随着MEMS加工技术的发展,各动力装置都逐渐实现微型化。微型涡喷发动机作为一种新型动力装置,近些年的研究热度只增不减,而且已经在航空、航天、船舶、发电机组等方面有着广泛的应用。微型涡喷发动机的结构尺寸从厘米级发展到毫米级,新型纽扣式涡喷发动机作为一种新型毫米级涡轮喷气发动机,其发动机的直径尺寸达到了毫米级,加工精度甚至到了微纳米级。新型纽扣式涡喷发动机和常规微型涡喷发动机一样,采用离心式涡轮结构,功率大都在10~100W。和常规型微型涡喷发动机相比,新型纽扣式涡喷发动机(Button Turbine Engine,简称BTE)具有以下几个特点:结构更紧凑;推重比高;声噪低;相对耗油率少。虽然其本身的体积局限,在微小尺度情况下,气动损失,传热问题及加工制造的难度会制约着发动机的性能,但瑕不掩瑜,BTE作为一种新型高能量存储密度动力装置,在性能方面仍然具有着巨大的潜力,可以作为将来的便携式能源和用于飞行器姿轨控的能源装置。当多台微型涡喷发动机并联时,它可以作为推进器,为小型无人机、战术导弹、车辆涡轮增压以及其他空间飞行器提供动力或作为备用动力装置。本选题参照国内外微小型涡喷发动机的研究,自主设计一种超微小型毫米级圆形纽扣式涡喷发动机,此发动机直径约20.5mm,厚度约4mm,材料为Si或Si C,燃料为氢气或甲烷。实物加工依靠MEMS等离子刻蚀技术工艺,把微型发动机分层次地分割加工,最后通过粘接组合装配。运用现代较成熟的数值仿真技术对此微型涡喷发动机的各部件进行一体化数值仿真,得到有关重要性能参数。另外,由于现阶段MEMS材料加工和实验条件的限制,只能结合现有其它的微型涡喷发动机的实验数据对数值仿真结果进行验证。主要研究内容包括以下几个方面:(1)根据设计要求,对微型纽扣式发动机进行全系统热力计算,通过多次计算,得到了此微型纽扣式涡喷发动机的设计点热力参数以及各个工作面的热力参数,这些参数可以为发动机部件设计提供一定的数据参考。(2)设计了适用于微型纽扣式发动机的平面式离心压气机,对此平面压气机的三个稳态工作过程进行数值模拟,得到压气机的各性能参数,由计算结果可以看出,此压气机设计合理,当转速在120000rpm时,其性能参数符合设计点设计要求。(3)根据发动机性能要求,设计了一个独立的六分扇形燃烧室,通过热力计算确定了此微型燃烧室的结构和尺寸。并对此微型燃烧室稳态燃烧过程进行了数值模拟,得到三种工作状态下燃烧室的主要性能参数、燃烧效率随转速的变化关系、燃烧室的燃烧效率特性曲线、总压恢复系数随空气流量的变化关系,燃烧室出口径向温度分布等,并分析了影响此燃烧室性能的多种因素。模拟结果显示,在燃烧室入口左侧和右上部两个区域有明显的回流区,能保证燃料掺混和燃烧充分进行。仿真结果与其它微型涡喷发动机的实验进行对比分析,证明此燃烧室仿真设计的合理性。(4)设计了一个微型径向式涡轮,并与喷管一起进行了一体化仿真,计算了三种不同工作状态下,涡轮中燃气的压力、温度、速度分布,分析了涡轮的性能,得到了喷管出口处燃气的重要参数。最后结合前面的研究内容,完成了此涡轮喷气发动机的整体性能数值计算工作,得到了所设计的微型涡喷发动机性能参数;这些性能参数能够满足发动机的设计需求,从而验证了发动机设计方法的真实有效性,说明在发动机的设计过程中采取的设计方法切实可行,为此类型的微型涡喷发动机的设计提供有价值的参考。