航空发动机的喷管工作原理及分类
航空发动机的喷管工作原理及分类
摘要：本文对喷管的作用及其原理进行了分析，除了比较常见的拉瓦尔喷管和亚声速喷管，本文还着重分析介绍了其他形式的喷管。例如降噪喷管、推力矢量喷管、引射喷管等。
关键词：拉瓦尔喷管；降噪喷管；引射喷管
喷管是涡喷和涡扇发动机排气系统的主要部件，其功用有两个方面，一是使高温、高压燃气的总焓有效地转化为燃气的动能；二是根据需要来改变发动机的工作状态以及改变推力的方向和大小。混合器是混合排气式涡扇发动机所特有的部件，其功能是实现内外涵道气流的高效混合，为后续的加力燃烧室和喷管提供尽可能均匀的进气条件。
1 发动机对排气系统的要求及喷管的类型
1.1对排气系统的要求
为获得良好的发动机整机性能，对排气系统的要求主要有：
（1）在各种飞行条件和发动机工作状态下，都能以最小的损失将燃气的焓转变为气体  的动能。
（2）根据飞行需要有效地调节发动机的工作状态，并且外部阻力要小。
（3）有效地控制发动机推力的矢量（方向），满足垂直/短距起飞和高机动性能要求。
（4）能有效地抑制噪音和红外线辐射。
（5）结构简单，可靠性高，维修方便，寿命长。
1.2喷管的类型
对喷管的分类有多种方法。例如，根据设计状态下燃气在喷管中的膨胀程度，可分为亚声速喷管和超声速喷管两大类。若根据喷管的几何尺寸是否可调，也可分为固定式喷管和可调式喷管。若根据喷管的排气方向是否变化，有直喷式、反推式和推力矢量式喷管。
亚声速喷管的流道为收敛形。它又包括几何固定式和几何可调式（主要是出口截面积可调）两种，分别称为固定式收敛喷管和可调式收敛喷管。超声速喷管的流道为收敛-扩散形，
又称为拉瓦尔喷管。收敛-扩散形喷管也分为固定式和可调式两种，其中可调式指的是喷管的最小截面积（又称为喉道面积）和出口截面积均可调节。除了收敛-扩散形喷管外，超声速喷管还有引射喷管、中心锥体式喷管等。
收敛形喷管和收敛-扩散形喷管一般都是轴对称的三维结构喷管。但由于未来先进军用战斗机对机动性和隐身性能的需要，也有非轴对称喷管和二维结构喷管得到应用。航空发动机原理
2 亚声速喷管和拉瓦尔喷管
2.1收敛型喷管
收敛形喷管是亚声速喷管的主要形式。燃气进入喷管后，在其收敛形通道内膨胀加速，  静压、静温降低，速度增大。但是，因为燃气在收敛形管道中所能达到的最大速度为当地声速（即马赫数为 1.0），所以燃气在收敛形喷管中的膨胀程度是有限的。而在发动机工作中，燃气所具有的膨胀能力是变化的，因此，收敛形喷管会出现不同的工作状态，其参数的计算也随之不同。
2.2拉瓦尔喷管
空拉瓦尔喷管（收敛-扩散形喷管）是超声速喷管的典型形式。燃气进入喷管后，在其收敛-扩散形通道内膨胀加速，静压、静温降低，速度增大。虽然从原理上说燃气在拉瓦尔喷管中能够加速至超声速，但是，还必须要满足一定的压力比条件。因此，在发动机工作中随着燃气可用压力比的变化，拉瓦尔喷管也会出现不同的工作状态，其参数的计算也随之不同。
3 其他形式的喷管
3.1大涵道比发动机用的降噪喷管
民航机用大涵道比发动机为了满足更加严格的对起降噪声的环保要求，都采用了新式的降噪喷管。例如：
（1）chevron 喷管
分开排气涡扇发动机采用 chevron 喷管。这种喷管是将喷管出口做成锯齿形状，使得内、外涵气流在排出时产生沿流向的旋涡，加强排出气流与周围大气的快速掺混，改变湍流结构，减小排气噪声。目前这种喷管得到了较广的应用。
（2）整体式喷管
这种喷管首先在 RB211-535E4 发动机上采用，它类似于小涵道比涡扇发动机的混合排气方式，外涵冷气流由四周先流向中心，与由内涵流出的燃气掺混后，再由喷口流出。内外涵气流混合采用了梅花瓣式的掺混器。这种整体式喷管又叫做长涵道混合流（LDMF）喷管，具有推进效率高、耗油率低、噪声低以及开反推装置时反推力大，并能提高风扇效率等优点，因而为以后的一些发动机采用。采用整体式喷管后，虽可降低耗油率，但发动机重量也有增加，因此，在长航程的飞机上才显示出优越性。
3.2反推装置
大型民航飞机和军用运输机为了在着陆滑跑过程中缩短滑跑距离，多采用反推装置， 为飞机提供一个反向的推力。反推装置的工作原理就是使发动机的排气方向实现反向并利用发动机自身的动力产生一个减速力。例如，使排气流转向约 45°角（向前方向），可使约 50%的最大正推力实现反向，可使飞机的着陆距离缩短约 25～28%，同时还降低了机轮刹车使用的严酷度，并附带节省了刹车系统的维修成本。对于在湿跑道、道面结冰的跑道或积雪的跑道上着陆，使用反推装置也比仅使用刹车要有效和安全得多。目前使用的反推装
置.
（1）内涵反推装置
内涵反推装置主要有蛤壳门式和戽斗式两种，主要用在老式涡喷发动机和低涵道比的涡扇发动机上。由于内涵道的反推装置处于高温燃气的包围中，工作条件恶劣，寿命短， 在现代大涵道比涡扇发动机上已很少采用。
蛤壳门式反推装置位于尾喷口之前，由两扇蛤壳式反推力门、壳体、转向出口、出口叶栅和操纵机构组成。反推装置工作时，两扇反推力门关闭，迫使气流折转分别通过上、下转向出口，从出口叶栅向斜前方流出，从而产生反推力。
戽斗式反推装置位于喷管之后，当反推装置工作时，液压作动器将上下（或左右）两个戽斗相对旋转，插入到排气气流之中，阻止气流向后流动，向斜前方转向，产生所需的反向推力。
（2）外涵道反推装置
外涵道反推装置是目前大涵道比涡扇发动机中的主要应用形式。该类反推装置是在风扇后的外涵通道中装有多块导流叶栅板，外部罩有一个可前后移动的整流罩，内有可折叠的堵塞片。当反推装置工作时，整流罩后移，打开了叶栅的出口，与此同时，堵塞片向后折叠将通道堵住，气流则经叶栅折向斜前方流出，产生反推力。
3.3引射喷管
引射喷管是由一个可调的收敛形喷管（称为主喷管）和一个同心的外套管组成。由主喷管喷出的高压燃气称为主流，由外套管中引入的二股气流称为次流。
当收敛形主喷管为超临界工作状态时，主流从主喷管流出后在周围的亚声速次流中继续膨胀，形成了流体壁面（即主流与次流的分界面），这样就形成了一个扩散段为流体壁面的收敛-扩散形喷管，使主流以超声速从外套中排出。因为次流往主流区流动时，对主流起着气垫作用，因此对主流的膨胀有约束作用。随着次流流量的不同，主流的膨胀程度也相应变化。所以，控制次流流量就可以控制主流在外套管中的膨胀情况，因而可对喷管起到自动调节作用。引射喷管结构简单，重量轻，性能较好，并且能为发动机提供 足够的冷却气流，因而在推进系统中得到了应用。
结语
随着航空发动机的不断更新，喷管的类型也在不断的更新换代。人们不断提高发动机的性能，拓展发动机的使用范围，对喷管提出了更高的要求。目前乃至以后很长一段时间里，喷管仍然是航空器发展研究过程中的重要部件。所以，探究喷管工作机理对航空发动机的发展和人类航空进步有着重要的意义。
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