“超影”微型涡轮喷气发动机

项目名称：
“超影”微型涡轮喷气发动机
来源：
第十一届“挑战杯”国赛作品
小类：
机械与控制
大类：
科技发明制作A类
简介：
“超影”微型涡轮喷气发动机结合机械、材料科学、运动控制、流体力学等多学科理论，
进行技术创新与综合设计，完成了微型离心压气机，微型蒸发管式环形燃烧室，微型轴流涡轮，保形通道式扩压器以及微型控制器等的设计，用仅仅20个零部件就实现了发
动机8一级的推重比。

“超影”可以直接装备到高级喷气航模、应急和科学实验平台以及高速靶机、微小型导弹等微小型无人武器系统，同时，以本作品为基础可以发展出用于分布式能源的发电装置和大飞机必备的APU核心组件。

随着本作品工程化、产业化的推进必将产生良好的经济和社会效益。

(收起)
详细介绍：
本作品旨在通过设计一台微型涡轮喷气发动机——“超影”，并将其改进发展成为飞行验
证机型，促进该微型发动机在微小型无人机方面的应用，推进产业化。

“超影”可以直接
装备到高级喷气航模、应急和科学实验平台以及高速靶机等微小型无人武器系统，同时，以本作品为基础可以发展出用于分布式能源的发电装置和大飞机必备的APU核心组件。

随着本作品工程化、产业化的推进必将产生良好的经济和社会效益。

微型涡轮喷气发动机涉及了微型涡轮发动机总体设计、机械、材料科学、运动控制、流体力学等多学科理论，“超影”的研制中通过技术创新，解决了微型化所带来的零部件气动、结构以及控制
系统设计等方面的部分技术难题，形成了多项专利技术。

“超影”微型涡轮发动机采用了先进的保形通道式扩压器、微型发动机热管理与微型控制器等技术，并采用创新技术对发动机匹配进行工作调试。

对压气机、燃烧室、涡轮等主要部件及总体设计的多次改进，使“超影”达到了85N的推力，实现了8一级的推重比。

“超影”微型涡轮发动机已经替换某模型飞机的活塞发动机，进行了飞行验证，积累了对现有无人机进行发动机直接换装的经验，可以大大加速我国无人机性能提升。

通过上述内容的研究获得了动力强劲的微型涡轮喷气发动机，它能够给微型飞行器带来真正日行万里的速度。

(收起)
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
为了突破微型涡轮发动机在部件气动设计、发动机控制、结构设计和加工制造工艺等方面存在的技术难题，促进微型涡轮发动机在微小型飞行器、分布式发电系统、辅助动力装置等方面的应用，推进微型涡轮发动机的产业化进程，我们设计制作了“超影”微型涡
轮发动机，并将其发展成为飞行验证机型。

本作品主要工作内容包括：微型涡轮发动
机总体及部件设计、发动机试验及改进设计和飞行平台验证三方面。

主要创新点：1、微型保形通道式扩压器技术，减小了流动损失，提高了压气机性能；2、微型发动机热管理技术，减小了高低温部件间相互干扰引起的性能下降；3、微型发动机控制技术及微型控制器，实现了复杂起动、多状态可靠工作；4、综合多项先进技术于整机，将微型发动机应用于飞行验证。

技术关键：1、性能优越的部件设计技术；2、简单可靠
的结构设计；3、优越的部件匹配技术；4、快速可靠的起动、变工况控制技术；5、微型发动机的飞行验证技术。

主要技术指标：直径：11.4cm；长度：22cm；转速：
125000Rpm；推力：85N；推重比：8；最大转速耗油率：0.06g/(N*s)。

(收起)
科学性、先进性
1、基于多学科理论的微型涡轮发动机总体设计微型涡轮发动机总体方案设计包括压气
机、涡轮、燃烧室等主要部件的气动与结构设计、发动机总体结构设计、发动机控制系统设计等。

遵循简单可靠的设计原则，将作品的零部件总数减少至约20个，并实现了8一级的大推重比。

在发动机控制系统设计方面，完成了控制系统的集成化与微型化，
克服了起动过程容易出现悬挂的困难，实现了发动机复杂起动、多状态工作的可靠控制。

2、发动机整机试验及改进设计根据整机试验结果，在压气机静子上采用了隔热技术，
并结合发动机部件匹配技术，对发动机进行改进，显著改善了发动机总体性能，使发动机推力增加20％，耗油率下降10％。

3、飞行平台验证替换模型飞机原有螺旋桨动力实现飞行验证，检验了“超影”的各项性能以及实际应用的工程指标。

完成了“超影”批量
应用时与现有大量以活塞发动机为动力的无人机系统融合的探索工作。

(收起)
获奖情况及鉴定结果
2008年11月获校科技节特等奖
作品所处阶段
已完成参数检验，进入工程化阶段。

技术转让方式
作品可展示的形式
实物、现场演示、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
技术特点：采用保形通道式扩压器减小流动损失，提高压气机效率；采用热管理技术,
减小燃烧室向压气机的传热，改善了微型发动机性能；采用全权限数字电控系统、微型控制器，结合燃油精确计量技术实现了可靠控制；通过台架实验调试实现了各项技术协调运用和发动机的匹配工作。

应用前景：1、用于应急、科学实验平台及无人武器系
统等微小型飞行器，可获得更好的高度速度性能和飞行包线。

2、结构简单，容易维护，成本低，是航模爱好者可承受的航模动力。

3、用作分布式发电系统及军用野战电源，
可实现高功率密度、高热电效率、小污染排放。

4、核心机设计技术可以运用到辅助动
力装置的研制中。

效益预测：环境监测、道路监控、农业勘测、航空摄影、微小型武器等方面对微型飞行器的需求日趋扩大，“超影”可直接作为微小型无人机飞行器的动力，具有广阔的市场前景和显著的经济、社会、国防效益，并可推进相关学科的发展。

(收起)同类课题研究水平概述
国外研究概况：国外在微型涡轮发动机（MTE）方面的研究涵盖了较大的尺度范围，麻省理工学院燃气涡轮实验室研制了直径2cm的超微型涡轮发动机；斯坦福大学的快速成型实验室和亚利桑那州的M-DOT公司研制了外径约5cm的MTE；而外径6cm以上MTE 的相关研究更为丰富，如Wren Turbines公司的MW54，Turbine Technologies公司的SR-30，Simjet公司的Simjet系列产品，美国Sunstrand公司的微型弹用发动机TJ-50等，本作品涉及的MTE也处于这个范围。

本作品的性能和TJ-50有一定的差距，但和国外其它主流产品性能相当。

基于微型发动机的发电系统具有功率密度高、热电效率高、污染排放小的优点，是分布式能源的一个重要发展方向。

Capstone、Honeywell、Bowman 等公司纷纷推出了功率在100kW以内的微型燃气发电机组。

美国西部各州的电力企业已开始将提高能源利用率列为长期资源投资战略中的重要一环。

在华盛顿州，电力公司PG&E计划通过投资研发高效节能技术来增强分布式能源系统，通过分布式能源系统来满足未来50%的能源需求。

国内研究概况：国内在MTE技术方面的研究起步较晚，“十五”以来有关研究单位、国家主管机构及国防、电力等应用部门都正在加强对MTE研究的关注和支持，也取得了良好的研究基础。

微型发动机技术在许多方面都有所进展，如：微型发动机总体设计及仿真技术，主要部件离心压气机、微型燃烧室、轴流/向心涡轮等部件的气体动力学和结构设计，以及微型发动机控制技术等。

北京航空航天大学、西安交通大学、南京航空航天大学和中科院热物理所等高校和科研机构都在积极进行着微型发动机技术的研究工作。

同时，国内已有一些企业采用测量仿制或引进生产线的方式进行着微型发动机产品化的工作。

(收起)。