航空发动机原理第四讲 发动机部件工作原理---尾喷管

Ma 1
2014年1120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 qmgv9 qmav0
超临界的推力公式
F qmgv9 qmav0 A9 ( p9 p0 )
2014年1130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
p9* p0
2014年2170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
2014年2180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
1
) ]
905.870
F qmgv9 qmav0 40587
F F F 3925(N)
2014年2110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 A
(M
2 a
1)
dV V
为使达到音速的气流继续膨胀，必须用扩张通道
2014年2120月12日
四、收敛-扩张型喷管
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
h4*
h9*
h9
v92 2
v92 2
c
p
(T9*
T
9
)
假设在喷管出口达到完全膨胀 p9 p0
T9 T9*
(
p9 p9*
1
)
v9
2cpT9*[1
(
p0 p9*
1
)
]
2014年180月12日
三、纯收敛型喷管
2、工作状态
临界
p9 p0
Ma 1
p9*
p9
1
2
1
M
2 a
1
cr
p9* p0
1
2
1
1
1.85
2014年1110月12日
三、纯收敛型喷管
2、工作状态 亚临界
p9* p0
cr
1.85
超临界：
p9* p0
cr
1.85
p9 p0 Ma 1
p9 p0
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。
2014年2160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。
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2130月12日
四、收敛-扩张型喷管
2、固定的收敛-扩张喷管
qmg K
p* Aq
T*
K
p8* T8*
A8q 8 K
p9*
T9*
A9q
9
q 9
A8
A9 e
定值
e
p9* p8*
2014年2140月12日
四、收敛-扩张型喷管
2、固定的收敛-扩张喷管
q 9
A8
A9 e
9 , Ma9定值
p9*
p9
1
2
1
Ma
2 9
1
完全膨胀，p9 p0 设计点p9*d p9* p9*d p9 p0,不完全膨胀
p9* p9*d p9 p0,过度膨胀
2014年2150月12日
四、收敛-扩张型喷管
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
3、反推喷管
2014年3120月12日
小结
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
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2190月12日
五、其它喷管
1、垂直/短距起降喷管
2014年3100月12日
五、其它喷管
2、推力矢量喷管
2014年3110月12日
五、其它喷管
100 1000 0.03968 580000
0.1374m2
F qmgv9 qmav0 A9 ( p9 p0 ) 36662N
2014年2100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？
v9
2cpT9*[1
(
p0 p9*
（3）计算尾喷管排气速度
cp
1 Rg
1160.727(J
/ kg
K)
v9
2cpT9*[1
(
p9 p9*
1
) ]
573.402(m
/
s)
2014年1190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*
A9q
9
q9 1
A9
qmg K
T9* p9*
二、工作原理
排气速度 总压恢复系数
e p9* p4*
膨胀比
e p4* p0
v9
2cpT9*源自文库1
(
p0 p9*
1
)
]
2c
pT9*[1
(
1
e
e
)
1
]
(Fs v9 )
2014年10月19 2日
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1102日
力将提高多少？
2014年1170月12日
三、纯收敛型喷管
4、示例
（1）判断喷管工作状态
cr
p9* p0
1
1 1
2
1.8506
5.8 cr 喷口工作于临界状态
（2）计算尾喷管出口静压
p9
(1
p9*
1)1
313411Pa
2
2014年1180月12日
三、纯收敛型喷管
4、示例
可调的收敛-扩张喷管
2014年3190月12日
带中心体的喷管
2014年4100月12日
引射喷管
2014年4110月12日
cr
1.85
时， p9 p0 ,
Ma9 1
喷管处于超临界状态。
2014年1140月12日
三、纯收敛型喷管
3、推力损失
尾喷口实际排气速度： v9
2cpT9*[1
(
p9 p9*
1
)
]
完全膨胀时排气速度： v9
2cpT9*[1
(
p0 p9*
1
)
]
p9 p0 v9 v9
这将造成推力损失
• 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。
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
2014年3130月12日
调节喷管临界面积
2014年3140月12日
推力换向
2014年3150月12日
固定的收敛喷管
2014年3160月12日
可变出口截面的收敛喷管
2014年3170月12日
固定的收敛-扩张喷管
2014年3180月12日
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 18250894250 huangyue@xmu.edu.cn 物理与机电工程学院 厦门大学
发动机部件工作原理
2014年1150月12日
三、纯收敛型喷管
3、推力损失
推力公式 F qmgv9 qmav0 A9 ( p9 p0 )
推力损失系数
[1
qmg v9
qmav0
A9
(
p9
p0
) ]100%
qmgv9 qmav0
2014年1160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