详解航空涡轮发动机-卷(2)

《详解航空涡轮发动机-卷(2)》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、喷管不论是涡喷发动机还是涡扇发动机，其做功最终都得依靠喷管。喷管最基本的功能就是把发动机中高温高压燃气的内能转化为动能，产生推力。航空涡轮发动机的推力主要取决于喷管出口的排气速度，所以喷管又被称为推力喷管或者推进器，也有的文献把它叫做尾喷口。因为喷管的通道截面积是逐渐缩小（收敛）的，所以流经气流的速度逐渐加快。对于一台发动机来说，喷口面积越小，排气速度越大，推力也越大。但是当喷口面积小到某一个量值时，由于涡轮后温度的限制，推力不再增加。因为此时喷管出口截面的气流速度已经达到音速，喷口处于临界状态，相当于自来水龙头

2、，起到节流的作用。从20世纪50年代中期起，战斗机上的涡轮发动机都安装了加力燃烧室。它使得气流温度骤然增加几百到上千摄氏度，发动机的容积流量因此大大增加。这样一来，出口面积固定和简单收敛的喷管就无法满足发动机的工作需要了。为了保证发动机的工作状态不变，加力工作时必须加大节流面积（50％～170％）。这样就必须把喷口出口面积设计成可调的。可调收敛喷管不仅是开加力的需要，它还带来另一个好处：能改变发动机的流量特性和起动特性。这一点对于现代多级高增压比轴流式压气机是非常重要的，因为可以借助喷口面积的改变来改善和扩大发动

3、机的稳定工作范围，也就是喘振裕度。目前锥形收敛可调喷管的收敛一般由连杆机构操纵，也被形象地称为鱼鳞式可调喷管。加力发动机使飞机进入了超音速时代。由于超音速飞行产生的静压作用，使得发动机排气压力增加，导致喷管的落压比（排气流在喷口截面的压力与环境压力之比）也随之增加，达到15～20，甚至更高。这时喷口的排气流是在极度欠膨胀的情况下工作的，以至于推力损失高达百分之几十！为了“回收”这部分推力，人们在主喷管的出口处加了一个外套管或者叫做引射罩，这就是引射喷管。它使发动机在原来主喷管收缩端即节流截面的后方新增加了一个引射

4、器的出口截面。这样，主气流在离开发动机之前，又引进了一股或多股新的流量，致使总的排气量增加。而且，这种结构的喷管允许气流进一步膨胀，进一步增大了排气速度，使发动机的推力加大。引射喷管虽然能使飞机超音速飞行时的推力增加，但是由于引射罩与主喷管之间有一个环形空间，会在低速或亚音速飞行时引起气流分离，从而造成所谓的“底阻”。这种底部阻力抵消了发动机的一部分推力，为此经过改进，收扩式喷管应运而生。它使喷管流道先缩小再扩大，允许气流在喉道处达到音速后进一步加速为超音速气流。由于它在收缩段末段截面（喉道）和扩张段出口截面（喷

5、口）都可调，因此既具有良好的亚跨音速性能又有极佳的超音速性能。目前各国正在服役的第三代战斗机上普遍采用的就是收扩式喷管。17现代高技术条件下的战争对喷管提出了更高的要求，这就是不仅提供推力，还能借助推力改变飞机的飞行方向，于是推力矢量喷管应运而生。目前比较成熟的方案有三类：第一类是空心球铰或球关节，是在原来主喷管前加装一个球形铰，并通过它来实施推力转向。俄罗斯雅克-141的发动机和美国F-35上的F-110-GE-129发动机采用的都是这类方案，由于可以使推力发生90°以上的变化，故该方案适用于垂直起降飞机。第二

6、类是空间复式连杆机构，是在轴对称喷管的扩张段借助一个名叫转向环的零件实施转向。典型例子有俄罗斯苏-37的AL-31-FU发动机，它可以使飞机不依赖气动控制面而在三个方向上进行机动，故也称为三元喷管。第三类是以美国F-22的F119为代表的二元喷管，不仅具有仅次于三元喷管的良好机动性，还使飞机具有隐身能力和超音速巡航能力，在技术上也比三元喷管简单。发动机推力主要是高温、高压、高速气体排出喷管而产生的反作用力，排气温度高达2000K以上，流速能达到甚至超过音速。在这样的高温、高压、高速气流冲刷下，要求喷管转动灵活，没

7、有卡涩，密封性好，不漏气（否则热气流就会烧蚀飞机尾部），还要减轻重量并能精确控制截面积、形状和角度，所以，推力矢量喷管的研制是一个极大的技术难题。但是，装有推力矢量喷管的发动机具有以过失速能力和短距起降能力为代表的超机动能力，无论是高速还是低速甚至零速度都有良好的飞行操纵品质，是新一代战斗机的必备功能，也是现役第三代战斗机的改进方向，所以，它已经成为了各航空大国关注中的焦点。我国航空工程师目前也在从事这方面的技术研究工作。1717歼-7EB尾喷口内看，外缘有根探针，推测是发烟装置，把机腹的发烟罐中的发烟剂加到尾喷

8、气流中F119地面试车，注意其独特的矢量喷口F-14的TF30涡扇发动机独特的尾喷口17