基本信息
- 項目名稱：
- “超影”微型渦輪噴氣發(fā)動機
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- “超影”微型渦輪噴氣發(fā)動機結(jié)合機械、材料科學、運動控制、流體力學等多學科理論，進行技術(shù)創(chuàng)新與綜合設(shè)計，完成了微型離心壓氣機，微型蒸發(fā)管式環(huán)形燃燒室，微型軸流渦輪，保形通道式擴壓器以及微型控制器等的設(shè)計，用僅僅20個零部件就實現(xiàn)了發(fā)動機8一級的推重比。 “超影”可以直接裝備到高級噴氣航模、應(yīng)急和科學實驗平臺以及高速靶機、微小型導(dǎo)彈等微小型無人武器系統(tǒng)，同時，以本作品為基礎(chǔ)可以發(fā)展出用于分布式能源的發(fā)電裝置和大飛機必備的APU核心組件。隨著本作品工程化、產(chǎn)業(yè)化的推進必將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟和社會效益。
- 詳細介紹：
- 本作品旨在通過設(shè)計一臺微型渦輪噴氣發(fā)動機——“超影”，并將其改進發(fā)展成為飛行驗證機型，促進該微型發(fā)動機在微小型無人機方面的應(yīng)用，推進產(chǎn)業(yè)化?！俺啊笨梢灾苯友b備到高級噴氣航模、應(yīng)急和科學實驗平臺以及高速靶機等微小型無人武器系統(tǒng)，同時，以本作品為基礎(chǔ)可以發(fā)展出用于分布式能源的發(fā)電裝置和大飛機必備的APU核心組件。隨著本作品工程化、產(chǎn)業(yè)化的推進必將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟和社會效益。 微型渦輪噴氣發(fā)動機涉及了微型渦輪發(fā)動機總體設(shè)計、機械、材料科學、運動控制、流體力學等多學科理論，“超影”的研制中通過技術(shù)創(chuàng)新，解決了微型化所帶來的零部件氣動、結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)設(shè)計等方面的部分技術(shù)難題，形成了多項專利技術(shù)。 “超影”微型渦輪發(fā)動機采用了先進的保形通道式擴壓器、微型發(fā)動機熱管理與微型控制器等技術(shù)，并采用創(chuàng)新技術(shù)對發(fā)動機匹配進行工作調(diào)試。對壓氣機、燃燒室、渦輪等主要部件及總體設(shè)計的多次改進，使“超影”達到了85N的推力，實現(xiàn)了8一級的推重比?！俺啊蔽⑿蜏u輪發(fā)動機已經(jīng)替換某模型飛機的活塞發(fā)動機，進行了飛行驗證，積累了對現(xiàn)有無人機進行發(fā)動機直接換裝的經(jīng)驗，可以大大加速我國無人機性能提升。通過上述內(nèi)容的研究獲得了動力強勁的微型渦輪噴氣發(fā)動機，它能夠給微型飛行器帶來真正日行萬里的速度。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 為了突破微型渦輪發(fā)動機在部件氣動設(shè)計、發(fā)動機控制、結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工制造工藝等方面存在的技術(shù)難題，促進微型渦輪發(fā)動機在微小型飛行器、分布式發(fā)電系統(tǒng)、輔助動力裝置等方面的應(yīng)用，推進微型渦輪發(fā)動機的產(chǎn)業(yè)化進程，我們設(shè)計制作了“超影”微型渦輪發(fā)動機，并將其發(fā)展成為飛行驗證機型。 本作品主要工作內(nèi)容包括：微型渦輪發(fā)動機總體及部件設(shè)計、發(fā)動機試驗及改進設(shè)計和飛行平臺驗證三方面。 主要創(chuàng)新點： 1、微型保形通道式擴壓器技術(shù)，減小了流動損失，提高了壓氣機性能； 2、微型發(fā)動機熱管理技術(shù)，減小了高低溫部件間相互干擾引起的性能下降； 3、微型發(fā)動機控制技術(shù)及微型控制器，實現(xiàn)了復(fù)雜起動、多狀態(tài)可靠工作； 4、綜合多項先進技術(shù)于整機，將微型發(fā)動機應(yīng)用于飛行驗證。 技術(shù)關(guān)鍵： 1、性能優(yōu)越的部件設(shè)計技術(shù)； 2、簡單可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計； 3、優(yōu)越的部件匹配技術(shù)； 4、快速可靠的起動、變工況控制技術(shù)； 5、微型發(fā)動機的飛行驗證技術(shù)。 主要技術(shù)指標： 直徑：11.4cm；長度：22cm；轉(zhuǎn)速：125000Rpm；推力：85N；推重比：8；最大轉(zhuǎn)速耗油率：0.06g/(N*s)。
科學性、先進性
- 1、基于多學科理論的微型渦輪發(fā)動機總體設(shè)計 微型渦輪發(fā)動機總體方案設(shè)計包括壓氣機、渦輪、燃燒室等主要部件的氣動與結(jié)構(gòu)設(shè)計、發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、發(fā)動機控制系統(tǒng)設(shè)計等。遵循簡單可靠的設(shè)計原則，將作品的零部件總數(shù)減少至約20個，并實現(xiàn)了8一級的大推重比。 在發(fā)動機控制系統(tǒng)設(shè)計方面，完成了控制系統(tǒng)的集成化與微型化，克服了起動過程容易出現(xiàn)懸掛的困難，實現(xiàn)了發(fā)動機復(fù)雜起動、多狀態(tài)工作的可靠控制。 2、發(fā)動機整機試驗及改進設(shè)計 根據(jù)整機試驗結(jié)果，在壓氣機靜子上采用了隔熱技術(shù)，并結(jié)合發(fā)動機部件匹配技術(shù)，對發(fā)動機進行改進，顯著改善了發(fā)動機總體性能，使發(fā)動機推力增加20％，耗油率下降10％。 3、飛行平臺驗證 替換模型飛機原有螺旋槳動力實現(xiàn)飛行驗證，檢驗了“超影”的各項性能以及實際應(yīng)用的工程指標。完成了“超影”批量應(yīng)用時與現(xiàn)有大量以活塞發(fā)動機為動力的無人機系統(tǒng)融合的探索工作。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2008年11月獲?？萍脊?jié)特等獎
作品所處階段
- 已完成參數(shù)檢驗，進入工程化階段。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
作品可展示的形式
- 實物、現(xiàn)場演示、圖片、錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 技術(shù)特點： 采用保形通道式擴壓器減小流動損失，提高壓氣機效率；采用熱管理技術(shù),減小燃燒室向壓氣機的傳熱，改善了微型發(fā)動機性能；采用全權(quán)限數(shù)字電控系統(tǒng)、微型控制器，結(jié)合燃油精確計量技術(shù)實現(xiàn)了可靠控制；通過臺架實驗調(diào)試實現(xiàn)了各項技術(shù)協(xié)調(diào)運用和發(fā)動機的匹配工作。 應(yīng)用前景： 1、用于應(yīng)急、科學實驗平臺及無人武器系統(tǒng)等微小型飛行器，可獲得更好的高度速度性能和飛行包線。2、結(jié)構(gòu)簡單，容易維護，成本低，是航模愛好者可承受的航模動力。3、用作分布式發(fā)電系統(tǒng)及軍用野戰(zhàn)電源，可實現(xiàn)高功率密度、高熱電效率、小污染排放。4、核心機設(shè)計技術(shù)可以運用到輔助動力裝置的研制中。 效益預(yù)測： 環(huán)境監(jiān)測、道路監(jiān)控、農(nóng)業(yè)勘測、航空攝影、微小型武器等方面對微型飛行器的需求日趨擴大，“超影”可直接作為微小型無人機飛行器的動力，具有廣闊的市場前景和顯著的經(jīng)濟、社會、國防效益，并可推進相關(guān)學科的發(fā)展。
同類課題研究水平概述
- 國外研究概況： 國外在微型渦輪發(fā)動機（MTE）方面的研究涵蓋了較大的尺度范圍，麻省理工學院燃氣渦輪實驗室研制了直徑2cm的超微型渦輪發(fā)動機；斯坦福大學的快速成型實驗室和亞利桑那州的M-DOT公司研制了外徑約5cm的MTE；而外徑6cm以上MTE的相關(guān)研究更為豐富，如Wren Turbines公司的MW54， Turbine Technologies公司的SR-30，Simjet公司的Simjet系列產(chǎn)品，美國Sunstrand公司的微型彈用發(fā)動機TJ-50等，本作品涉及的MTE也處于這個范圍。本作品的性能和TJ-50有一定的差距，但和國外其它主流產(chǎn)品性能相當。 基于微型發(fā)動機的發(fā)電系統(tǒng)具有功率密度高、熱電效率高、污染排放小的優(yōu)點，是分布式能源的一個重要發(fā)展方向。Capstone、Honeywell、Bowman等公司紛紛推出了功率在100kW以內(nèi)的微型燃氣發(fā)電機組。美國西部各州的電力企業(yè)已開始將提高能源利用率列為長期資源投資戰(zhàn)略中的重要一環(huán)。在華盛頓州，電力公司PG&E計劃通過投資研發(fā)高效節(jié)能技術(shù)來增強分布式能源系統(tǒng)，通過分布式能源系統(tǒng)來滿足未來50%的能源需求。 國內(nèi)研究概況： 國內(nèi)在MTE技術(shù)方面的研究起步較晚，“十五”以來有關(guān)研究單位、國家主管機構(gòu)及國防、電力等應(yīng)用部門都正在加強對MTE研究的關(guān)注和支持，也取得了良好的研究基礎(chǔ)。微型發(fā)動機技術(shù)在許多方面都有所進展，如：微型發(fā)動機總體設(shè)計及仿真技術(shù)，主要部件離心壓氣機、微型燃燒室、軸流/向心渦輪等部件的氣體動力學和結(jié)構(gòu)設(shè)計，以及微型發(fā)動機控制技術(shù)等。北京航空航天大學、西安交通大學、南京航空航天大學和中科院熱物理所等高校和科研機構(gòu)都在積極進行著微型發(fā)動機技術(shù)的研究工作。同時，國內(nèi)已有一些企業(yè)采用測量仿制或引進生產(chǎn)線的方式進行著微型發(fā)動機產(chǎn)品化的工作。
