心脏的奥秘之航空发动机尾喷管的进化史(二).docx
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1、心脏的奥秘之航空发动机尾喷管的进化史(二) 在很大程度上,喷管的形态确定着它的性能,所以喷管设计的基本问题,是如何用具有最小重量和最小热交换的喷管来获得最大推力。在一般的设计过程中,工程师往往会先选定发动机的设计工作参数来设计用于特定马赫数和压力比的喷管,由于飞机的飞行包线越来越广,发动机的工况的改变范围也随之越来越大,这就要求喷管还应能够在较大的非设计高度和马赫数范围内工作;同时,作为一个工业产品,喷口又应尽可能设计的加工简洁、成本低。综合以上的这些设计要求,喷管虽然看似简洁,设计起来可不是轻而易举的事情。 众所周知,任何的气动元件都会导致气体的流淌损失。喷管的流淌损失主要来自两个方面。首先
2、是流淌过程的损失,包括附面层和非设计工况的影响,虽然两者在喷管中往往须要困难的微分方程来描述,但我们可以用一个很形象的例子来感受一下附面层的影响:拿一根长细管,努力吹气,感觉一下吹气的阻力;然后把吸管剪断一半再吹气,会发觉阻力明显小了许多。而非设计工况分为过度膨胀与不完全膨胀,其中前者可以理解成整个喷管须要额外获得能量完成气体的膨胀过程,而后者可以理解为气体的能量并没有完全释放给飞机。由于牵扯太多的理论推导,关于这部分的内容本文不再详述,有爱好的读着可以查阅有关气体动力学的书籍。 喷管与常规的气动管道最大的不同在于其中流淌的是高温气体,而这个高温气体不同于汽轮机中的高温蒸汽亦或者斯特林发动机里
3、的热空气,而是通过燃烧得来的燃气,这就使得导致航空燃气轮机的喷管效率下降的诸多因素中,有一个我们经常忽视的因素化学平衡。 在燃烧室中,高温使大量燃烧产物离解成原子和自由基。例如,在碳氢化合物-氧的燃烧产物中,包含有氢原子、氧原子、羟基和一氧化碳,全部这些成分都与主要燃烧产物水和二氧化碳处于化学平衡状态。离解过程所耗费的能量是靠降低气体温度而得到的。当气体流过喷管时,静温柔静压都有所下降。温度的下降使原子和自由基又复合成稳定的分子,而压力的降低则阻碍这过程的进行。由于温度的下降起主要作用,所以最终还是要出现某些复合过程,使部分别解能又重新回到气流中去。这样,比起化学组分固定不变的完全“冻结”的流
4、淌来,这种有化学反应的气体流淌可以使发动机获得较高的性能。 在这个意义下,假设在在喷管的任何部位的当地温度和压力下,气体的组分总是保持局部化学平衡,在各点都处于化学平衡时,才称作“平衡流淌”。因此平衡流淌是等熵流淌,像“冻结”流淌一样,全部的变量(包括组分)只取决于截面积的改变。所以对性能来讲,假如喷管中的流淌为“平衡流淌”,则可以预期这时喷管性能是最好的,代表发动机性能上限;而“冻结”流淌,则代表发动机性能下限。 全部实际流淌都介于这两种极限状况之间。当实际气体流过喷管时,化学组分的改变取决于所发生的各种化学反应进行的速度。因为化学反应速度与温度、压力有关,所以也就与整个流淌有关。这种流淌是
5、非等熵的,气流参数不仅取决于截面积的改变,而且还与达到给定面积比所须要的时间(或者距离)有关。即使在一元近似的状况下,气流各参数也不仅与膨胀比有关,而且还与喷管的形态有关。这种非等熵流淌导致了气体在喷管中的总压总温损失,在现代高性能发动机中,这种损失越来越受到人们的重视。 对于出口速度为亚声速的喷管,其外形为单纯收敛式。削减这种喷管的推力损失,重点便放在了削减燃气在排气装置内过度膨胀。读者可能会留意到,大多数飞机的尾喷口都是伸出机身外部的,这是因为在设计和试验中我们总结出,对比喷管伸出去的和缩进去的喷管,收敛喷口缩进尾部内造成装置的效率变差,但是却有利于降低尾部阻力。所以,现在较为先进的设计方
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