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【殿堂级】微型涡喷发动机制作经验总结(原型机GR180)

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发表于 2017-6-14 13:46:25 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 cai鸟先飞 于 2017-7-23 20:21 编辑

GR180涡喷制作经验分享
http://forum.chnjet.com/forum.ph ... =22788&fromuid=1513
(出处: CHNJET喷气俱乐部)


上面是原来帖子的连接,这个帖子里是全部重新整理过的,不定期更新。
谢谢大家关注。

先放张封面


微博图片.jpg

GR180 涡喷 第一次ECU启动成功



楼主热帖
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 楼主| 发表于 2017-6-19 22:54:49 | 显示全部楼层
本帖最后由 cai鸟先飞 于 2017-6-22 16:10 编辑

2.2 发动机导流器、涡轮设计(选型)
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好消息是这个现在已经不需要设计了,市场上很多厂商推出了套装产品,规格有大有小,大家可以自行选择。

记得当初看了国外某位大神自己做导流器涡轮的帖子,看完人家的制作图片之后内心久久不能平静,然后萌生了想要自己做涡喷的涡轮和导向器的想法。心想:老外都能干出来,我也能干出来。

于是上淘宝买材料,自己按照老外的图片设计加工的夹具,然后送去加工,原本只需要花2000元买的成品涡轮和导流器,硬是让我直接买材料就花掉了2500元。买的材料是310S,财力有限,高温镍基合金钢商家都是整张出售,价格让人绝望。虽然310S材料差点,当时心里还美滋滋的想着可以做好几套出来,质量不够用数量来抵。现在看来,多么愚蠢的想法。然后送出去加工的夹具又从我的银行存款里抽掉了1000多元。还没看到涡轮和导流器的影子,直接接近4000元就没了。

这里告诫想自己做涡轮和导流器的朋友,如果能力一般,条件一般,千万不要去尝试自己做涡轮和导流器,你将会得不偿失。我想要自己做涡轮和导流器的结局是,花了6000多元,做了一堆半成品,最后沦落为废品回收站的账上资产。

虽然理论上我想我是能够做出来的,但也仅限于导流器。能做出来的价格也不会低于300元的成本,品质更是和商品机用的没法比。然而,涡轮更是涡喷的核心部件,必须要久经考验的航空级耐高温高强度材料和及其复杂的加工工艺。自制?其实就是图个心理爽而已。做出来99%都不能用,能用的寿命也不会高到哪去。

当然,想要做涡喷的童鞋也不要盲目的相信我的话,我没能力做出来,不代表其他朋友做不出来。反正,最后我是老老实实去买成品导流器和涡轮了。

图片20.png

图片21.png

参考国外牛人做的导流器和涡轮(不是我做的)。做得很漂亮,最后制作成功了,使用这个导流器和涡轮的发动机成功的进入怠速状态,但是具体推力不好说,没有找到测试结果。

结论:导流器涡轮不能用普通的不锈钢制作,必须要耐高温合金钢,美国牌号为镍基合金Incone 718,国内牌号为GH4049,这些材料也正是全尺寸航空发动机使用的材料。

导流器和涡轮是涡喷发动机工作环境最恶劣的地方,要承受高温,高应力。以GR180涡轮为例,每一个涡轮叶片在全功率运行的时候,所承受的离心力大约为6000N左右(求叶片离心力计算方法)(向心力计算公式F=mv²/r),一般的材料再温度达到500℃以上时直接就软化了,只有特殊的高温合金才能在超过800℃的高温下仍然保持高强度。

涡轮叶片的厚度和角度都有严格的要求,角度决定了发动机的推力,排气温度(后面有图表说明叶片角度和发动机推力的关系);厚度决定涡轮叶片的强度和耐用性。短短一句话,但其中蕴含的知识量足以写一篇专业的论文。我也是管中窥豹,只见一斑而已。

图片22.png
在国内买的成品导流器和涡轮

图片23.png
拉德 鲁顿 的导流器和涡轮

借用偶像的图片,国内买的是做好的成品,安装尺寸和网络上下载的图纸不一样,谨慎使用。另外这种高温合金材料非常难加工,普通的刀具对它无效。

导流器出口面积和涡轮出口面积非常重要,是喉道位置。

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 楼主| 发表于 2017-6-14 13:47:24 | 显示全部楼层
本帖最后由 cai鸟先飞 于 2017-6-21 14:25 编辑

序言
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我不是专业科班出身,很多知识都是来源于网络或向老师请教或自己动手摸索。受阻于个人的知识水平和经验水平,我写的东西不一定是完全正确的,我自己也能感觉到,有很多地方存在错误的,但以我目前的知识还无法准确的判断出来这些错误。

写这个总结,是希望能给予热爱涡喷的朋友一些帮助,毕竟,我走过的弯路不希望更多的朋友们再去走。都说站在巨人的肩膀上能看得更远,我虽然连巨人的鞋面高度都达不到,仍然愿意做一颗机械工业的垫脚石。如果我写的东西,能帮助到一些朋友,我想我会觉得欣慰。

中国是世界上人口最多的国家,改革开放三十年也创造了无数的奇迹,但是在高端工业产品制造领域,我们一直做不到最好。有人说是因为没有资料,有人说是因为国外技术封锁,或者其他这样那样的理由。

我却觉得最适合的一条应该是我们的心境。现在的我们受整体社会环境的影响,太过于浮躁,总有很多事要做,没工夫静下心来钻研一样东西。包括我自己。

2013年接触小型涡喷发动机,到现在自己手里的这台半成品发动机,走了很多弯路,也仍然在走着弯路,时间也过去了3年多。有很多朋友支持着我,我才走到了现在。

当然比我厉害的人多的是,但是人家不一定愿意把辛辛苦苦学到的经验讲出来。为什么我要分享?因为我受过很多朋友的帮助,另外也希望正被涡喷问题困扰的朋友,即将接触涡喷的朋友提供一个便利,也是对自己搞了这么久涡喷的一个总结吧。

受限于现阶段我所了解的知识局限,后面讲的一些内容可能存在偏差,或者错误的地方,希望有缘看到这个分享的朋友们擦亮自己的眼睛细心甄别。也希望朋友们能联系我,告诉我错误的地方,我一定认真改正。我不害怕错误,任何事情,都是在挫折中成长,只要我们永不放弃,共勉。

相信看完这些东西,朋友们就能判断出自己到底适合自己做涡喷感受制造的快乐,还是直接买商品机享受飞行的快乐。做涡喷真的是需要慢工出细活的。

涡喷是一个非常危险的东西,我自己就在涡喷测试的时候被削掉过手指头,轻描淡写的一句话,其实曾经带给我相当大的困扰。所以每一个看这个分享的人都应当严肃的对待涡喷。保护好自己,也保护好身边朋友的安全。

学习涡喷第一步相信大家都知道--收集资料。凡是网络上能找到的,不管好坏,通通找来。好嘛,废了不少劲,终于找了几个G的资料,等到整理的时候傻眼了。这么多资料,哪些是有用的?哪些是真实的?哪些是误导的?根本分不清楚。这确实是一个很严重的问题,因为,即便是国外的资料,也不一定是齐全的,有时看起来很完整的资料,甚至也只是人家的试验品,更多的时候资料都不是完整的。零零碎碎,怎么办?没关系,咱们从头开始,一步一步来,系统的学习微型涡喷发动机。

这里我得先说一下,理论计算,是我的短板,数学成绩一直都很差劲。希望大家轻喷,如果有错误的地方也欢迎各位朋友指出来。如果能靠大家的力量,让这些内容变得更完整,是我的幸运。
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 楼主| 发表于 2017-6-19 22:49:23 | 显示全部楼层
本帖最后由 cai鸟先飞 于 2017-6-22 16:07 编辑

1.6 小型涡喷发动机常用的名词解析
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在进入发动机设计流程之前,我们需要了解一些涡喷发动机领域里的专业名词,以便我们更好的理解后面所讲解的内容。

压比:发动机内部压力与环境压力的比值(绝对气压比值)。例如发动机在设计极限性能时内部压力为0.2Mpa,标准大气压为0.1Mpa。则发动机标示压比为3.0。涡喷发动机的压比越大,就意味着同体积情况下更多的空气能够参与燃烧做工,发动机的涡前温度就能越高,发动机的功率也就越高,效率也能得到有效提升。(压比和压缩比是两个不同的概念,压缩比通常用在活塞发动机中,气缸中气体容积在压缩前与压缩后比值。)

推重比:在水平面发动机的推力与发动机净重之比,是衡量发动机性能非常重要的指标。

涡轮前温度:导流器进口截面的平均温度。如果有多级排气涡轮则是第一级涡轮导向器进口截面处的总温。
图片12.png

燃烧室种类:分管燃烧室; 环管燃烧室; 环形燃烧室。小型涡喷发动机主要采用的是环形燃烧室结构。
图片13.png
分管燃烧室
图片14.png
环管形燃烧室
图片15.png
环形燃烧室(微型涡喷发动机一般采用环形燃烧室)

燃气温度:燃烧室内部主燃区火焰燃烧温度。
图片16_副本.png

排气温度:燃烧后的气体经掺混降温,推动涡轮做功之后,(或再经过加力燃烧室之后),燃烧废气离开喷口的温度。
图片17.png

空气流量:每秒钟经过进气道的空气质量。
图片18.png

压气机级数:在轴流式涡喷发动机中,压气机内部是一排又一排静动交替的叶片,一动一静两排称为一级。

进气速度:空气进入压气轮之前的速度,和飞机飞行的速度关系很大。并不是越快越好。

压气机:压缩空气的叶轮或叶轮组合。离心式涡喷发动机通常是单级离心压气机,轴流式涡喷发动机通常是多级离心式压气机。本文讨论的是单级离心式小型涡喷发动机。

空气循环过程进入发动机的空气会经历一个近乎连续的,渐进的压缩过程。进入进气道前、进气道里先经初步减速增压(100-200m/s左右);压气机内逐级减速(出口通常小于100m/s);之后通过扩压段进入燃烧室,燃烧时的核心气流速度已经小于几米每秒;之后,在涡轮内,过程恰与压气机内部相反,气流减压加速(到上百米/s);最后经尾喷管将气体高速喷出。

失速:进气口最前面入气口颈部直径一般比压气机的风扇直径小,当高速空气进入就会因为被扩张而减速,把能量化成静压。这样风扇入口才有足够的空气比重保持流量。如果风扇入口速度太高,空气比重就越小静压也越低。这样就会造成气流不稳定也不能有足够功率输出,这就是我们通常说的失速。

其他,后续待补充。

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 楼主| 发表于 2017-6-14 13:48:03 | 显示全部楼层
本帖最后由 cai鸟先飞 于 2017-6-22 15:58 编辑

关于小型涡喷发动机的历史
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涡喷发动机最早在1939年装上飞机试飞,并且第一次试飞就打破了当时所有螺旋桨飞机的飞行速度记录。直到几十年后,一位名叫Herr Schreckling的工程师为了实现小时候的梦想,1988年退休后开始开发小型涡喷发动机。经过4年无数次的实验,1992年制造出了第一款航空模型能稳定使用的涡轮喷气发动机FD3/64。该款发动机在世界各地模友的改进下,延伸出多种型号,并且经过零部件改进,使得这款发动机的性能得到了质的提升。这款发动机从最开始只有70000转20N推力,到现在衍生出的型号,同尺寸下能够做到120N推力甚至更多,转速也增长了将近一倍。

图片1_副本.png
Herr Schreckling 微型涡喷教父
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 楼主| 发表于 2017-6-14 13:48:25 | 显示全部楼层
本帖最后由 cai鸟先飞 于 2017-6-21 14:25 编辑

关于自制涡喷的一些误区
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发动机的推力表达方式真的是KG(公斤)吗?
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这个话题细说起来其实很有意思,首先我们先判断涡喷发动机做的功是力还是重量。显而易见:重量是一个物体在地球上受到的引力表现,力是物体在运动过程中所做的功,涡喷发动机的工作介质是空气和燃料,有质量的空气被加速从涡喷尾部高速喷出,空气的反作用力作用于发动机本体,从而让发动机获得向前的推力。所以,涡喷发动机产生的推力是力,而不是重量,而力的单位是N(牛顿)。所以大家注意一下商品机的编号,都是按照力的数值来给发动机命名的,比如P120,K180等等。去掉前面的字母,在数字后面加一个单位N(牛顿),就是发动机能产生的推力。

那么,用KG(公斤)来表达发动机推力是怎么回事?这个不得不说最开始测试自制涡喷的工具了,真乃神级物品,就是家里用的弹簧秤、电子秤。称是用来测量物体重量的工具。恰好在地球上1KG=9.8N,0.2牛的差别可以忽略不计,既然有如此趁手的工具,不用简直就是暴殄天物。所以慢慢演变成了,发动机的推力都用千克来表达。其实这不是一个正确的表达方式。好吧,请不要忽略我微弱的声音,别的地方咱们专业不了,至少在表达方式上,咱们不能让人家笑掉大牙吧。

所以,涡喷的推力单位是N(牛顿)。
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 楼主| 发表于 2017-6-14 13:49:07 | 显示全部楼层
本帖最后由 cai鸟先飞 于 2017-6-21 14:26 编辑

真的能够《在家里制作小型涡喷发动机》?
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别扯淡了好不?以个人的经验来说,如果一个没有任何技术积累的爱好者要按照网上的资料做一台一模一样的涡喷出来,几乎是不可能完成的任务,几乎是不可能完成的任务,几乎是不可能完成的任务。重要的事情说三遍。
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 楼主| 发表于 2017-6-14 13:49:36 | 显示全部楼层
本帖最后由 cai鸟先飞 于 2017-6-21 14:26 编辑

为什么老外可以在家制作小型涡喷发动机,自己却不行?
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这里要给大家讲讲这个小型涡喷界教父级的人物了--Herr Schreckling先生,就是前面照片里的那个老头。Herr Schreckling先生能做出世界上第一台小型模型涡喷发动机,和他本人在发动机上投入的热情、和几十年工程师职业经验累积是分不开的。同样的方法,人家能做出来,我们不一定行,人家做动平衡用手指感觉就行了,我们行吗?

就我自己来说,机械行业7年的工作经验,也无法按照Herr Schreckling先生提供的方法做一台FD3/64出来。以我自己的实例给大家做参考,不知道大家心里有底了没?当然不排除有比我牛的朋友存在,我也自认为自己水平一般。

还有一个简单的判断方法:在1分钟之内找到你家的钳子,螺丝刀,锉刀,电钻,磨头等等一堆自制涡喷必备工具。找不到的话还是洗洗睡吧。
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 楼主| 发表于 2017-6-14 13:50:04 | 显示全部楼层
本帖最后由 cai鸟先飞 于 2017-6-21 14:26 编辑

一台涡喷发动机的成本真的只有几百元?
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这个问题的答案最早也是来自于涡喷教父Herr Schreckling先生,他在开发小型涡喷的时候考虑到爱好者自制的便利性,全部采用的都是方便获得的材料。而原材料价格确确实实只有100多欧元,在中国的话,800多元也能把材料全部搞齐。

但是,请务必要先解决在哪买?买不买得到?是不是货真价实?这三个问题。还有一个非常重要的,千辛万苦买好了材料,上哪去加工?加工费怎么算?给了钱能不能做好?这些问题,不是一句人家几百元就做出来了就能解决的。更何况涡喷教父还自带几十年的经验积累,我敢打赌,就算准备好一堆合格的零件,也少有人能够把涡喷组装好。绝非危言耸听。

目前市场上小型涡喷发动机的价格都有他们各自合理的定价标准。虽然确实存在一些水分,只要更多的人能做出来,相信价格也会慢慢降下来的,前提是东西做得比人家好。但是如果真心觉得贵,只有一个原因:超出消费能力范围了。涡喷发动机属于模型界里的奢侈品。如果有朋友真的能够几百元,几千元开发出商业级的小型涡喷发动机,恭喜你,为微型涡喷的发展又做了卓越的贡献。
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 楼主| 发表于 2017-6-14 13:50:36 | 显示全部楼层
本帖最后由 cai鸟先飞 于 2017-6-21 14:42 编辑

怎样才能更低成本享受涡喷带来的乐趣?
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但是随着科技的进步,和众多模友的需求。(需求才是生产力啊,绝对的真理),现在要做一台独一无二的涡喷也不是不可能了。当然,对于大多数模友来说还有更好的选择--买商品机。虽然现在做一台涡喷的难度大大的降低了,但成本一点也不低,而且,涡喷制作是一条及其漫长而又让人抓狂的路,钱和时间还有学习能力都是必要条件。希望各位朋友折腾之前三思而行,这绝对是一个为涡喷败光自己银行存款的傻X小伙的肺腑之言。

买的零散的涡喷零件靠谱吗?
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目前某宝上零散的涡喷零件有很多,有发动机专业商家,也有专门从事加工制造的厂家。从发动机专业商家买的零件一般问题不大,属于可靠产品。如果是从非专业商家购买的零件可要擦亮自己的眼睛了,购买时得问清楚材质,工艺,尺寸精度,形位公差等等,商家答不上来的话,有很大的几率是花钱买了不能用。进气盖、扩压器这些东西还好一点,属于静止件。特别是压气轮、轴承、轴、涡轮这类高速旋转的部件,品质不过关的话发动机启动不起来,严重者高速时会导致发动机炸裂。

一个简单的事实,所有的发动机零件,是无法通过肉眼去判断好坏的,必须要实际试车,让发动机转起来才能知道零件的成色咋样。所谓,是驴子是马拉出来遛遛。

现在挣钱这么不容易,买之前问一句商家:这个零件你自己用过吗?还是非常有必要的。如果商家自己都没做过实验,请慎重。卖不靠谱的零件给满怀热情的模友本身就是一件让人不齿的事情。
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 楼主| 发表于 2017-6-19 22:30:44 | 显示全部楼层
本帖最后由 cai鸟先飞 于 2017-6-21 14:27 编辑

涡喷发动机安全吗?
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这个是我想要讲的重点,在后面的章节会专门讲解,这里简略说明一下。涡喷发动机工作时高转速(60000--240000转/分钟),高温(500-700℃),以及前方进气盖处强大的负压,和喷口处高温气体,真的是很危险。商品机的安全保证已经做的比较到位了,但是仍然有许多朋友因为自身安全意识不够,或者操作失误导致设备损毁甚至人生伤害的(比如我)。大多数自己做涡喷的朋友,根本没有安全意识可言。都以为这是玩具呢。其实涡喷是一个不折不扣的大杀器,绞肉机,血滴子。

所以,我的结论是,涡喷发动机不仅不安全,而且非常危险,买的商品机操作也一定要谨小慎微;如果是自己做的发动机,那就更要小心。请大家一定要引起重视。请大家一定要引起重视。请大家一定要引起重视。重要的话说三遍。
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照着图纸做的发动机零件性能就一定能达到设计值?
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这里告诉大家:未必。一直以来我都有一个误区,按照图纸做的发动机,最后性能怎么不行呢?距离来说,我做的GR180发动机,就算全部零件都按照原作者的图纸来做,最后运行起来实际的推力也未必就是180牛(18公斤),更大的几率是会偏小,我做的发动机10.8万转的时候推力只有120牛(12公斤),原作者发动机11万转时推力却是150牛(15公斤)。差距显而易见。刚开始非常苦恼,后来慢慢明白,还有很多的细节决定了这30牛(3公斤)的差距。导流器,涡轮,气温,压气轮、燃烧室的微小差异都会造成这样的结果。后期的调试是非常磨人的,大家做好心理准备。

好,废话到此为止。接下来,就让我们开始我们的旅程吧。希望每一个看过帖子的朋友都能有所收获。

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 楼主| 发表于 2017-6-19 22:32:44 | 显示全部楼层
本帖最后由 cai鸟先飞 于 2017-6-22 15:59 编辑

第一章、小型涡喷发动机的结构以及种类划分
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1.1 发动机结构剖析
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  无论什么样的涡喷发动机,基础构造都大致相同,不同的大多在性能和细节优化上面。
  小型涡喷发动机的几个主要组成部分:
  空气压缩部分:进气盖、压气轮、扩压器
  混合燃烧部分:燃烧室、蒸发管、燃烧供油管、轴承润滑供油管
  涡轮排气部分:导流器、涡轮、喷口
  连接件部分:外壳、轴承套、轴
  发动机控制部分:ECU、转速传感器、温度传感器、启动电机、点火器

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图一
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图二
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图三
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图四

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