航空发动机原理第四讲 发动机部件工作原理---尾喷管

黄玥助理教授物理机电航空大楼[e-mail]物理与机电工程学院厦门大学发动机部件工作原理AeroEnginePrinciple–Lecture#4/Enginesparts-nozzleSeptember29,2014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假设在喷管出口达到完全膨胀2014年10月12日82**94992vhhh2*999()2pvcTT1*099*92[1()]ppvcTp90pp199**99()TpTp二、工作原理排气速度总压恢复系数膨胀比92014年10月12日*9*4epp1*099*91*92[1()]12[1()]ppeepvcTpcT*40epp9()sFv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102014年10月12日三、纯收敛型喷管2、工作状态临界2014年10月12日11*190111.852crpp1*299112appM90pp1Ma三、纯收敛型喷管2、工作状态亚临界超临界：2014年10月12日12185.1090*9Mappppcr185.1090*9Mappppcr三、纯收敛型喷管2、工作状态亚临界及临界的推力公式超临界的推力公式2014年10月12日1390mgmaFqvqv90990()mgmaFqvqvApp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时，喷管处于超临界状态。2014年10月12日14*901.85crpp909,1ppMa三、纯收敛型喷管3、推力损失尾喷口实际排气速度：完全膨胀时排气速度：这将造成推力损失2014年10月12日151*999*92[1()]ppvcTp1*099*92[1()]ppvcTp9099ppvv三、纯收敛型喷管3、推力损失推力公式推力损失系数2014年10月12日169099090()[1]100%mgmamgmaqvqvAppqvqv90990()mgmaFqvqvApp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？2014年10月12日17三、纯收敛型喷管4、示例（1）判断喷管工作状态（2）计算尾喷管出口静压2014年10月12日181111.85062cr*905.8crpp喷口工作于临界状态*9913134111(1)2ppPa三、纯收敛型喷管4、示例（3）计算尾喷管排气速度2014年10月12日191160.727(/)1pgcRJkgK1*999*92[1()]573.402(/)ppvcTmsp三、纯收敛型喷管4、示例（4）计算发动机推力2014年10月12日20*999*9mgpqKAqT*929*910010000.13740.03968580000mgqTAmKp90990()36662mgmaFqvqvAppN91q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？2014年10月12日219040587mgmaFqvqv1*099*92[1()]905.870ppvcTp3925()FFFN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：2014年10月12日22为使达到音速的气流继续膨胀，必须用扩张通道2(1)adAdVMAV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2014年10月12日23四、收敛-扩张型喷管2、固定的收敛-扩张喷管2014年10月12日24**mgpqKAqT899eAqA**898899**89ppKAqKAqTT*9*8epp定值四、收敛-扩张型喷管2、固定的收敛-扩张喷管2014年10月12日25899eAqA1*299911a2ppM99,Ma定值*909dppp完全膨胀，设计点**9990dpppp,不完全膨胀**9990dpppp,过度膨胀四、收敛-扩张型喷管2、固定的收敛-扩张喷管2014年10月12日26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。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。2014年10月12日27四、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2014年10月12日28四、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。2014年10月12日29五、其它喷管1、垂直/短距起降喷管2014年10月12日30五、其它喷管2、推力矢量喷管2014年10月12日31五、其它喷管3、反推喷管2014年10月12日32小结2014年10月12日33进气道尾喷口减速增压（高速飞行时）增速减压亚音速进气道为扩张型低Ma飞机发动机喷口为收缩型超音速进气道：超音-亚音收扩型尾喷口：亚音-超音逆压力梯度（静压增加）顺压力梯度（静压下降）飞行速度越快，冲压比越大可用膨胀比越高，排气速度越大飞行速度越快，滞止温度越高排气总温越高，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调节喷管临界面积2014年10月12日34推力换向2014年10月12日35固定的收敛喷管2014年10月12日36可变出口截面的收敛喷管2014年10月12日37固定的收敛-扩张喷管2014年10月12日38可调的收敛-扩张喷管2014年10月12日39带中心体的喷管2014年10月12日40引射喷管2014年10月12日41