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 pT [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 pT [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 Kp

* 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

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 pT [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 pT [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 Kp

* 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