自製渦噴引擎

自製渦噴引擎發動機結構簡單,加工方便,並比普通內燃機發動機有高的燃燒效,因此適用於各種航空,海模,車輛模中。

基本介紹

  • 中文名:自製渦噴引擎
  • 優點:構造簡單,重量輕,造價便宜
  • 特點:只適於低速飛行
  • 排氣的循環:一秒鐘大約可達40~50次
原理介紹,發動機特點,設計參數,安全守則,個人心得,業餘製作工具,

原理介紹

脈衝式噴氣發動機結構簡單,加工方便,並比普通內燃機發動機有高的燃燒效,因此適用於各種航空,海模,車輛模中。你也可以自己設計做成噴氣助動車輛。脈動噴氣發動機工作時,首先把壓縮空氣打入單向閥門,或使發動機在空中運動,這時便有氣流進入燃燒室,然後油咀噴油,火花塞點火燃燒。
自製渦噴引擎
這時長尾噴管在燃氣噴出後,由於燃氣流的慣性作用,雖然燃燒室內的壓強同外面大氣的壓強相等,仍會繼續向外噴,所以在燃燒室內造成空氣稀薄的現象,使壓強顯著降低到小於大氣壓,於是空氣再次打開單向閥門流入燃燒室,噴油點火燃燒,開始第二個循環。這樣周而復始,發動機便可不斷地工作了。
這種發動機由進氣到燃燒、排氣的循環過程進行得很快,一秒鐘大約可達40~50次。

發動機特點

脈動式發動機在原地可以起動,構造簡單,重量輕,造價便宜。這些都是它的優點。但它只適於低速飛行(速度極限約為每小時640~800公里),飛行高度也有限,單向閥門的工作壽命短,加上振動劇烈,燃油消耗率大等缺點,使得它的套用受到限制。

設計參數

1.
油氣比
噴氣發動機依靠油氣燃燒產生反作用力,根據油品的爆炸極限,
燃油與空氣重量比,一般在15-20%。即一升空氣約需一克的油。
2.噴氣頻率,
噴氣發動機噴氣頻率與機身長度有關,同一直徑下,機身越長頻率越低。
3.
機身直徑與長度比 L/D
發動機長度與直徑是發動機設計的重要步聚,長度與比直徑一般在10-17。
4.計算公式
發動機的推力是由許多因素決定的,如下公式可說明:m*va=F*t
V = 發動機體積 (dm^3.)
f = 噴氣頻率. (Hz)
va = 噴氣速度. (m/s)
F = 推力 (N, Newton)
fc = 油耗 (gram/second)
m = 空氣品質 kg
t =時間s秒.
以時間一秒,m=實際進入發動機的油氣量X換算得出
m*v=F*t. m = mass = X %
實際推力:F (Newton) = (X * D^2 * 3.1415 * L * v^2 )/(L * 8)
由以上公式可以得出尾噴管直徑越大,發動機的推力越大,同時進入的油氣X越多就能產生更大的推力。
5.尾噴管長度
根據國外愛好者的實際經驗,尾噴長度與對推力的影響較小,而對發動機工作的可靠性有較大影響。
發動機的尾噴管較長,閥片的工作頻率f 較低,但每次吸入油氣較多,使每次做功增大。長的噴管可以使發動機接近最大理論推力。同時空氣吸入性能較好,使發動機容易發動。
短的尾噴會使發動機噴氣頻率f 加大,,同時間吸入的油氣較少,因此,推力並沒增加。並會使發動機不易發動,工作不穩定。
(提示:為了調節發動機方便起見,實際製作長度要比理論設計長些,因為長一些可以鋸短。當短了要加長可就麻煩些,但不要太長,太長了結果會一樣不工作)
計算公式是:
Y = 0.152 * X + 470 (mm) ,公制單位
(或Y = 3.88* X + 18,66 (inc)-英制單位
參考數據:
發動機名
Y=總長
X=尾噴管截面積
Brauner
490
907
Alpha
485
531
B-12
600
531
Aerojet
610
1075
PAM
810
907
Sov faa
670
1195
6.噴氣速度
由於高溫高壓下噴氣發動機噴氣速度計算是一個複雜的過程,對於愛好者來說可用一個簡化公式計算
va=2*L*f
p90的計算為例:
噴氣速度為:150*2*0.86= 258 m/s.
7.單向閥通風孔面積
單向閥通風孔面積是發動設計最關鍵部,因為它關係到進入發動機的油與空氣比.
計算公式
Y = 0.4922*X – 37 (平方mm)
在這裡(X=尾噴管截面積,Y=單向閥通風孔面積,如果是大的發動機可不減37) .
另在設計中要考慮到閥片安裝後會使通風孔面積減小10-20%,因此要留一定的餘量。
計算結果大約是尾噴管截面積的50-60%,一般設計可取55%
(提示,稍大的通風面積可以讓發動機更易點火)。
外國發動機設計參考:
發動機名
閥通風面積Y
尾噴截面積X
Brauner
452
907
Alpha
381
531
B-12
221
531
Aerojet
603
1075
PAM
506
907
Sov faa
661
1195
也可以已手冊加工圖自己驗算一下,一般誤差5%之間
8.進氣口面積
位於發動機前端的進氣孔最小面積不能小於單向閥通風孔面積。
為了霧化燃料,空氣在縮小部速度加大,因此進氣通道被設計為喇叭狀,也稱為空氣節流閥。
9.如何設計自己的發動機
一、首先確定發動機的推力,
根據上述公式,以實際油氣進入係數X=0.75計算簡化得到
發動機推力與尾噴截面積的關係,設計公式為
F(磅)=4.2磅*平方英寸(噴管面積)
或者是:
F(牛頓)=2.65牛*平方厘米
(一千克力=9.8牛頓)
根據外國的設計為列:
如果要製作產生25磅推力的發動機,25/4.2 = 5.95 s平方英寸得到尾噴管直徑約2.75英寸。
閥孔的面積為5.95*0.6552=3.9平方英寸。(這裡係數0.6552設計者計算是取經驗值)
由於閥加工形狀的限制,那么單向閥的截面積可用3.9/0.55 = 7.1 sqr inc,,以閥上開十個孔計算每個孔的面積為0.39 sqr inc,燃燒室截面積與單向閥的面積大致相同,能裝進單向閥。
噴管長度可簡化計算 L=5.95*3.88+18.66 = 41.8,留餘量,可取50英寸,如果噴管尾部採用擴張部分,長度為0.2*41=8,總長50的情況下,那么實際尾噴管長為50-8=42英寸.
最小空氣入口面積為閥孔面積,即3.9平方英寸
國外P-90發動機實驗數據(供參考)
各參數如下
V = 2.9 litre
fc = 6.7 gram/sec
f = 150 Hz
va = 258 m/s
F = 85 Newton

安全守則

渦噴的製作不同於其他模型 ,由於渦噴在高溫與高速條件下工作
如果你不想被當成烤鴨請注意下面的事項!!
1.別被火噴成烤鴨,玩火要有科學知識指導。
2.,渦輪一定要作動平衡才能用。
3.無論如何不要在共公場合試發動機,很多人圍觀不是好事。
4.渦輪轉速高達70000轉每分以上,沒機械基礎不要去試!!
5,發動機試運與工作中,永遠不要站在渦輪的兩側正對位,以免渦輪發生事故時,鋼片高速飛出,象子彈一樣,危及生命!!!
特別提醒!做渦噴一定要有機加工與材料常識,了解金屬,火災,爆炸原理,等安全知識,安全第一。
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性能參數;
直徑:120mm
長度: 210mm
淨重:1kg
推力:2.5kg力
國外造價參考:約100美元
國內材料成本約需:300元人民幣
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渦輪主要部件: 壓氣機FD0040主要是為燃燒室提供大量的空氣,用航空板粘制而成
渦輪FD0055用耐高溫不鏽鋼板,剪出葉片,彎成形狀。
燃燒室用不鏽鋼容器改制
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個人心得

做為自製渦噴的原型機,可能現在你打算自製渦噴時,不用選擇製作fd3-64,因為它畢竟是98年的產品,現在的國外愛好者的通過改進設計,自製渦噴已經達到12公斤推力。推重比10左右。但不要認為它已過時,而一無用處,因為fd3-64的製作理論,讓你在家哩打造渦噴成為了
現實,不用去擔心沒有航空發動機製造廠的專用設備,因為日常生活中你能找到相應的材料來加工。同時,作者打破迷信專業廠家的思想,自己開動腦筋,用中國人的話說,就是想盡一切土辦法,在科學的理論指導下製成了能用於航模的噴氣發動機。他的成功,同時也鼓勵了更多的愛好者參與到自製渦噴的研究與發燒行列中來,大大提高了自製渦噴的推力,這是一種挑戰與鍛鍊。同時我們也可以參考fd3-64的製作加工部件過程,敢於根據自己的條件,在科學理論指導下,改進加工方法。但是fd3-64畢竟是過時的設計,它的木頭壓氣輪需要碳纖加強,加上效率不高,因此,後來的改進採用了kkk系列或蓋勒特商品壓氣輪部件,稍大點的汽車配件店可以買到。
FD3/46 渦輪噴氣發動機製作方法-摘錄
在此感謝“東方蜘蛛”的大力支持
原著:kurt shreckling
摘自《Gas turbine engine for model aircraft-航模渦輪噴氣發動機>》

業餘製作工具

一台普通的車床
能焊不鏽鋼的電焊
電鑽
由於詳細的設計與製作過程有一本80頁的書那么多,以下僅為書中內容的摘要!!!
1.渦輪
渦輪的槳葉長度大約是外經的1/6,(對於業餘愛好者來說不要問為什麼),因為是作者無數次實驗的數據。
渦輪不能鑽孔,葉片數設計為17片。
當溫度從500度降至20度時,渦輪與機殼的間隙會減少5%,也就是說設計時要預留渦輪膨脹空間,太大了不行。沒推力了。渦輪為2.5mm耐高溫不鏽鋼剪口彎成。
2.軸
高轉速低轉矩,必須很硬,不然會在60000轉、分的情況下共振玩完,本發動機採用鋁合金以助散熱,兩端為不鏽鋼。軸承要高轉速 的,達90000轉/分才行。使用潤滑油降溫,可以用日常找到的688代替。
3.壓氣葉輪
材料為航空層板,或山毛櫸等結實的木頭。外繞碳纖加強.
4.渦輪動平衡
(請參見渦噴自製問答)
5.加工資料
fd3-64設計與部件加工藍圖 下載...........>解壓密碼:聯盟成員免費獲得!
kj66的手工版
(適合中國愛好者參考的製作)
直徑: 110mm
長: 235mm
最大推力:5kg
最大轉速: 103,000rpm
排氣溫度: 550 deg C
淨重 1.140Kg
本設計是kj66手工製作版,國外愛好者自力更生,除壓氣輪採用了車用的配件壓氣輪之外,其餘全採用手工製作,,,,以上是kj66的手工製作成品。
個人心得供愛好者參考)
對於國內愛好者要自制渦噴,根據本人的製作經驗,我個人認為,可以在對fd3-64的加工設計原理有一定了解後,製作KJ66(手工版)是一個比較合適的選擇,因為如下的改造足以讓你覺得動心。
1.壓氣輪
新的設計使用了渦輪增壓器用的kkk系列鋁合金壓氣輪。各大汽車配件店能購到
提供自製渦噴愛好者一些資料照片,希望能對你們自製渦噴有用。
原始的渦噴分解
KJ66渦噴分解
汽車廢氣增壓器分解
用汽車廢氣增壓器製作的渦噴分解
成品渦噴分解

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