航空发动机工程通论-喷管性能与高效性

2023-07-30 理论教育版权反馈

【摘要】：图2-41收敛—扩张喷管内的燃气流参数变化2.8.2.3收敛喷管性能一般来说，收敛喷管的性能通常都非常高。

喷管性能通常用两个关键参数来描述：流量和推力。喷管必须能够通过所有工况下发动机工作循环所需的流量。最小喷管面积，即收敛喷管的出口面积或收敛—扩张喷管的喉道面积，用于控制给定工况下的流量。对于工作范围宽广的发动机，即可能需要几何形状可变的喷管。

2.8.2.1　喷管流量与压比

喷管流量通常被定义为在喷管喉部通过的流量：

喷管性能的一个非常重要参数是喷管压比，被定义为喷管进口总压与大气压之比：

式中，P7——喷管进口压力；

P0——外界大气压。

通过喷管的质量流量随喷管压比变化而改变，直到在喷管面积最小处气流速度到达马赫数1，此时的压比称为临界压比，超过这个压比，喷管会出现堵塞，同时喷管的流量将不随下游出口压力变化而改变。因此，此时喷管流量不受高度变化的影响，但仍受进口条件变化的影响。

2.8.2.2　推力系数

工程上常用推力系数CF来表示喷管的性能，它定义为喷管产生的实际推力与理想推力之比：

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喷管的理想推力定义是：气流从喷管进口通过等熵膨胀到外部自由流压力时能够产生的推力。这个值是喉部面积、进口压力和喷管压比的函数。

根据气体动力学原理，对于一个给定的喷管压比，会有一个特定的面积比A9/A8，才能使燃气在扩张管道完全膨胀到静压等于外界大气压，如图2－41 所示，通过等熵膨胀会产生对应的理想推力。换而言之，对于一个给定的喷管几何形状（定面积比），只有一个特定喷管压比能使之产生最大的推力。所以，为了给工作压比范围宽广的发动机提供足够推力，常采用面积可调的喷管。

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图2-41　收敛—扩张喷管内的燃气流参数变化

2.8.2.3　收敛喷管性能

一般来说，收敛喷管的性能通常都非常高。喷管收敛角θ 如图2－40（a）所示，是主要的设计参数。推力系数是收敛角和喷管压比NPR 的函数。在一般工况（压比NPR小于3.0）下，收敛喷管推力系数随θ 增加而减小；而在高压比时，这种趋势正好相反。设计时，必须综合考虑喷管收敛角变大对喷管长度、重量增加带来的影响，从而实现系统性能优化。在临界压比附近，收敛喷管的性能达到峰值。当压比高于临界压比时，气体将无法充分膨胀，离开喷管的出口后气流将继续膨胀加速到超声速，然后通过一个或多个激波达到外部自由流的压力。当压比大于3.0 时，推力会迅速降低，靠近该工况点时必须考虑使用收敛—扩张喷管；低于临界压比时，气流在出口处可以扩张到外部自由流的压力，但通过喷管的流量将小于最大值，因此推力也相应比较小。

2.8.2.4　收敛—扩张喷管性能

对于一个给定的喷管面积比A9/A8，存在一个特定的压比工况能得到最大的推力，被称为设计压比，记为NPRdesign。在其他的压比下，气流在喷管出口都不能完全膨胀，这会造成推力损失。

喷管工作在低于设计压比工况时，称为过膨胀，相比此时的压比，喷管面积比太大，喷管内空气膨胀到低于外部自由流压力状态，然后气流会经过一道正激波并在喷管剩余段内扩压，直到同外部自由来流压力相等，如图2－42（a）所示。激波及其带来的喷管壁面边界层分离会产生较大的总压损失和相应的推力损失；随着喷管压力的增加，正激波逐步被推至喷管出口，当压力比接近设计点时，出口处的正激波将会被斜激波所取代。喷管出口的下游会形成一系列膨胀波和压缩波（激波），一直到外部自由来流静压为止，如图2－42（b）所示。在设计压比工况下，喷管内气流在出口处达到外部自由来流压力，此时推力最大，同时气流平顺从喷管出口流出，如图2－42（c）所示。如果喷管工作在高于设计压比工况，则空气无法完全膨胀，此时没有足够大的喷管面积比，不能确保气流膨胀到外部自由来流压力。当气流到达喷管出口时，会产生一系列膨胀波和斜激波，直到其压力达到外部自由来流压力，如图2－42（d）所示。由于喷管的扩张长度受到结构重量的限制，因此不完全膨胀是喷管主要的工作状态。

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图2-42　喷管燃气膨胀示意图

（a）过膨胀（内部存在正激波，NPR≪NPRdesign）；（b）过膨胀（出口存在斜激波，NPR ＜NPRdesign）；（c）完全膨胀（NPR=NPRdesign）；（d）不完全膨胀（NPR ＞ NPRdesign）

2.8.2.5　其他损失机理

不完全膨胀是喷管中的主要流动损失机理，但是还存在其他形式的损失，如喷管壁面上的摩擦使边界层内的气流总压下降，造成堵塞，并导致通过喷管的质量流量减小。此外，壁面摩擦会引起喷管壁面温度升高，因此当高温高速气流流过喷管时需要对喷管壁进行冷却，以保持其结构的完整性。在许多喷管结构中，喷管出口的气流会产生分离，因此速度方向并不能完全与推力方向保持平行，进而无法产生推力，也就相应造成了推力损失。这种损失称为分离损失。

几何可调的喷管需要可移动部件，而这些移动部件的间隙需要密封，以防止漏气，但仍会有一些高压气体会泄漏出去，从而导致性能下降。漏气损失会影响流量系数和推力系数，同时由于漏气损失中气流是一种边界层气流，对推力贡献不大，因而其导致的质量流量损失要大于推力的损失。

2.8.2.6　外部阻力

外部自由来流掠过喷管外表面时，会产生压力和表面摩擦力，这些力与飞行方向相反，称为外部阻力。在评价喷管性能时，必须考虑这些阻力。精心设计空气动力学外形以及喷管在飞机上的安装位置，可以使外部阻力降至最小。喷管的尾锥喷管后部的锥形外表面（见图2－40）是外部阻力的重要来源。外部自由来流在尾锥加速，尾锥外表面上的压力下降，产生阻力。

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