助于延长混合时间，形成均匀分布的燃气，另外在燃烧室入口处设计突扩口，以提高火焰稳定性。

接下来，结合说明书附图对本发明实施例的技术方案进行如下详细描述。

参照图1，示出了本发明实施例提供的一种超微型涡轮喷气动力装置的结构示意图，如图1所示，该超微型涡轮喷气动力装置可以包括：单级径流式压气机1、微尺度燃烧室2、单级向心式涡轮3和整体转子4。

如图1至图5所示，径流式压气机1的压气机转子1b与向心式涡轮3的涡轮转子3b设计成一个整体转子4；径流式压气机1与向心式涡轮3之间设计微尺度燃烧室2，微尺度燃烧室2设计成带环状燃料喷射口1d、环腔隔热夹层2a和带突扩口2d的火焰筒2b，以保证燃料与主流预混预热充分，同时可防止回火，还达到稳定火焰和延长燃气在燃烧室内的停留时间，最后高温高压燃气沿径向流入涡轮3驱动涡轮转子3b做功后，再次转为轴向排出；

单级径流式压气机1由进气道1a、压气机转子1b、压气机静子1c与燃料喷射口1d构成；其中，进气口1a设置在压气机静子1c的中心位置处，压气机转子1b上设计20个叶高0.58mm的叶片1b-1，使通过进气道1a的气流，经压气机转子1b后沿径向流动，再经过压气机静子1c上设计的13个叶高0.6mm的扩压器叶片1c-1减速扩压，同时为保证在有限的空间内燃气完全充分混合，在压气机静子1b的出口R＝7mm截面周向均匀设置15个φ0.3mm燃料喷射口1d；

微尺度燃烧室2由燃烧室隔热夹层2a、火焰筒2b、点火电嘴2c、突扩口2d、燃气出口2e组成；其中，燃烧室隔夹层2a宽0.4mm轴长4.4mm，环腔式布置在燃烧室2的外侧，起到对燃烧室室壁进行冷却和对预混气进行预热的作用，同时气流在环腔隔热夹层中约预混1.4ms后更分布均匀，在燃烧室入口设计宽0.6mm突扩口2d，达到稳定火焰和延长燃气停留时间的目的，火焰筒2b内R＝9mm截面周向均匀设计6个点火电嘴2c；

单级向心式涡轮3由涡轮导向器3a、涡轮转子3b、排气口3c构成；其中，涡轮导向器3a上设计24个叶高0.3mm的导向叶片3a-1，高温气流通过导向器3a后，流入15个叶高0.27mm的涡轮转子叶片3b-1，驱动涡轮转子3b做功，然后再折转90°，从环状排气道3c轴向排出。

下面给出了本发明实施例提供的超微型涡轮喷气动力装置的实施过程，具体如下：

步骤1：根据UMTE特殊的热循环与结构特点——流量0.35g/s、燃料流量0.01g/s、直径≯22mm、轴向长度6mm、转子切线速度达500m/s，涡轮进口燃气温度不低于1500K，采用单级径流式压气机、微尺度燃烧室和单级向心式涡轮为一体的结构形式，同时受结构尺寸限制，整机采用微机电制造技术(MEMS)，由许用温度达1500℃、6片厚0.4mm、2片厚0.6mm和3片厚0.8mm的单晶硅片，采用半导体微细蚀刻技术，将该装置的腔体、固定叶片、旋转叶片、燃料喷口、进/排气口单独刻蚀在单层硅片上，再通过扩散键合技术将单晶硅片层与层连接形成整体。

步骤2：受到20个叶高0.58mm的压气机转子叶片的引力，气流从进气口流入后转90°，进入高0.6mm的流道，压气机增压后压比达4.0，随后经过压气机扩压器叶片(13个叶片，叶高0.6mm)减速扩压后，再转90°流入燃烧室；

步骤3：为保证在有限的空间内燃气完全充分混合，在压气机静子的出口R＝7.0mm截面周向均匀设计15个φ0.3mm燃料喷射口，使燃料提前与主流混合；

步骤4：在燃烧室最外侧与火焰筒间距0.3mm处设计宽0.4mm长4.4mm的环腔隔热夹层，气流在环腔隔热夹层进一步均匀混合，同时对燃烧室火焰筒起到冷却保护作用，接着气流转折180°进入0.6mm的燃烧室突扩口，经过突扩口的气流速度约5.0m/s，混合气体流入燃烧室后经R＝9mm截面周向均匀设计6个点火电嘴，点火组织燃烧，停留约3.5ms后进入涡轮；

步骤5：温度约1500K的燃气通过24个叶高0.3mm的导向器叶片整流增速后，沿径向流入15个叶高0.27mm的涡轮转子叶片，驱动整个转子做功，最后再转90°从排气口轴向排出，产生反向推力。

本发明实施例提供的超微型涡轮喷气动力装置，是基于单晶硅片的微机电蚀刻技术，通过突破径流式压气机、微尺度燃烧室和向心式涡轮的一体化设计方法，有效组织小流量燃气分配，合理布置小尺寸结构的几何空间，达到满足高功率、微小尺寸、轻量化的微型无人机动力的需要。其主要优点和效果如下：

1)该超微型涡轮喷气动力装置的设计进口流量0.35g/s，推力0.3N，涡轮前温度1500K，，能满足微型无人机对动力装置功率重量比的迫切要求，同时在性能方面的提升潜力较大；

2)该超微型涡轮喷气动力装置的结构紧凑、尺寸小(直径22mm，长度6mm)、重量轻(4.2g)，可满足微型无人机动力的结构需求。

本申请所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本申请，但不以任何方式限制本申请。因此，本领域技术人员应当理解，仍然对本申请进行修改或者等同替换；而一切不脱离本申请的精神和技术实质的技术方案及其改进，均应涵盖在本申请专利的保护范围中。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。