微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)總體綜合設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

陳敏澤，陳玉春，賈琳淵，2，黃新春，李孫洋

（1.西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院，西安 710129）

（2.中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所總體四部，沈陽(yáng) 110015）

0 引 言

微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)是指推力100 daN以下的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，其具有功重比高、能量密度高、體積小、空域速域?qū)挼膬?yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于軍用無(wú)人機(jī)、工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)、通航飛機(jī)等平臺(tái)，還可以改裝為微型燃?xì)鉁u輪發(fā)電裝置以供使用。

目前國(guó)際市場(chǎng)上，軍用微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)廠家主要有美國(guó)威廉姆斯國(guó)際公司、美國(guó)特里達(dá)因/大陸發(fā)動(dòng)機(jī)公司和法國(guó)微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)公司，民用微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)廠家主要有德國(guó)Jetcat公司和荷蘭AMT公司。近年來(lái)，在軍民融合的大背景下，我國(guó)也掀起了一股微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的熱潮，研發(fā)單位既有科研院所和高校，如中國(guó)科學(xué)院工程熱物理所、解放軍總參謀部第六十研究所、北京動(dòng)力機(jī)械研究所、中國(guó)航天科技集團(tuán)公司四川航天特種動(dòng)力研究所、西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)；也有民營(yíng)企業(yè)，如臺(tái)灣Kingtech公司、保定市玄云渦噴動(dòng)力設(shè)備研發(fā)有限公司等。

國(guó)外，Z.Habib等對(duì)使用生物燃料的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行了分析；A.Romier對(duì) 使 用 間冷的微型燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究；C.Rodgers研究了微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸效應(yīng)影響，采用離心渦輪對(duì)循環(huán)性能影響進(jìn)行了分析；G.Lagerstr?m等對(duì)微型燃?xì)廨啓C(jī)的高效率及成本進(jìn)行了權(quán)衡設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)，劉源等、蘇三買(mǎi)等、郭淵等總結(jié)了微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)；馬東陽(yáng)、申濤對(duì)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的控制規(guī)律設(shè)計(jì)開(kāi)展了研究與探討；黃治國(guó)等對(duì)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)對(duì)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)建模技術(shù)也開(kāi)展了一些研究，如李穎杰等以地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了從發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速到推力的模型，并對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證；崔鑫基于微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)研究數(shù)學(xué)模型的建立、氣路部件和傳感器故障的診斷與區(qū)分，并設(shè)計(jì)進(jìn)氣道堵塞故障臺(tái)架試車(chē)試驗(yàn)，對(duì)氣路部件故障診斷算法進(jìn)行了驗(yàn)證。

綜上所述，目前尚未形成針對(duì)微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的總體設(shè)計(jì)方法?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)通常有兩種方式，一是仿制已有的產(chǎn)品；二是以渦輪增壓器的葉輪為基礎(chǔ)進(jìn)行選型適配。研發(fā)過(guò)程缺乏理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)庫(kù)支撐，使得研發(fā)成功率低、產(chǎn)品的可靠性低、性能欠佳。

R.J.Pera、P.L.Hale、E.Filinov等系統(tǒng)地提出并發(fā)展了適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)階段基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的尺寸與重量估算方法，為發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸與重量估算方法指引了方向。郭淑芬等、張韜等研究了渦軸與變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的重量估算方法，從各部件的角度對(duì)重量估算進(jìn)行了分析；周新新等、張少鋒等從總體綜合設(shè)計(jì)角度出發(fā)，提出了集發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能設(shè)計(jì)、尺寸流路計(jì)算、部件重量預(yù)估和部件氣動(dòng)設(shè)計(jì)為一體的總體綜合設(shè)計(jì)方法。

基于上述研究，本文采用大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合設(shè)計(jì)方法，建立微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)綜合設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行16 kgf級(jí)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的總體綜合設(shè)計(jì)。

1 綜合設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)總體綜合設(shè)計(jì)方法的流程如圖1所示。首先需要搜集典型的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)資料；然后通過(guò)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物或者結(jié)構(gòu)圖獲得流路結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過(guò)評(píng)估計(jì)算獲得性能和部件設(shè)計(jì)參數(shù)；其次按照一定的描述方式對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理或圖形化顯示，形成發(fā)動(dòng)機(jī)綜合設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)；接著是最為關(guān)鍵的一步，從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；最后利用這些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來(lái)指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能和尺寸流路方案設(shè)計(jì)。雖然文獻(xiàn)［20-21］中已經(jīng)給出了渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸重量數(shù)據(jù)庫(kù)，但是微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)部件參數(shù)與循環(huán)參數(shù)范圍有所不同，因此必須建立微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，以獲得其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

圖1 微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)綜合設(shè)計(jì)流程Fig.1 Turbine engine integrated design process

本文通過(guò)對(duì)10款微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物進(jìn)行測(cè)量，獲得微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)離心壓氣機(jī)、渦輪等關(guān)鍵部件的尺寸及重量參數(shù)；并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合評(píng)估，得到發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)、離心壓氣機(jī)出口外徑、葉尖速度、比轉(zhuǎn)數(shù)、渦輪載荷系數(shù)稠度、渦輪出口載荷系數(shù)Y、渦輪出口應(yīng)力特征值等結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)。所評(píng)估的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)如表1所示。由于發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)推力存在顯著的關(guān)系，因此數(shù)據(jù)庫(kù)描述為綜合設(shè)計(jì)參數(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)推力的關(guān)系。

表1 本文評(píng)估的10款微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)Table 1 List of 10 assessment microturbine engine

1.1 性能數(shù)據(jù)庫(kù)

發(fā)動(dòng)機(jī)性能數(shù)據(jù)庫(kù)是發(fā)動(dòng)機(jī)綜合設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的一部分，主要包含發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)、部件參數(shù)與循環(huán)參數(shù)等。通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能計(jì)算獲得發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)參數(shù)，較高的熱力循環(huán)參數(shù)（總壓比、渦輪前溫度），可以獲得較高的性能以及較高的轉(zhuǎn)速，降低發(fā)動(dòng)機(jī)外廓尺寸，減輕重量，從而提高公重比。同時(shí)，總壓比增加，級(jí)數(shù)一定的情況下，單級(jí)壓比增加，進(jìn)口葉尖速度增加，氣動(dòng)負(fù)荷增加，效率隨之降低；并且高的轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致部件強(qiáng)度負(fù)荷增加。由此可見(jiàn)，總體性能計(jì)算獲得的熱力循環(huán)參數(shù)將影響發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸與重量，最終影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能?？等鹪呀?jīng)給出了較為完善的微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)性能數(shù)據(jù)庫(kù)，本文在評(píng)估微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)性能時(shí)參考了該數(shù)據(jù)庫(kù)，這里不再贅述。本文重點(diǎn)介紹尺寸與重量以及各部件設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。

1.2 離心壓氣機(jī)葉輪數(shù)據(jù)庫(kù)

微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用單級(jí)離心壓氣機(jī)。離心壓氣機(jī)葉輪數(shù)據(jù)庫(kù)描述的是離心壓氣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)（進(jìn)出口直徑比/、輪轂比/、反力度、離心葉輪出口外徑、葉尖切線速度、離心葉輪壓比、比轉(zhuǎn)數(shù)、離心葉輪出口葉尖補(bǔ)償速度Δ）與發(fā)動(dòng)機(jī)推力之間的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 離心壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)及評(píng)估參數(shù)隨發(fā)動(dòng)機(jī)推力的變化趨勢(shì)圖Fig.2 Trend chart of the change of centrifugal compressor structure and evaluation parameters with engine thrust

從圖2（a）～圖2（d）可以看出：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推力的增大，離心壓氣機(jī)進(jìn)出口直徑比在0.65～0.75之間，離心壓氣機(jī)進(jìn)口輪轂比在0.25～0.35之間，離心壓氣機(jī)反力度在0.6～0.7之間；同時(shí)，隨著推力的不斷增大，離心壓氣機(jī)進(jìn)出口直徑比、進(jìn)口輪轂比與反力度呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)；離心壓氣機(jī)出口外徑與發(fā)動(dòng)機(jī)推力成線性關(guān)系，推力增大，離心壓氣機(jī)外徑的尺寸增大。

從圖2（e）～圖2（f）可以看出：微型渦噴離心壓氣機(jī)的出口葉尖線速度與壓比隨著推力增大迅速增大；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)推力大于40 kgf時(shí)，隨著推力的增大，離心壓氣機(jī)出口葉尖線速度和壓比增大趨勢(shì)減緩，亦可說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)的壓比與其葉尖速度具有同步關(guān)系。

從圖2（g）～圖2（h）可以看出：微型渦噴離心壓氣機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)與出口葉尖補(bǔ)償速度隨著推力增加先增大后迅速減小，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)推力約大于30 kgf時(shí)，隨推力的增大，離心壓氣機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)緩慢減小，離心壓氣機(jī)出口葉尖速度補(bǔ)償值亦基本為零；微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)離心壓氣機(jī)進(jìn)口馬赫數(shù)在0.35～0.45之間。

離心壓氣機(jī)葉尖線速度及外徑隨壓比的變化趨勢(shì)圖如圖3所示，圖3（a）中黑色曲線為WATES公布的航空發(fā)動(dòng)機(jī)離心壓氣機(jī)壓比/葉尖線速度擬合曲線，紅色曲線為8款微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)（40 kgf除外）離心壓氣機(jī)壓比/葉尖線速度擬合曲線。

圖3 離心壓氣機(jī)葉尖線速度及外徑隨壓比的變化趨勢(shì)圖Fig.3 Trend chart of the blade tip linear velocity and outer diameter of centrifugal compressor with pressure ratio

從圖3可以看出：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)壓比的升高，微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)擬合曲線不斷接近WATES公布的擬合曲線，主要是因?yàn)槲⑿蜏u噴發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸效應(yīng)的影響，微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)離心壓氣機(jī)外徑尺寸小，效率低，因此達(dá)到同等壓比下需要更高的葉尖速度；離心壓氣機(jī)外徑尺寸與壓比呈指數(shù)變化趨勢(shì)，因此，提高一定的壓比要求離心壓氣機(jī)外徑尺寸呈指數(shù)級(jí)增大，將會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸及重量同比增大。隨著推力的增大，微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的壓比最大僅能達(dá)到4，提高微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的壓比是微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)增大推力設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1.3 燃燒室數(shù)據(jù)庫(kù)

微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用帶蒸發(fā)管的環(huán)形燃燒室，其設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中主要包含主燃區(qū)和旁路區(qū)的馬赫數(shù)，如圖4所示，可以看出：燃燒室主燃區(qū)馬赫數(shù)在0.03左右，旁路區(qū)馬赫數(shù)在0.65～0.85之間。

圖4 燃燒室結(jié)構(gòu)及評(píng)估參數(shù)隨發(fā)動(dòng)機(jī)推力的變化趨勢(shì)圖Fig.4 Trend chart of combustion chamber structure and evaluation parameters with engine thrust

1.4 軸流渦輪數(shù)據(jù)庫(kù)

微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)通常采用單級(jí)軸流或者徑流式渦輪。渦輪的數(shù)據(jù)庫(kù)描述為渦輪的特征參數(shù)即葉片展弦比、稠度、輪轂比、出口馬赫數(shù)、中徑速度比、渦輪出口載荷系數(shù)、渦輪出口應(yīng)力特征值與發(fā)動(dòng)機(jī)推力之間的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 渦輪結(jié)構(gòu)及評(píng)估參數(shù)隨發(fā)動(dòng)機(jī)推力的變化趨勢(shì)圖Fig.5 Trend chart of turbine structure and evaluation parameters with engine thrust

從圖5（a）～圖5（c）可以看出：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推力的增大，渦輪葉片展弦比在0.15～0.25之間，渦輪葉片稠度在0.73～0.99之間，渦輪葉片輪轂比在0.48～0.72之間。從圖5（d）～圖5（f）可以看出：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推力的增大，渦輪葉片出口馬赫數(shù)在0.32～0.68之間，渦輪中徑速度比在0.6～1.1之間，渦輪載荷系數(shù)在0.13～3.0之間。從圖5（g）可以看出：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推力的增大，渦輪出口應(yīng)力特 征 值值 在30×10～48×10m·rad/s之間，特別是40 kgf兩款微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪出口值達(dá)到了48×10m·rad/s，超過(guò)了傳統(tǒng)大中型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪出口上限值34.38×10m·rad/s（超出限制值40%）。

1.5 外形尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)

為了獲得發(fā)動(dòng)機(jī)外形尺寸（直徑）數(shù)據(jù)庫(kù)，搜集與整理國(guó)內(nèi)外4個(gè)品牌系列33款微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的外廓尺寸資料，如圖6所示。

圖6 微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)最大直徑隨推力的變化Fig.6 The maximum diameter of a micro turbojet engine changes with thrust

從圖6可以看出：隨著推力的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)的直徑也隨之增大，但是也存在特殊情況，如Jetcat、Kingtech部分發(fā)動(dòng)機(jī)直徑一致，但是推力卻不同，如表2所示。

表2 部分Jetcat公司、Kingtech公司發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 2 Jetcat and Kingtech Engine parameter

產(chǎn)生該差異的原因主要有兩方面：（1）通過(guò)增大離心壓氣機(jī)外徑尺寸，壓比升高，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力增大，例如King Tech 3款發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)直徑一致，隨著轉(zhuǎn)速?gòu)?43 000 rpm下降至140 000 rpm，推力卻從80 kfg增加至120 kfg，即轉(zhuǎn)速下降了2%，推力卻提高了50%；（2）通過(guò)提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的推力，例如Jetcat P80-SE與P90-RXI-B兩款發(fā)動(dòng)機(jī)直徑一致，隨著轉(zhuǎn)速?gòu)?25 000 rpm升高至130 000 rpm，推力從97 kfg增加至105 kfg，即轉(zhuǎn)速升高了4%，推力提高了8%。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、加工、制造技術(shù)水平的不斷提升，同一直徑尺寸的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的推力還有一定的提升空間。

1.6 材料數(shù)據(jù)庫(kù)

通過(guò)對(duì)表1所列出的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)拆解和測(cè)量，獲取各個(gè)關(guān)鍵部件的材料信息，對(duì)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件的材料進(jìn)行整理分析，如表3所示。

表3 微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)部件材料Table 3 Micro turbojet engine component materials

2 綜合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

通過(guò)對(duì)上述微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合大中型航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則經(jīng)驗(yàn)，對(duì)微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的氣動(dòng)、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)準(zhǔn)則進(jìn)行修正，得到微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，如表4所示。

表4 微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則Table 4 Structure design criteria of micro turbojet engine

3 16 kgf渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)總體綜合設(shè)計(jì)方法的可行性和上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的準(zhǔn)確性，本文以16 kgf級(jí)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象，開(kāi)展總體綜合設(shè)計(jì)，并形成總體設(shè)計(jì)方案。

3.1 總體性能設(shè)計(jì)方案

在微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)總體綜合設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)性能方案設(shè)計(jì)。方法是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力從性能數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行插值，選取合適的發(fā)動(dòng)機(jī)部件參數(shù)及循環(huán)參數(shù)。采用該方法既可以減少發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)迭代次數(shù)，也保證了設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。本文設(shè)計(jì)的16 kgf微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)與性能計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 16 kg微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)與性能計(jì)算結(jié)果Table 5 The result of preliminary design parameters and performance calculation for 16 kg micro turbojet engine

考慮到現(xiàn)有微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)制約壽命的關(guān)鍵問(wèn)題是軸承部件壽命，為了延長(zhǎng)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命，加強(qiáng)軸承部件的冷卻，將12.5%的燃油和潤(rùn)滑油混合物用作發(fā)動(dòng)機(jī)軸承潤(rùn)滑冷卻。

3.2 綜合設(shè)計(jì)方案

微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)主要包含進(jìn)氣道、離心壓氣機(jī)、擴(kuò)壓器、燃燒室、渦輪導(dǎo)向器、渦輪、尾噴管、軸及軸套等部件。微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)均采用單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)布局，采用0-2-0的轉(zhuǎn)子支撐方式。

將發(fā)動(dòng)機(jī)性能方案確定的各部件氣流參數(shù)（主要是各部件重要截面的氣動(dòng)熱力參數(shù)）、部分發(fā)動(dòng)機(jī)特征尺寸作為發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸與重量計(jì)算程序的輸入，預(yù)選發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)子部件的氣動(dòng)（風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉尖速度、進(jìn)出口馬赫數(shù)等）、結(jié)構(gòu)（輪轂比等）、強(qiáng)度（輪盤(pán)許用應(yīng)力）和材料密度等輸入?yún)?shù)。采用綜合設(shè)計(jì)方法計(jì)算，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)較詳細(xì)的各部件流道尺寸與部件重量預(yù)估、強(qiáng)度校核的結(jié)果，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的滿(mǎn)足情況等。按部件給出相關(guān)的氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度參數(shù)結(jié)果如表6～表7所示。

表6 離心壓氣機(jī)的氣動(dòng)/結(jié)構(gòu)/強(qiáng)度輸入?yún)?shù)Table 6 Aerodynamics/structure/strength input parameters of centrifugal compressor

表7 渦輪的氣動(dòng)/結(jié)構(gòu)/強(qiáng)度輸入?yún)?shù)Table 7 Aerodynamics/structure/strength input parameters of turbine

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸與重量的計(jì)算程序，可以得出各部件的特征尺寸，如離心壓氣機(jī)內(nèi)外徑和軸向長(zhǎng)度，燃燒室內(nèi)外殼體的徑向尺寸和長(zhǎng)度，渦輪的進(jìn)出口直徑和軸向尺寸等。發(fā)動(dòng)機(jī)在子午面的流路圖，如圖7所示。

圖7 16 kgf微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)流路圖Fig.7 16 kgf micro turbojet engine flow diagram

經(jīng)評(píng)估該16 kgf微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)總體尺寸為：直徑109 mm，長(zhǎng)度214 mm，總重1.635 kg，發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比為9.937。

發(fā)動(dòng)機(jī)流道尺寸與重量計(jì)算程序還可以對(duì)關(guān)鍵部件的重量進(jìn)行預(yù)估，微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件重量預(yù)測(cè)結(jié)果和重量分布圖如表8和圖8所示，總重1.635 kg。16 kgf微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)離心壓氣機(jī)和渦輪的重要參數(shù)評(píng)估設(shè)計(jì)結(jié)果如表9所示，其結(jié)果均在相關(guān)范圍值內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

表8 微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件質(zhì)量Table 8 Components weight of micro turbine engine

圖8 微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)方案質(zhì)量分布圖Fig.8 Weight distribution diagram of micro turbojet engine

表9 重要參數(shù)評(píng)估設(shè)計(jì)結(jié)果Table 9 Calculation results of important evaluation parameters

4 結(jié) 論

（1）渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)總體綜合設(shè)計(jì)方法適用于微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)總體方案設(shè)計(jì)，該方法能夠快速獲得較為可信的微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)方案。

（2）微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與大中型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)存在一定的差異，針對(duì)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)建立總體綜合設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)，可以為其總體設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)則，提高總體方案設(shè)計(jì)的效率和可信度。

（3）按照本文應(yīng)用的設(shè)計(jì)方法和提出的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則獲得的16 kgf級(jí)微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為114 480 r/min，總重為1.635 kg，最大外徑為0.109 m，推重比為9.937，設(shè)計(jì)參數(shù)符合微型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)分布規(guī)律。