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战机加速时,发动机喷口是收缩还是扩张?
【2016-02-24 09:52:33】 【来源:】 【字体: 】 【颜色: 绿

摘要:

  还真没法一句话结题。问题说的是可调式喷口,但还是要从喷管说起。

  


  喷气发动机的核心机产生高压高温燃气,气体需要变成气流才能产生推力。喷管就是让燃气膨胀加速,产生推进气流的装置。喷口只是喷管最后一部分。喷管的形状截面积会改变推进气流的速度、温度和压力。

  放下温度不表,推进气流的压力(总压)包括动压和静压:动压是气体流动(动能)产生的压力,速度越高动压越大;静压是气体静止时的压力,决定于气体膨胀后的密度。飞机的推进气流速度越快、动压越大越好,但低速经济性差。推进气流静压与外界大气压相等时推进效率最高,因为静压高于外界气压时,喷射气流的部分能量会在离开喷口后膨胀损失,不能用于推进。至于静压小于外界气压不用解释了吧。静压等于外界大气压的情况称为“完全膨胀”。

  


  


  亚声速气流中,截面积逐步缩小的管道内 ,推进气流速度增静压减小,接近或达到完全膨胀,推进效率高,因而亚音速飞机都采用收敛喷管。如果推进气流超过音速,收敛喷管整体效率将大幅下降。原则上,亚音速喷管也可以做成调节膨胀面积比,但提升效率有限结构复杂,一般不采用。大多数民航喷气机都采用固定收敛喷管(不考虑反推装置)。

  


  超音速飞行则需要喷射气流也达到超音速,收敛喷管就不好使了,需要收敛-扩张喷管(拉瓦尔喷管)。理想状态下,推进气体通过收敛端在喷管最窄处(喉部)达到音速,在扩张段达到超音速(如上图)。理论上,固定的收敛扩张喷管膨胀比也固定,只能在某些条件下达到最高效率,这时候可变截面喷管(可调喷口)就派上用场了。理论上,可变截面喷管只要保证出口和喉部面积比与喷管前后的静压之比(落压比)基本成正比关系,就能达到高效,但实际情况要复杂许多。

  


  其实真正最需要可调喷管的是加力发动机。加力燃烧意味着更高的气压和温度,自然需要更大的喉部和管口,加力喷管的后面又需要扩张喷管来产生超音速推力。战斗机的可调喷管往往是将加力燃烧室和尾喷口联合调整的。

  反过来说,可调喷管改变了收敛扩张程度以及喉部面积,也改变了核心机前后压力比,对核心机的运行状态也会有影响。

  


  此外,我们常见的可调尾喷口外壁虽然都是一片一片的,但也有几种不同的外形,与前面的喷管如何联动更为复杂,我们只能说通常情况下,外喷口扩张,可调喷管各部分也都扩张。

  


  回到最初的问题,仅以常见的带加力涡扇发动机战斗机为例,大致上,非加力状态下,起飞、加速等军推状态下,喷口收缩,在大推力状态下提供更高的效率;而在怠速、跑道滑行等情况下,喷口扩张,降低推进气流速度,减少推力,既容易控制、又节约燃油,还能降低发动机过热的风险,同时防止高速气流引起的干扰、伤害和事故;在加力工作状态,虽然同样是起飞和加速,但喷口必须扩张,控制进入加力燃烧管的气流,适应加力状态。

  


  


  实际情况真的很复杂,喷口收缩还要兼顾核心机工况,例如某些时候推油门杆加速,尾喷口不会立即收缩,以便涡轮尽快提升工作状态;对多轴涡扇发动机,可调喷管还肩负着协调扇叶和涡轮转速关系以及加力状态下核心机工作状态的任务;此外还有可调引射喷管调整引射气流和燃气气流的工作状态;矢量喷管兼顾更多。但上面所说的情况大致代表了典型常见的情况。


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