【殿堂级】微型涡喷发动机制作经验总结（原型机GR180）

cai鸟先飞

2.3 发动机压气轮选型

-

2.3.1 压气轮：压气轮如大家所知，在汽车涡轮增压器中压气轮已经成为必备的重要部件，在制作微型涡喷发动机的时候大多数朋友都能够直接拿来就用。这也是最节省成本的一种方式。

汽车涡轮增压器使用的叶轮有这样一些特点：1、专门针对汽车发动机设计，影响因素有汽车发动机的排量，进气方式，动力输出曲线；2、增压器叶轮性能曲线和涡喷发动机性能曲线并不一定完全匹配；3、增压器叶轮叶片数量，叶片角度，叶型设计方案众多；4、同尺寸的叶轮，性能差距可大可小；5、容易获得，价格便宜。

举个例子：仅仅针对压气轮外形尺寸来进行讨论。市场上销售的微型涡喷发动机中，往往同等推力指标下，发动机的外形尺寸却不尽相同。其中压气轮的直径据我所了解的几款型号发动机也存在明显区别。叶轮的进气面积，叶轮排气面积（简单点理解为叶轮进气部位的直径和叶轮的最大外径）往往相差几毫米，不要小看几毫米的差距，通过这种优化设计，同外形尺寸的发动机推力可以做到更大，同推力的发动机外形可以做得更小，意味着发动机重要的性能参数“推重比”可以得到极大的提高。

在我所了解的范围内台湾KT和保定玄云都在优化发动机性能这个方向持续的努力。

选择压气机最重要的参数是压气机本身的工作效率以及性能曲线。

网络上有很多的压气轮卖，很多商家都说自己卖的压气轮做好的动平衡，是某型号发动机标配的压气轮。虽然价格便宜（也有贵的），但是真正如卖家所说是配那个型号的发动机吗？我看未必。大多数商家，恐怕自己实验都没有做过吧。我自己也犯过这样的错误，这里面存在一个误区，就算压气轮的外形尺寸都是一样的，但是压气轮的效率和性能曲线或许压根就和网络上找的涡喷发动机图纸不匹配。是的，叶轮的外形尺寸都一样，但就是这么神奇。叶轮的核心就在于叶片的两条叶型曲线子午线。这是最终决定叶轮效率的关键，需要经过电脑模拟和多次实际实验才能确定。

国内买的压气轮和国外买的压气轮对比

三种外形尺寸接近的叶轮，可以明显看出叶片数量，叶片曲线存在一定的区别。

cai鸟先飞

叶轮的设计是专门的学科，目前国内做涡喷的同学对叶轮的理解也多半是一知半解，大多数人的做法是，买国外的商品机，拿到加工厂3D扫描，然后原样复制。所以，我建议要自己做涡喷的朋友也这么做，因为这是最省钱的办法。当然，我说的省钱，并不意味着比买商品涡喷还便宜。另外发动机调试也是一件知识技术含量非常高的工作，就算所有的零部件都是正确的，组装好也未必能达到标准的性能数值，所以说不是所有的人仿制都能成功。

关于压气轮的效率，一般理想的情况下，压气轮的效率大约为70%，下面附一张图说明压气轮效率对涡喷性能的影响。

图片来自Herr Schreckling大神的FD3/64发动机

看不懂的朋友，我解释一下：

当其他条件不变，压气轮效率为65%时，推力在10N左右就达到排气温度的上限了。

当其他条件不变，压气轮效率为70%时，推力在22N左右达到排气温度的上限。

当其他条件不变，压气轮效率为75%时，推力在30N左右才达到排气温度的上限。

注：830K=557℃  计算公式1K=（1-273）℃  K是开氏温度

简单来说，就是压气轮的效率是越高越好，但是压气轮的效率不可能达到100%，因为存在各种因素造成的效率损失，比如摩擦损失，压气轮和进气盖之间的间隙损失。

那么有朋友要问了，如何得出压气轮的工作效率和性能曲线？

这也是目前我在学习要解决的问题，目前我也给不出更好的建议，途径只有一个，通过理论计算，然后制作专门的测试设备进行测量。还有一个途径，也许可以通过模拟软件获得这个参数。

当然并不是说市面上容易买到的叶轮就完全不能用。事实是：也是可以用的，做出来的发动机性能也许更好，也许差一点。最差的结果也是仍然可用。只是没有达到最优而已。

cai鸟先飞

压气轮制作：

-

压气轮的加工需要专用的治具以保证其同心度，同心度直接关系到发动机最终装配，测试，动平衡。

另外压气轮加工时，最大直径处非常薄的边一定要尽量的均匀，平行度公差越小越好。CNC加工可以控制在0.02mm误差以内甚至更高，但是铸造的叶轮要保证这个平行度就比较困难了，虽然平行度在0.1mm以内都不会有太大的影响，但原则是误差越小越好。

另外压气轮与轴配合的孔精度要求也非常高，配合的诀窍是不能太紧，也不能太松，达到一根手指能稍微用劲把压气轮装配到位的程度。要达到这种精度的装配，尺寸公差要控制在0.01mm以内。另外关于配合有许多的说法，理论上是稍微过盈配合最好，在高速旋转的时候叶轮和轴不会打滑，但是装配难度高，需要专门的设备和工艺。但是经过众多商家的理论实践，不用过盈配合，用手稍微用一点力能把叶轮装配到底，同时拿出来也不会困难这种配合效果是最好的。尽量不让叶轮内径和轴之间有间隙。

最最重要的一点，压气轮必须要和进气盖配合使用，不同的厂家加工出来的尺寸是不一样的，千万不要想当然的认为这里买个压气轮，那家买个进气道装上就能用了。我会告诉你这两个零件必须要配合的很好才能达到理想的工作间隙，严格的来说整台发动机都需要精密的配合。

不出意外的话大家拿到手的压气轮都是经过动平衡处理的压气轮，压气轮表面看起来会有一些磨掉的地方或者打孔压铅的处理，虽然看起来会觉得是缺陷，但实际上是压气轮做好动平衡的表现。在后面还会讲到，即使做好动平衡的叶轮，仍然需要在发动机装配完成后再做整体动平衡。

压气轮加工：

修爪保证同心度

加工前面的磁环孔

加工与轴配合的内孔，使用的钨钢刀具，深孔加工需要刀具具有很高的刚性和抗震能力。

加工子午线之前做的一个定位夹具（一根轴）保证同心度。

加工子午线

同上做定位夹具

固定好压气轮加工外圆

夹持外圆修端面台阶

修端面台阶

修好了

完成品正面

完成品背面

和进气盖配合的样子

jy_jet

楼主是资深玩家！！

xusenlin

非常感谢楼主的分享，受益良多。

cai鸟先飞

jy_jet 发表于 2017-6-20 13:45
楼主是资深玩家！！

资深不敢当，喜欢就坚持下来了。

cai鸟先飞

jy_jet 发表于 2017-6-20 13:45
楼主是资深玩家！！

资深不敢当，喜欢就坚持下来了。

cai鸟先飞

2.3.2 扩压器：

-

主要功能就是将压气轮压缩的空气，进行减速升压，以提高到维持涡喷运转所需的初始压力。通过图片可以看出来，扩压器的叶片是带一定角度放射式布局，叶片之间的通道呈越来越宽的趋势，这个原理很好理解，和河流的原理一样，同样的流量，在空间大的地方流速会减慢，但是后面的空气仍然源源不断的在供应，前慢后快，空间大的区域的空气因为流速慢而被后方空气挤压而增加压力。我把它理解为堆积效应。目前我们常见的模型涡喷的扩压端压力在0.2-0.3Mpa左右。

这里有一点专业词汇：压缩比。意思是空气在压气轮前的压力和空气在扩压气后的压力比值，一般是测量值加上一个标准大气压。拥有足够能量的空气从燃烧室内外圈表面的气孔和蒸发管进入燃烧室内部产生混合回流。之后的燃烧过程会在燃烧室的章节再详细分析。

经过扩压器升压之后，升压之后的空气压力不能太大，也不能太小，压力太大容易导致火焰杯吹出燃烧室，就是常见的喷火状态（喷火状态原因有多重，这只是其中一个），无法良好的燃烧；压力太小，则空气流速不够，单位时间内供给燃烧的空气不足，虽然涡喷能够持续运转，但是出现的状况则是，涡喷高速上不去，高速即便上去了推力也只能维持在很低的水平，无法达到最佳状态。（这段也许有误）

一个合格的扩压器，上面扩散叶片的角度非常重要。尤其是扩压器的初级叶片。初级叶片之间形成的流道面积部分，是压气轮压气压力和发动机燃烧室导流器涡轮喷口压力的角逐点，压气轮压气压力必须要大于后部的压力，发动机才有可能进行流畅的加速。如果扩压器后部的压力接近或者高于压气轮压气压力，则发动机会表现出加速无力，或者无法加速，或者喘振现象。流道的面积必须通过精确计算，我是仿制的涡喷，具体涡喷的设计参数计算方法还有待学习。我的强项是加工，咱们谈谈加工的东西吧。

cai鸟先飞

扩压器的关键点在于流道咽喉处的尺寸，理论以及加工精度。

流道咽喉对发动机的性能起关键作用，千万别异想天开去把小数点凑整了。

常见的两种扩压器上的叶片，也可以理解为径向扩散的为初级叶片，轴向分布的为次级叶片。

台湾KT为主流的扩压器设计方案有创新意识      JETcat为主流的扩压器设计方案制作方案非常成熟

扩压器目前主流的设计方式有两种，一种是对设备要求高需要分度头加工的，大家最常见的那一种，代表商品机有JET CAT、JET MUNT、ATJ等等；而另一种则是对设备要求相对低一点的，直接铣床就能加工的，代表商品机有KING TEACH，当然我做的也是后者，但是原作者并没有把他的涡喷商品化，严格的来说不算商品机，但是设计思路都是如出一辙。

cai鸟先飞

两种扩压器都有各自的优缺点：

-

台湾KT的扩压器明显是经过精心设计改良的方案，适合模具铸造成型，而且不需要四轴加工中心再进行大量的切削加工，生产速度快，工序简单，量产的成本将会变得非常低。而且，KT公司在他们的扩压器中加入了许多其他的功能，比如集成了供油系统、轴承润滑系统，使得KT涡喷发动机组装更简单快速；偷轻的设计方案，既保证了扩压器的整体强度，使之在难以损坏的前提下重量变得更轻。

缺点就是需要开模具，精铸的模具费用很昂贵，但是产量提高可以飞快的赚回模具成本。还有一个麻烦的地方就是，如果有较大的设计方案更改，模具基本就算报废了。

再来说说JETcat为代表的扩压器设计方案：这种方案必须要用到四轴加工中心，对机器的要求高，对加工人员的要求也不低。工艺设计人员必须熟悉车铣加工工艺，提前设计好加工方案。加工至少要4道工序才能完工。这种加工方案不可避免的加工起来会很麻烦，所以成本在没有大批量的情况下很难降下来。

判断一个扩压器的好坏，从设计方案来讲，要能够发挥发动机的最大性能，要能够尽可能降低加工难度；从加工来讲，加工零件尺寸要符合图纸的要求，对于细节的处理要足够精致。测量扩压器的尺寸是否符合图纸需要借助专业的测量仪器，大家也极少具备这种条件。还有一个可能就是，设计者为了防止产品被抄袭，故意设计一些很复杂的造型作为门槛。

在网络上买扩压器的朋友，很大的可能花了钱，买了一个没办法用的扩压器回去。因为不能判定是不是和其他零部件兼容。大多数的结果就是不了了之。当然，用看起来漂亮来判断一个扩压器的好坏，实际上是不明智的，漂亮只是一个加工者对待自己作品的专业态度，实用，好用才是最终目的。