《高能量密度MEMS微型旋流衝壓發動機》是陳曉南、龐宣明、王久洪於2013年8月14日編制的科技報告。
基本介紹
- 中文名：高能量密度MEMS微型旋流衝壓發動機
- 作者：陳曉南、龐宣明、王久洪
- 編制時間：2013年8月14日
- 報告類型：最終報告
內容摘要
攜帶型電子裝備和微型機器等需要配備高性能的微型能量系統來提高工作能力，基於MEMS 技術的微型發動機是一類重要的微型動力機電系統(Power MEMS)。目前的微型發動機在結構創新性，軸承潤滑，微尺度燃燒等方面存在較多的技術問題。本文針對這種狀況提出一種微型旋轉衝壓發動機，該機具有平面化結構，較高的空間利用率和較好的熱力學特性。其基本原理是利用高速轉子邊緣的衝壓進氣道實現對環境氣體的衝壓壓縮，並進一步進行燃燒做功與運動輸出。論文系統研究了旋轉衝壓發動機衝壓機理，轉子結構設計，轉子內部流場，靜壓氣體軸承，微燃燒與微加工技術等內容。 首先研究了馬赫數和激波角對靜溫、靜壓等氣動參數的影響規律。依據轉子結構特點採用混合壓縮模型進行轉子設計，推導了發動機比功率與簡單循環熱效率計算方法。完成轉子直徑為200mm 的發動機結構設計，以及25 倍比例縮小的微型MEMS 旋轉衝壓發動機。對發動機結構與1~6 階工作模態進行了有限元分析，對轉子內部流場進行分析。用衝壓進氣實驗和燃燒實驗對設計與分析結果進行驗證。 根據微發動機結構特點確定了圓盤環孔與狹縫節流方式的靜壓氣體軸承方案，研究了各種軸承參數對性能的影響規律，設計製作了可支撐衝壓轉子的氣體軸承及其實驗裝置。用CFD 方法得到的軸承氣膜的壓力分布與承載能力，模擬結果設計要求吻合。 採用Arrhenius 有限速率反應模型對簡化的微燃燒室進行模擬分析，得到H2 和空氣混合氣體燃燒時的速度、溫度與組分分布。結果顯示燃燒發生區域靠近燃燒室側壁，燃燒室溫度供氣速度的增大呈現先增加後減小的變化規律，由壁面熱損失導致的燃燒平均溫度降低最大可達40%。 完成微型旋轉衝壓發動機的版圖設計與掩模板加工。選用Cr 薄膜做為深反應離子刻蝕(DRIE)的金屬掩蔽層並研究薄膜的濺射與刻蝕工藝。對DRIE 工藝參數進行最佳化，實現了具有刻蝕400μm 深度、良好的側壁陡直度(90±2°)及較大深寬比(10:1)的微型發動機結構。最後研究了矽-矽直接鍵合工藝並實現微型發動機整機組裝。
