擴張尾噴管

擴張尾噴管，也稱為平衡梁式收斂-擴張尾噴管，是指尾噴管的主噴管靠一個凸輪和滾輪系統驅動，而副噴管運動靠連桿系統控制的尾噴管。凸輪的形狀及連桿結構方案的選擇，取決於尾噴管喉道面積和所需面積比調節規律兩方面的綜合要求。

基本介紹

• 中文名：擴張尾噴管
• 外文名：Expansion nozzle
• 學科：航空工程
• 領域：部件設計
• 別稱：平衡梁式收斂-擴張尾噴管

簡介

擴張尾噴管，也稱為平衡梁式收斂一擴張尾噴管，是指尾噴管的主噴管靠一個凸輪和滾輪系統驅動，而副噴管運動靠連桿系統控制的尾噴管。凸輪的形狀及連桿結構方案的選擇，取決於尾噴管喉道面積和所需面積比調節規律兩方面的綜合要求。

擴張尾噴管工作原理

軸對稱收斂-擴張尾噴管主要由3部分組成:亞聲速收縮段、喉部、超聲速擴張段。

在給定的設計壓力比下，氣流經尾噴管的亞聲速收縮段加速到喉部的聲速，而後在尾噴管擴張段內進一步加速到超聲速。出口壓力等於外界環境壓力。

在給定的設計壓力比下，只有尾噴管出口截面與其喉道截面之比，才能使理想氣流從尾噴管進口總壓膨脹到出口時等於外界壓力。尾噴管的這種工作狀態稱為“最佳狀態”或“完全膨脹”。

設計時，若尾噴管面積比小於或大於尾噴管出口截面與其喉道截面之比計算的值，氣流將發生過度膨脹或不完全膨脹，引起推力損失。可以證明，當燃氣流在尾噴管中完全膨脹時，發動機產生的推力最大。

若尾噴管的面積比已按設計壓力比給定，則當尾噴管的工作狀態發生變化時，尾噴管的面積比就不適應變化後的噴管壓力比，造成尾噴管的不完全膨脹或過度膨脹，尾噴管出口外的射流狀態與收斂尾噴管在超臨界壓力比下的射流狀態幾乎是相同的。對於過度膨脹，尾噴管內氣流可膨脹到低於外界環境壓力，然後經過一系列激波氣流壓力提高到外界壓力。

擴張尾噴管的性能參數

軸對稱收斂一擴張尾噴管的推力係數和流量係數定義與收斂尾噴管的定義相同。收斂-擴張尾噴管的速度係數代表摩擦所引起的附面層動量損失的影響，因為它與尾噴管內摩擦損失有關，故它是尾噴管表面積、雷諾數和馬赫數等參數的函式。一般情況下，雷諾數的影響較小，而馬赫數又是尾噴管幾何參數的函式，所以速度係數甲。是尾噴管擴張角和面積比的函式。

尾噴管分離/過度膨脹的影響

推力係數曲線是在尾噴管內沒有分離的“全部充滿流動”情況下得出的。實際上，這種情況只有在尾噴管壓力比接近或大於設計壓力比時才出現。當尾噴管壓力比低於無分離動狀態下的壓力比時，尾噴管內的流動將偏離設計情況較遠並在尾噴管出口處將靜壓調整到等於外界大氣壓。流場的調整使尾噴管壁面上靜壓分布發生變化，影響尾噴管總推力係數。故必須對前面所述的推力係數加以修正。為了對尾噴管內過度膨脹的流動情況有更清晰了解，一般把它分成4個工作區域。

1區:尾噴管壓力比比設計壓力比低得不多，這時僅在尾噴管出口處產生較弱的激波，對尾噴管壁面壓力分布影響不大，故對推力係數影響也不大。

2區:尾噴管壓力比比設計壓力比低得多，激波移到尾噴管內，強度也增大了，且波後出現氣流分離，從而顯著影響激波後壁面壓力分布(一般激波後分離區壁面靜壓接近外界大氣壓)，因而對推力係數有較大影響，比“全部充滿流動”情況下的推力係數高些。

3區:尾噴管壓力比比設計壓力比比低得多，激波移至接近喉道區，激波後的氣流分離嚴重，這時推力係數最低。

4區:尾噴管壓力比很低，流動完全是亞聲速的，尾噴管變成一個擴壓器。

上面所述的只是一般情況，每種尾噴管因存在幾何形狀的差別，在流動形態上也會有所不同。