航空发动机是一类非常复杂的高度非线性系统,在研究发动机的过程中如发动机本体研究、控制系统设计等,都首先必须建立发动机的良好的模型。利用数学模型代替真实的发动机作为研究对象,可节约大量昂贵的实验经费,还可以避免用真实发动机进行调试时可能产生的意外失控事故。本文在部分实验数据的基础上建立了涡轮发动机部件特性模型,在此基础上,利用部件特性模型仿真计算得到的数据代替真实的发动机试车数据开展性能参数的平衡流形建模的研究,并利用性能参数计算结果进行了发动机性能优化研究。本文的研究工作主要包括以下几个方面:首先,根据气动热力过程建立了双轴涡轮发动机的非线性部件级模型。在已有的发动机部件模型基础上进行了改进:利用非均匀B样条函数拟和发动机主要部件的特性曲面,有效抑制了数值计算中容易出现的发散问题,提高了计算精度;将内函道尾喷管喉部面积变化引入到部件级模型中来,建立了双输入的涡轮发动机部件特性模型,并进行了仿真计算,从机理上验证所得模型的正确性。得到的非线性部件级模型是分析发动机特性、研究其控制规律、以及进行控制系统设计和仿真的基础,也是开展发动机实时模型的建立以及性能研究的基础和平台。其次,利用平衡流形展开模型的建模方法,建立了表征涡轮发动机性能的特征截面参数的平衡流形模型的一般结构。并重点对反映涡轮发动机安全运行及性能要求的一些重要参数:高压涡轮进口温度、低压涡轮出口温度、压气机喘振裕度进行了研究。建立了涡轮进出口温度的平衡流形展开模型,并对涡轮进出口温度相关性进行了分析,通过对可测低压涡轮出口温度进行修正,得到难以测量的高压涡轮进口温度的估计,实现了高压涡轮进口温度的软测量,一方面构造了发动机温度信号的冗余检测,另一方面为高压涡轮进口温度的直接控制,提高发动机温度保护回路控制系统的性能打下了基础;建立了结构简单、能够实现实时仿真计算的压气机喘振裕度模型。最后,建立了双变量涡扇发动机的平衡流形展开模型,并利用此进行了发动机性能优化的初步研究。