单轴混排微型涡扇发动机低转速动力学建模

本文描述向心涡轮驱动的单轴混排微型涡扇发动机从起动到慢车的低转速动力学模型及动态仿真，以适应发动机电子控制器研制闭环仿真需求。通过风扇、压气机和涡轮低转速线特性扩展，流道总压损失模型、混合器总压平衡、转子动力学等模型修正，仿真结果表明模型能够涵盖发动机从电机起动、喷油点火、加速慢车的动态过程。

无人机，巡飞弹、飞行背包等飞行器，多数以涡轮风扇或涡轮喷气发动机作为飞行动力。微型涡喷机的推力一般在200 kg 以下， 小型涡喷机推力在200~900 kg 之间。

小型涡扇发动机主要作为无人侦察机(常指高空长航时无人机)、小型无人作战飞机和亚声速远程(1000 km 以上)巡航导弹的动力[1] [2]。

目前市场上的微型涡喷机多数使用1 级轴流涡轮驱动，其做功能力限制了发动机总压比，因此2 级压气机增压的微型涡轮风扇发动机非常少见。涡轮按照结构形式，可分为轴流涡轮和向心涡轮，其中轴流涡轮适合设计多级涡轮设计，整体效率高，但1 级落压比最高2.4 左右；而向心涡轮一般为1 级，落压比最高可达3.0 左右，结构简单，造价低廉，多数用在汽车涡轮增压器和飞机辅助动力装置上，适合微型或小型涡喷发动机[3] [4]。

微型涡扇发动机电子控制器研制过程中，需要闭环仿真用于模拟电机起动、喷油点火、点火成功、慢车、加减速等动态过程，因此低转速动态过程建模成为关键技术之一[5] [6] [7] [8] [9]。

微型涡喷发动机很常见，但未见有微型涡扇发动机类型。本文研究的单轴混排微型涡轮风扇发动机主要用于像真航模、喷气背包、喷气动力靶机等飞行器上，目标120 kg 推力目标，基本要求成本低廉， 耗油率低，寿命长，使用方便。

从制造成本角度考虑，选用1 级向心涡轮单轴驱动1 级离心风扇和1 级离心压气机。气流经过1 级离心风扇(低压比离心压气机)增压后，气流分2 股气流， 即外涵道和内涵道，内涵道气流继续经过1 级离心压气机增压，然后进入燃烧室，喷油燃烧，热燃气进入1 级向心涡轮膨胀做功，驱动离心压气机和离心风扇转动做功， 经过膨胀的燃气进入内外涵道混合器与外涵道的气流掺混， 降温的气流进入收敛喷口， 产生推力。参见图1，其主要特点：单转子(单轴)，1 级离心风扇，1 级离心压气机，1 级离心涡轮，内涵道外涵道气流混合排气，这种结构形式有别于目前市场上的涡轮喷气发动机，后者采用1 级轴流涡轮和1 级离心压气机。

2. 动力学建模 涡扇发动机动力学建模遵循转子功率平衡、站位流量相等、混合器压力相等的部件之间约束条件。参见图2， 单轴混排微型涡轮风扇发动机部件及站位示意图， 图2 中的部件， Inlet——进气道， Fan——风扇， comp——压气机，Pburn——燃烧室，Turb——涡轮，Mixer——混合器，Duct——外涵道，Nozz——收敛喷口，Rotor——转子0，2，21，22，3，4，5，51，6 发动机横截面站位编号。

建立动态方程如下：