基本介紹
- 中文名：噴管
- 外文名：nozzle
- 領域：物理、機械
- 原理：改變管段內壁的幾何形狀加速氣流
- 功能：使氣流降壓增速
- 典型噴管：漸縮噴管、縮放噴管
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基本介紹
噴氣發動機中把高壓燃氣(或空氣)轉變為動能，使氣流在其中膨脹加速以高速向外噴射而產生反作用推力的部件，又稱排氣噴管、推力噴管或尾噴管。噴管類型很多，有固定的或可調的收斂噴管、收斂-擴散噴管,引射噴管和塞式噴管等，根據飛行器性能和發動機工作特點選用。高速殲擊機大多採用可調的收斂噴管和可調的收斂－擴散噴管或引射噴管；火箭發動機常用固定式收斂-擴散噴管；垂直或短距起落飛機採用換向噴管。
氣流在噴管入口處的總壓與出口處的靜壓之比稱為噴管落壓比、膨脹比或壓力比。收斂-擴散噴管出口面積與臨界截面面積（最小截面處的面積）之比稱噴管膨脹面積比，通稱面積比。當氣流膨脹到噴管出口處的靜壓恰等於外界大氣壓力時,稱為完全膨脹噴管,其性能最佳，當氣流在噴管出口處的靜壓大於外界大氣壓時，稱為不完全膨脹噴管，氣流的壓力能沒有充分轉化為動能。當氣流在噴管出口處的靜壓低於外界大氣壓時稱為過膨脹噴管，這時將出現負的壓力推力。
基本功能
噴管是燃燒室內高溫高壓燃氣的出口，是火箭發動機能量轉換的重要部件，直接影響發動機的性能。噴管的基本功能有兩個：
（1）通過噴管的噴喉大小控制燃氣的質量流率，以達到控制燃燒室內燃氣壓強的目的；其次，通過採用截面形狀先收斂後擴張的拉瓦爾噴管(由收斂段、喉部和擴張段三部分組成)使燃氣的流動能夠從亞聲速加速到超聲速，高速噴出後產生反作用推力。
（2）為了控制飛行器的飛行方向和姿態，還可以利用噴管實現推力矢量控制。對於中小型火箭，多採用較簡單的錐形噴管;而工作時間長、推力大、質量流率大以及採用高性能推進劑的大型火箭，一般使用特型噴管(如雙圓弧形和拋物線形等)。
噴管類型
收斂噴管
橫截面積沿流向逐漸縮小的噴管。收斂半角常取7°～35°，在大馬赫數飛行時,會因不完全膨脹造成很大的推力損失。例如，馬赫數為1.5時,損失約為 14%；馬赫數為3時，損失大於50%。這種結構簡單、重量小的噴管用於亞音速或低超音速飛機的發動機。
收斂-擴散噴管
橫截面積沿流向先收斂後擴散的噴管。它是瑞典人C.G.拉瓦爾發明的，所以又稱拉瓦爾噴管。這種噴管用於超音速殲擊機上時，臨界面積與出口面積均需隨飛行狀態而調節；用於火箭發動機上時，面積比可達7～400。現代火箭發動機最常用的是鐘形噴管，出口半角減到2°～8°，長度較短。還有幾種更短的環形噴管，如塞式噴管、膨脹偏轉噴管、回流噴管和平流噴管等。其共同特點是氣流有自由膨脹邊界，可隨外界壓力自行調節，經常處於完全膨脹狀態，但使用不普遍。
可調噴管
引射噴管
由可調收斂形主噴管和固定的或可調的引射套管組成。主流的引射作用帶動一股次流從主流氣柱與引射套管之間流過,次流對主流起氣墊作用,約束主流的膨脹。調節次流流量可以控制主流的流通面積，使其達到或接近完全膨脹。引射噴管重量小，結構簡單。能在很寬的飛行範圍內維持良好的性能，已廣泛用於許多高性能的飛機上。
二維噴管
出口截面不是圓形，容易實現飛機後體與噴管一體化，減小飛機的外阻力和暴露面，改進飛機性能和隱蔽性；還能實現推力換向和反向，增加機動性。
噴管材料
噴管材料的選用與噴管結構和冷卻方式等密切相關。燃氣渦輪發動機噴管常用鎳基高溫合金材料，液體火箭發動機再生冷卻噴管採用不鏽鋼；輻射冷卻噴管延伸段使用鈮合金等耐熱材料；固體火箭發動機常用複合材料，接觸燃氣流的部分則選用耐高溫或耐腐蝕材料，背壁選用絕緣材料。噴管中受熱最嚴重的喉部內側的耐高溫層稱喉襯，可用鎢及其合金等高熔點金屬或發汗材料、金屬陶瓷、石墨、碳-碳複合材料以及碳陶複合材料。入口段多用石墨酚醛或碳酚醛材料。出口段常用高矽氧-酚醛或碳酚醛材料(見航空航天材料、航空發動機材料)。
