亚声速喷管：航空发动机工程的重要成果

2023-07-30 理论教育版权反馈

【摘要】：许多装备燃气涡轮发动机的飞机在亚声速巡航时，发动机喷管的压比通常为2～3，而且要尽量不产生气流分离。现代亚声速商用飞机中，常采用大涵道比的涡轮风扇发动机，并配备结构复杂的双射流喷管。混合气流提高了发动机的热力学循环效率，降低了燃油消耗率；采用混合排气还可以降低噪声，提高推力性能。

许多装备燃气涡轮发动机的飞机在亚声速巡航时，发动机喷管的压比通常为2～3，而且要尽量不产生气流分离。对于这种应用场合，简单的收敛喷管就可以胜任了，喷管将工作在不完全膨胀状态，但膨胀损失常仅比完全膨胀时小1%。

喷口面积固定的发动机工作范围很窄，为了扩大发动机的工作范围，可以采用可调面积的喷口。可调喷口采取自动控制方式。对于非加力发动机，由于可调喷口对性能的增益被增加的重量所抵消，因此非加力发动机实际上很少采用可调喷口。

现代亚声速商用飞机中，常采用大涵道比的涡轮风扇发动机，并配备结构复杂的双射流喷管。这些大涵道比涡扇发动机喷管和飞机发动机舱会被整合为一体结构。发动机舱的喷管部分通常可分为分开排气喷管和混合排气喷管，但无论是哪一种喷管，都采用了面积比非常小的收敛—扩张喷管。这样设计不是为了性能要求，而是要满足流量控制需求。在低压比时，喷管不会堵塞，由较大的出口面积控制空气流量；在高压比时，喷管壅塞，气流流量由较小的喉道决定。此外，在内涵道流动中经常设置塞子形状的中心锥，如图3－26 所示，而中心锥外轮廓尺寸即可用来改变收敛和扩张流道型面。当不完全膨胀时，中心体外表面会受到喷管出口下游流体作用而产生压力，进而形成附加推力。

3.5.1.1　分开排气喷管

在高涵道比发动机中，通常使用分开排气喷管，外涵风扇的空气和核心机的空气分别从独立的通道被排出。外涵风扇的通道比发动机的其余部分都要短一些，以尽可能减轻喷管重量。外涵风扇空气在喷管出口高速喷出的同时，也在冲刷着内涵道的外表面，从而导致了较大的摩擦阻力，因此较短的外涵风扇喷管会产生较高的阻力。设计外涵风扇气流出流通道长度时，必须权衡考虑减小重量和增加冲刷阻力的综合效果。根据此思想，外涵风扇喷管通道长度变化规律与发动机的涵道比变化正好相反。

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图3-26　一种低涵道比的空气混合装置（书后附彩插）

1—涡轮后支柱；2—外涵道；3—混合器斜槽；4—喷管安装边；5—排气装置的内锥；6—分流器的整流罩

3.5.1.2　混合排气喷管

在低涵道比发动机上，使用混合排气喷管，两股气流由混合器（图3－26）掺混，混合器能使外涵低的空气进入涡轮排气流之中，保证这两股气流充分混合，并通过共同的喷管流出。混合气流提高了发动机的热力学循环效率，降低了燃油消耗率；采用混合排气还可以降低噪声，提高推力性能。但不管是混合排气喷管可以提高性能，还是带来其他好处，不可否认的是这种喷管的长度较长，增加了重量，同时较长的喷管也会带来更多的外部阻力。

亚声速喷管：航空发动机工程的重要成果

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