小管道大學問：航空發動機尾噴管

圖1　收斂型噴管（左）與收斂擴張型噴管（右）。

圖2　基本的尾噴管排氣系統結構。

圖3　尾噴管上的反推力裝置和降噪裝置。

圖4　分開排氣式和混合排氣式噴管。

中國航空報訊：收斂還是擴張？這是個問題

根據尾噴管出口氣流噴射速度的不同，可以分為亞聲速噴管和超聲速噴管兩類。亞聲速噴管為收斂型噴管，超聲速噴管為收斂擴張型噴管，如圖1所示。

為什麼對於不同速度的氣體噴管要採用不同的形式呢？這就要從氣體的特性講起：對於亞聲速氣體（氣體速度低於當地聲速），其在截面不斷變小的管道中會加速，這和我們的傳統認知是一致的；而對於超聲速氣體（氣體速度高於當地聲速），則恰恰相反，其中截面不斷變小的管道中會減速，在截面增大的管道中會加速。

從這一特性可知，對於收斂形噴管，當增大來流氣體壓差時起初噴出氣體速度會不斷增大，當來流氣體總壓高於臨界值（對於理想氣體一般為1.893個大氣壓）時，出口速度達到聲速，此後進一步增加來流氣體總壓並不會使得出口速度更大，此時出口壓強大於環境壓強，噴出氣體離開噴管後繼續膨脹，氣體能量造成浪費。因此為使得氣流在噴管內充分膨脹，實現能量利用的最大化，當噴管前氣體總壓較大時，尾噴管應由收斂噴管改為收斂擴張噴管，最理想的狀態為擴張後噴管出口的靜壓恰好等於外界大氣壓，此時稱為完全膨脹。

如果氣體在擴張段的擴張程度超出需要，則會造成過度膨脹，此時出口靜壓低於外界大氣壓，會在過度膨脹區內產生激波，或者造成返流，使得噴管推力減小，嚴重時還會影響發動機的工作。如果擴張段的擴張程度不能滿足需要，則會造成不完全膨脹，此時噴管出口靜壓大於外界大氣壓，氣體流出噴管後會繼續膨脹，在出口外產生激波系，也會造成能量的浪費。

為實現噴管內氣流的能量利用最大化，噴管的形式、喉道面積和出口面積應該和發動機設計流量、壓比相匹配，使得流出噴管的氣流達到完全膨脹狀態，因而對於不同速度的氣體噴管要採用不同的形式。此外，發動機在工作時提供給尾噴管的空氣流量和壓強（膨脹比）並不是一個設計的固定值，往往隨著其工作狀態不斷發生變化，因此有必要對噴管的喉道面積和出口面積不斷進行調節，盡量避免過度膨脹或不完全膨脹現象的發生。

民航飛機上的尾噴管

目前的民航飛機或軍用運輸機多是亞聲速或低超聲速的，因此多使用不可調的收斂型噴管，基本結構如圖2所示。

氣體由渦輪後盤流出，經排氣錐、渦輪後支柱流入噴管，從收縮噴口流出。其中排氣錐的作用是將尾噴管中氣流速度降低以減小摩擦損失。可以看出，尾噴管排氣錐和噴管壁面的流通通道面積沿流動方向不斷增大，在流量不變的情況下，流經的速度會逐漸降低，從而實現降速的目的。經過尾噴管整流錐後，噴管中的速度一般可保持在290米/秒左右（12級颱風的速度為32～37米/秒，和尾噴管內的氣流速度比起來簡直是小兒科了）。渦輪後支柱可起到梳理氣流，降低進入尾噴管氣流中的旋流的作用，以減小氣流在尾噴管中的氣動損失。

除去基本結構，一些尾噴管上還輔有反推力裝置和降噪裝置，如圖3所示。

對於大涵道比渦輪風扇發動機，其尾噴管還分內外涵道，因此排氣方式有分開排氣式和混合排氣式兩種，如圖4所示。其中分開排氣式噴管的外涵冷氣流和內涵熱燃氣氣流分別從各自的管路排氣，而混合式排氣噴管的這兩股氣流則現在一個混合器中摻混，然後從同一個噴管排氣。

矢量噴管

矢量噴管是第四代戰鬥機的標配，與飛機的超聲速巡航能力、短距起降能力、過失速機動能力和隱身能力密切相關。矢量噴管可實現噴管機械偏轉或氣動偏轉，使推力方向偏離發動機軸線方向，產生附加力矩，它可以不僅為飛機提供向前飛行的推力，而且還可補充或取代飛機的氣動舵面對飛機進行控制的技術。

矢量噴管可分為軸對稱矢量噴管、二元矢量噴管和氣動矢量噴管三類。

軸對稱矢量噴管與軸對稱收擴噴管的結構相近，僅擴展了流道偏轉功能，具有良好的氣動性能，同時使飛機不需要做較大的改裝即可實施矢量推進，可最大限度減少飛機的風險；其矢量作用效果明顯，噴管結構輕質高效。缺點是運動機構複雜，隱身性能差。

二元矢量噴管具有矩形構型，在紅外隱身方面相比軸對稱矢量噴管具有明顯的優勢，同時更有利於實現與飛機後機身高度一體化的設計，其在美國的F-22戰機上已實現裝機應用（F119發動機）。

氣動矢量技術是依靠二次流注入使噴管主流發生偏轉從而形成推力矢量的技術，主要針對未來高推重比發動機排氣系統，具有重量輕、零件數量少等特點，目前仍處於預研階段。

尾噴管的結構和材料

一般尾噴管的入口溫度為550至850攝氏度，如果之前經過加力燃燒室，則入口溫度可高達1500攝氏度。因此，為避免變形和開裂，採用合適的材料和結構進行尾噴管的設計是十分必要的。

考慮到尾噴管必須承受高溫氣流，尾噴管的材料多選為鎳或鈦。同時，尾噴管設計時還應盡量避免噴管中高溫向周圍飛機機體的熱傳導。通常設計時會在噴管外布設通風氣流，或者在噴管壁增設隔熱毯。隔熱毯一般由兩層構成：內層為纖維化隔熱材料，外層為凹坑狀不鏽鋼表皮。有時，根據需要，噴管外還會增設吸聲材料以降低雜訊。

尾噴管上溫度變化劇烈，因此安裝時其各個部件間要留有餘地，使得結構發生膨脹或者收縮時不產生變形或損傷。

總結來看，尾噴管對於發動機起著重要的作用，主要概括為兩點：以最小的總壓損失把氣流加速到很高的速度和使氣流出口壓力儘可能接近外界大氣壓力。根據發動機、飛機和任務的綜合要求及適當權衡分析可以選擇適當的噴管類型。隨著飛機、發動機的不斷發展和對現代作戰及民航運輸的更高要求，對於尾噴管也提出了更多的挑戰，推力矢量噴管技術、撥瓣混合器、鋸齒形噴口等隱身降噪技術、尾噴管與飛機後體一體化技術等作為新一代噴管的新興技術問題得以重視和應用，尾噴管和發動機/飛機的性能關係也變得越來越密切。

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