doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2020.06.01
刘仁开1，张小青"，王丽2
(1.北京工商大学人工智能学院，北京100048； 2.航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)
摘要：微涡轮发动机具有重量轻、尺度小、功率密度高、无需充电等优点，是微型机械设备动力源的最佳选择，具有良好的应用前景。微涡轮发动机的转子直径在十几毫米至几十毫米，设计转速一般在每分钟几十万转至一百万转以上，功率目标在100W以内。超高速微轴承-转子系统的摩擦与润滑问题是微涡轮发动机面临的瓶颈，目前微涡轮发动机大都采用气体润滑轴承。本文对微涡轮发动机的研究现状进行了分类总结，并重点回顾了气体轴承测试系统的研究成果，对测试技术的发展趋势进行了展望。 关键词：微涡轮发动机；气体润滑轴承；惯性轴承；测试系统
中图分类号：TB9文献标识码：A文章编号：1674-5795(2020)06-0001-08
Research Progress of Gas Bearing Test Technology for Micro Turbine
LIU Renkai1,ZHANG Xiaoqing1,WANG Li2动画片三国演义主题曲
(1.School of Artificial Intelligence,Beijing Technology And Business University,Beijing100048,China；
红领巾伴我成长
2. Beijing Changcheng Institute of Metrology&Measurement,Beijing100095,China)
Abstrach:Micro turbine engine has the advantaaes of light weight,smal l scale,high power density and no need of charging.It is the best choice of power sourer for micro mechanical equipment and has a good application prospect.The rotor diameter of micro turbine engine is in the range of moro than10mm t。dozens of mm.The design speed is general ty from hundreds of thousands t。moro than one million rpm,and the poweo densith taoet is within100W.The friction and lubrication problems of ultra-high speed micro bearing rotor system are the bottleneck of micro turbine engine.At present,gas lubricated bearings are mostly u sed in micro turbine engines.In this paper,the research status of micro turbine engine is classified and summarized,the research results of gas bearing test system are reviewed,and the development trend of test tech-noeogscspoospered.
Key words:micro turbine engine；gas lubrication bearing；inertic bearing；test system
0引言
微涡轮发动机(MTE,Micro Turbina Engine)是一种典型的Power MEMS器件'_5(，它消耗碳氢燃料，产
生的高温高压气体通过涡轮叶片驱动微转子高速旋转，进而输出能量。微涡轮发动机的尺度在厘米量级，能产生几十瓦的能量，与其他动力系统相比，微发动机具有重量轻、尺度小、功率密度高的特点，发展潜力和应用前景良好[6-10])
超高速微轴承-转子系统的摩擦与润滑问题是当前微涡轮发动机面临的瓶颈。为实现高能量密度，微型涡轮发动机中转子的转速往往要达到每分钟几十万转以上。这种转速下，普通的滚动轴承和液体轴承将遭遇磨损、发热、摩擦阻力大等诸多问题，很难实现正常的运转。气体润滑轴承因具有精度高、摩擦力极小、磨损小、寿命长等优点，是支撑微涡轮发动机中高速转子的优选之一，应用较为普遍。至今为止，国内外都对微发动机气体润滑轴承进行了不同方向和不同层次的研究，在理论以及应用上也逐渐趋于完善。本文将重点针对微涡轮发动机气体轴承测试技术的研究进行概况总结，为以后研究者进行该方面的研究提供参考。
1微型涡轮发动机概述
微涡轮发动机大致分为：三维叶片结构的微发动机和基于MEMS微加工技术的直壁叶片结构硅基微涡轮发动机。三维叶片结构的微发动机一般是轴流机制，原理与大型涡轮发动机类似，采用精密机械加工技术或快速原型技术制作出的，这类微发动机较后者输出功率更大，适用于为多种微型飞行器提供能源。直壁叶片结构硅基微涡轮发动机利用硅微刻蚀技术，其叶片结构和形状是直壁结构，其气流轨迹和特性同常规
涡轮发动机有着明显的区别，并且转子通常较多运用径流方式驱动。
1.1三维叶片结构的微涡轮发动机
很多研究机构借助EDM技术(电火花加工)加工出复杂的三维叶片。比利时鲁汶大学于2002年开始研制微型涡轮发动机'""「⑵，如图1所示。该微型发动机包括压气机、涡轮、燃烧室和起动机等部分。发动机的材料为不锈钢，采用电火花成形加工，发动机的质量是36g，转子直径10mm，压气机直径20mm，共20个叶片，设计转速2.1X105Mm%，实际能达到的
转速为1.3X105Mm%，产生28W机械能，效率在20%〜24%之间。
(a)发动机结构示意图虚拟磁铁
图1轴流式微型涡轮发动机结构图
人字形凹槽
V卩"阿蒯出啊酬N
(b)转子照片
图2为其涡轮和压气机实物图。日本的东北大学与某研究团队采用特种加工技术，制作出了基于金属材料的微发动机t12-17(o此微发动机燃料是氢和甲烷,
叶轮外径为10mm，如图3所示。该发动机设计转速是8.7X105Mm%，目标是实现100W量级的输出功率。
轴承
涡轮转子图3日本东北大学研发的微发动机'16(图4汪克尔微型转子发动机'20(
精叶喷嘴
(a)压气机样机(b)轴承转子
图2压气机样机及轴承转子部件
美国加州大学伯克利分校研制了一种汪克尔微型
转子发动机，如图4所示。发动机燃烧室的休积约为1mm3，转子直径是9.5mm，能够产生10〜100mW 的机械功率'18(。澳大利亚某公司'19(为了避免核反应堆
反应剧烈造成温度过高引发核泄露事故，设计并研发
了一个用于核反应堆冷却的涡轮发动机如图5所示，此发动机采用了箔片气休轴承。
斯坦福大学的快速成型实验室和亚利桑那州某公
废气排出
发电机散热片
回热器
回热器壳体气体入口
喷油器
—燃烧室
发电机
压缩机
空气轴承
涡轮
图5微涡轮发动机'21
(
司合作研制了一种外径约50mm的微型涡轮发动机，如图6所示，设计转速0.5〜1X105Mm%，推力约5C，功率100W，材料为宛叫陶瓷，并使用快速成型方法加工'型)1.2直壁叶片结构的微涡轮发动机
美国麻省理工学院的学者研制了基于硅微加工技术的微发动机'35一39(，如图7所示。每片硅片事先通过深层离子刻蚀技术(Deep Reactive Ion Etching，简称DRIE)蚀刻岀厚度不同的特征，键合在一起形成一种准三维结构，如图8，其叶片是直壁结构。其转子直径为4.2mm，该器件重量大约是1.5g，厚度约为3.7mm，转子直径为4.2mm，每小时大约燃烧20g 的燃料，能产生大约20W的功率，功率密度可达2?W/?g以上，设计转速高达1.2X106Mmin'40()
图6陶瓷材料微型涡轮发动机：22]
国内的一些机构也相继开展了微涡轮发动机的相关研究。如清华大学、北京理工大学'21一22(，搭建实验台研究了空气槽对平板微型Swiss-roll燃烧器工作特性的影响，同时对燃烧器散热和温度分布梯度做了总结归纳；浙江大学'23一21(对微尺度下的燃烧特性进行了实验研究，比对在常规尺度燃烧的火焰温度、流量和燃烧效率。上海交通大学'25(给岀了一种针对微型发动机燃烧方案。上述的研究为微涡轮发动机提供了更多的理论支撑，使得微涡轮发动机的设计更加成熟与完善。
南京航空航天大学对微型涡轮发动机多个特性进行分析，如振动特性等'26-29(o中国科学院广州能源研究所网以及北京航空航天大学等科研院所⑶一辺总结
了小型发动机涡轮的气动设计准则，针对微小型涡喷发动机转子系统的涡动以及稳定性问题提岀了一种涡动控制方法设计并进行了研究；其中南京航空航天大学微型发动机研究与发展中心已经研发了MT
E-110与MTE-120(数字编号代表转子直径，单位为mm)型号的微发动机'27(。该微涡轮发动机的转子设计转速为105Mm%，使用的是液态碳氢燃料，主要材料由合金以及钢和铝构成。
目前，微涡轮发动机的研究热点主要集中在透平性能改进方面。：Zhenpeng等人'辺发展了一个考虑壁面传热效应的热力分析模型，分析了关键参数对透平性能的影响，并用新速度三角形模型改进透平设计。Dsouza Rohann等人'34(对转子直径为30mm的经3D打印技术制成的微涡轮发动机进行了加速、减速以及稳态测试，当转子转速是6.9X104Mm%时，最多能产生15W的功率输岀。其热循环效率约为18.6%。微涡轮发动机未来的发展方向将在功率的提升、转速的升高及加工技术的改善方面。
图8组成发动机的硅片及叶片部分放大图：40]
开展硅基微涡轮发动机研究的还有新加坡制造工艺研究所及新加坡数据存储研究所等机构'41一45]，研制的微涡轮发动机的结构如图9所示。该发动机的转子
图9硅基微发动机：41-42
大豆糖蜜
]
直径为（.4mm*厚度为0.76mm$实现了 1.47X 104Mmin的转速。从加工角度看，这类硅基微发动机采用MEMS微加工技术，可以实现批量生产，大大降低加工成本。
2气体润滑轴承测试技术研究进展
气体润滑轴承的概念最早在1（54年由法国学者Hirn G A提出，之后学者们相继开展研究。在1913年, Harrison W J在连续方程的基础上引入气体的气体压缩性，推导出了可压缩Reynoldo方程，成为气体润滑的理论基础。微发动机中的气体轴承具有尺度小、转速高的特点，与常规气体润滑相比，还存在一些稀薄效应'46（、气体黏度'47（、硅微加工缺陷'4（（等特殊问题。本小节对气体润滑轴承-转子系统测试技术的研究进展进行概况总结。
2.1惯性气体轴承的测试研究
日本东北大学在其微发动机项目中'49（，采用了气体惯性轴承支撑转子，原因是气体惯性轴承比气体动压轴承的气膜间隙大，因此对加工精度要求相对较低，更容易加工，且惯性轴承在高速时具有更好的抗涡动稳定性。他们开发了测试平台对惯性轴承系统进行了测试，如图10所示，在该测试平台中，径向轴承间隙为31|xm，推力轴承的间隙为17|xm，转子转速由光纤位移传感器测得，转子的径向振动由电涡流位移传感
器测得。转子直径是10mm，叶片最小厚度只有0.1mm，转子材料是Ti_6Al_4V。在测试中，实现了最大转速（.9x105Mmin，叶尖线速度达到了约470m/o。他们发现，通过减小不同轴承宽径比（L/D）能实现更高的转速，但宽径比的改变对涡动比的影响不大；径向轴承两个供气口供气压力不一致对轴承涡动稳定性影响不大，但这种不一致性可以用于节约气体。2.2硅基气体轴承测试研究
为测试图7所示微发动机的轴承转子系统，Teo C J和Liu LX等人'50-53（将轴承系统从原发动机剥离出来，去除燃烧室，而用高压气体替代原燃烧室气体作为轴承系统的气源，其它部位保持与原结构相同，加工制作了微轴承测试器件（如图11所示）。与原微涡轮发动机相同，轴承测试器中的转子由两个推力轴承及一个轴向供气的径向轴承支撑。受硅片厚度及硅蚀刻技术所限，径向轴承的长度为300'400Rm，径向轴承气体来自于四个压力室，设计转速为2.4x106M min。为让转子的稳定性得到有效的提高，他们在径向轴承供气时运用不对称性来降低转子升速过程中固有频率的振幅。同时采用了迷宫式密封设计，使转子流体动力学效应与泄露流动的耦合效应得到了有效的避免，提高了系统的稳定性，该设备达到了1.7x106Mmin的转速。在实验中，主要获得了系统的气体质量流量、动力学响应等特性，并建立了更加成熟的稳定升速策略。ZhagQD等人'43-45（采用了气体动压螺旋槽推力轴承（如图13），在实验中实现了 1.47x104Mmin的转速。
径向轴承增压室推力平衡室尾气排放径向轴承增压室
图11硅基微轴承测试器件
1.25
数据：信号波形数据
李瑞海波形数
据分析
匚结果：
轴心轨迹
的幅值和
相位
光纤传感器
速度块
流量控制器
设置：流速，轴承供气压力
调节：转子转速，轴承刚度
图12硅基微轴承转子测试原理图
2.3MEMS在测试系统中的发展
MEMS技术最早可以追溯到上个世纪，1（24
年,
图13微气体轴承测试台
硅这种材料的发现，为MEMS技术的可行性奠定了基础。1959美籍犹太裔物理学家费曼提出MEMS的概念，20世纪60年代，利用半导体材料硅制作的微型压力传感器诞生，20世纪80年代到20世纪末，传感器经过了压阻式到电容式的技术革新，至今为止MEMS 在生物学、声学、光学等各个领域都有涉及。相较于传统的机械传感器，MEMS的尺寸小得多，这也让MEMS在一些特殊情况下能完成传统传感器不能完成的功能'54（）
近年来MEMS传感器技术开始用于微气体轴承的测试。Liu Huan等人'55（开发了梁膜结构的MEMS力传感器，用于检测微气体轴承的黏性摩擦力的大小。该传感器将传统的梁结构及膜结构结合在一起，兼具高稳定性及高灵敏度的优点。该传感器的原理是将不锈钢探针检测到的摩擦力信号通过压敏效应转换为电压信号，再经过换算求得摩擦力值。在实验中，转子从静止逐渐升速至1（°）/s的过程中，摩擦力在启动阶段达到最大值16.314mN，转子稳定运转后摩擦力也趋于稳定，平均摩擦力为5.937mN（对应的摩擦力矩为29.685jjl N•m）。
2.4人工智能技术在测试系统中的发展
在70年代末期到80年代初，随着计算机以及电子通信的高度发展，有限元、计算机辅助设计等现代设计方法运用在气体润滑轴承测试系统中'56（。21世纪，人工智能的崛起标志着世界进入工业4.0时代。随着计算机、电子信息科学等应用领域迅猛发展，机器学习作为人工智能的核心智慧，为气体润滑轴承系统化提供了方法学上的新思路。
G omsso'57（在研究优化轴承参数上提供了一种新的思路，为了对轴承结构参数进行优化，利用人工神经网络算法，创建了一个可以计算轴承润滑剂流量、功率消耗等数据的模型，然后利用该数据模型，控制最
旋转驱动信号激励电压
（a）气体轴承摩擦力测试系统
宗教裁判所(b)MEMS传感器
约翰 格登图14气体轴承摩擦力测试系统及MEMS传感器
大温升、表面粗糙度和材料极限性能为变量进行算法分析，分析结果与实验数据进行比对从而到降低轴承流量、减少功率消耗的轴承优化参数。
Pavlenko I等人'58（提出了人工神经网络“虚拟基因开发”软件，通过上述软件中的数值模拟结果来评估近似曲线“轴承刚度-转子转速”的运行参数。非线性轴承刚度的实际参数由多级离心压缩机295GC2-190/44-100 M在“申克”加速平衡试验台上的转子临界频率试验研究结果获得。
3总结与展望
微涡轮发动机具有广阔的应用前景，对其进行研究发展具有重要意义。本文对国内外微涡轮发动机及其气体轴承测试研究现状进行了总结，主要结论如下：1）微发动机的设计转速一般在每分钟几十万转至一百万转以上，功率目标在100W以内。根据叶片外形特征，微涡轮发动机可分为三维叶片结构及准二维直壁结构两大类；前者往往基于微细加工技术或快速成型技术制作，后者则通过硅微加工工艺加工；前者—般是轴流机制，后者多为径流机制。
2）轴承仍是制约微发动机发展的关键部件，目前学术界提到的微发动机，大都采用气体润滑轴承，如箔片轴承、螺旋槽动压轴承、惯性轴承等。
3）微型轴承主要朝着精密、低音等方向发展，因此未来的发展方向是精密轴承。鉴于精密轴承的应用广泛，各行各业的发展对轴承的精度、性能、寿命和可靠度等方面的要求越来越高，需要的数量也越来越
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