航空发动机原理第四讲发动机部件工作原理---尾喷管
Aero Engine Principle– Lecture #4 /Engines parts -nozzle September 29, 2014
发动机部件工作原理
黄玥
助理教授 物理机电航空大楼313 [1**********] [email protected] 物理与机电工程学院 厦门大学
发动机部件工作原理
• • • • • • 第一节 气动热力基础 第二节 进气道 第三节 尾喷管 第四节 压气机 第五节 涡轮 第六节 燃烧室
排气系统
发动机涡轮后的所有部件，包括扩压减速段、尾喷管及 其调节机构、消音系统、冷却与红外抑制系统、反推力 装置等总称为排气系统，其中尾喷管是排气系统的主要 部件。 结构特点： ------涡轮风扇发动机有冷、热两股流体排出，大涵道比采 用两个喷管分开排气，小涵道比掺混后从单一喷管排出； ------需要增加推力时，涡轮后安装加力燃烧室。
一、功能/设计要求
功能： 1. 燃气膨胀加速，气流高速排出，产生反作用推 力；
2. 调节喷管临界截面积改变发动机工作状态；
3. 推力换向；
4. 减少噪音、降低红外辐射。
一、功能/设计要求
设计要求： 1. 流动损失小 2. 尽可能完全膨胀 3. 排气方向尽可能沿所希望的方向 4. 根据需要，截面积几何尺寸可调
5. 噪音低
一、功能/设计要求
分类 1. 纯收敛型
一、功能/设计要求
分类 2. 收敛-扩张型
二、工作原理
排气速度 绝能流动
v * * h4 h9 h9 2
2 9
2 v9 * c p (T9 T 9 ) 2
假设在喷管出口达到完全膨胀 p9 p0
T9 p ( *) * T9 p9
1 9
p v9 2c pT [1 ( * ) p9
* 9
1 0
]
8 2014年10月12日
二、工作原理
排气速度 总压恢复系数
e
p
* 9
* p4
p v9 2c pT [1 ( * ) p9
* 9
1 0
] ]
膨胀比
1 * 2c p T9 [1 ( )
* 4
1
e
p
e e
p0
( Fs v9 )
2014年10月12日
9
三、纯收敛型喷管
1、结构形式 固定的收敛喷管 可变出口截面的收敛喷管
2014年10月12日
10
三、纯收敛型喷管
2、工作状态 临界
p9 p0
Ma 1
1 2 1 p p9 1 Ma 2
* 9
p 1 1 cr 1 1.85 p0 2
* 9
11 2014年10月12日
三、纯收敛型喷管
2、工作状态 亚临界
p cr 1.85 p0
超临界：
* p9 cr 1.85 p0
* 9
p9 p0
Ma 1
p9 p0
Ma 1
12 2014年10月12日
三、纯收敛型喷管
2、工作状态 亚临界及临界的推力公式
F qmg v9 qmav0
超临界的推力公式
F qmg v9 qma v0 A9 ( p9 p0 )
13 2014年10月12日
三、纯收敛型喷管
3、推力损失 出口气流速度最高只能达到当地音速，当
p cr 1.85 时， p9 p0 , Ma9
1 p0
* 9
喷管处于超临界状态。
14 2014年10月12日
三、纯收敛型喷管
3、推力损失 1 p9 * 尾喷口实际排气速度： v9 2c ] pT9 [1 ( * )
p9
p 2c T [1 ( * ) 完全膨胀时排气速度： v9 p9
* p 9
1 0
]
p9 p0 v9 v9
这将造成推力损失
15 2014年10月12日
三、纯收敛型喷管
3、推力损失 推力公式 F qmg v9 qma v0 A9 ( p9 p0 ) 推力损失系数
qmg v9 qma v0 A9 ( p9 p0 ) [1 ] 100% qma v0 qmg v9
16 2014年10月12日
三、纯收敛型喷管
4、示例
某发动机采用纯收敛型喷管，进口空气流量100kg/s，飞 行速度500m/s，环境压力100000Pa，喷管内总压 580000Pa，总温1000K。（忽略发动机进、排气的流量 差异，忽略流动损失） （1）判断喷管工作状态 （2）计算尾喷管出口静压 （3）计算尾喷管排气速度 （4）计算发动机推力 （5）若改进尾喷管，使气体能够完全膨胀，那么发动机推 力将提高多少？
17 2014年10月12日
三、纯收敛型喷管
4、示例
（1）判断喷管工作状态
1 1 cr 1 1.8506 2 * p9 5.8 cr 喷口工作于临界状态 p0
（2）计算尾喷管出口静压
* p9
p9 (1
1
2
1
313411Pa
)
18 2014年10月12日
三、纯收敛型喷管
4、示例
（3）计算尾喷管排气速度
c p
1
Rg 1160.727( J / kg K )
* p 9
p v9 2c T [1 ( * ) p9
1 9
] 573.402(m / s)
19 2014年10月12日
三、纯收敛型喷管
4、示例
（4）计算发动机推力
qmg K
p9* T9
*
A9 q 9
q 9 1
A9
qmg T9 Kp
* 9
*
100 1000 0.1374m2 0.03968 580000
F qmg v9 qma v0 A9 ( p9 p0 ) 36662 N
20 2014年10月12日
三、纯收敛型喷管
4、示例
（5）若改进尾喷管，使气体能够完全膨胀，那么发动机推 力将提高多少？
p 2c T [1 ( * ) ] 905.870 v9 p9 qmav0 40587 F qmg v9
* p 9
1 0
F F F 3925( N )
21 2014年10月12日
三、纯收敛型喷管
4、示例 气体流速、马赫数与通道截面积的关系：
dA dV 2 ( M a 1) A V
为使达到音速的气流继续膨胀，必须用扩张通道
22 2014年10月12日
四、收敛-扩张型喷管
1、结构形式 固定的收敛-扩张喷管 可调的收敛-扩张喷管 带中心体的喷管 引射喷管
23 2014年10月12日
四、收敛-扩张型喷管
2、固定的收敛-扩张喷管
qmg K
K
* p8
p* T
*
Aq
* p9
T
* 8
A8q 8 K
T
* 9
A9 q 9
A8 q 9 A9 e
定值
* p9 * e p8
24 2014年10月12
日
四、收敛-扩张型喷管
2、固定的收敛-扩张喷管
A8 9 , Ma9定值 q 9 A9 e
1 2 1 p p9 1 Ma 9 2
* 9
完全膨胀，p9 p0 设计点p
p p p9 p0 ,过度膨胀
* 9 * 9d
25 2014年10月12日
* 9d
* * p9 p9 d p9 p0 ,不完全膨胀
四、收敛-扩张型喷管
2、固定的收敛-扩张喷管 当喷管为固定的面积比A8/A9 时，只对应某一个特定的状 态，可以使气流在喷管出口 达到完全膨胀，偏离此状 态，都会造成推力损失。
26 2014年10月12日
四、收敛-扩张型喷管
3、可调的收敛-扩张喷管 随飞行状态变化，由电机带动作动筒拉动拉杆， 改变喷管临界截面积、出口截面积，使气流尽可 能在出口处达到完全膨胀。
27 2014年10月12日
四、收敛-扩张型喷管
4、带中心体的喷管 由中心体和外壳组成 外壳出口处形成喷管 临界截面 气流绕外壳唇口产生 膨胀波，膨胀加速 沿轴向移动中心体 实现临界截面调节
28 2014年10月12日
四、收敛-扩张型喷管
5、引射喷管 由一个纯收敛喷管和一个同心的外套筒组成。 收敛喷管排出发动机高压燃气，引射外套筒的二 股气流； 主气流在周围亚音气流中膨胀，形成“流体”壁面 扩张段，主气流继续加速，高速排出。 形成的“流体”壁面可以随主气流压力变化自动调 节。
29 2014年10月12日
五、其它喷管
1、垂直/短距起降喷管
30 2014年10月12日
五、其它喷管
2、推力矢量喷管
31 2014年10月12日
五、其它喷管
3、反推喷管
32 2014年10月12日
小结
进气道 减速增压（高速飞行时） 亚音速进气道为扩张型 超音速进气道：超音->亚音 逆压力梯度（静压增加） 飞行速度越快，冲压比越大 飞行速度越快，滞止温度越高 尾喷口 增速减压 低Ma飞机发动机喷口为收缩型 收扩型尾喷口：亚音->超音 顺压力梯度（静压下降） 可用膨胀比越高，排气速度越大 排气总温越高，排气速度越大
调节临界面积可改善起动性能 调节临界面积可改变发动机状态
33 2014年10月12日
调节喷管临界面积
34 2014年10月12日
推力换向
35 2014年10月12日
固定的收敛喷管
36 2014年10月12日
可变出口截面的收敛喷管
37 2014年10月12日
固定的收敛-扩张喷管
38 2014年10月12日
可调的收敛-扩张喷管
39 2014年10月12日
带中心体的喷管
40 2014年10月12日
引射喷管
41 2014年10月12日