拉伐爾噴管的設(shè)計(jì)

1、拉伐爾噴管的設(shè)計(jì)摘要：要：本文針對(duì)拉伐爾噴管的幾何條件和力學(xué)條件進(jìn)行了推導(dǎo)。建立了噴管截面積變化與流速、壓強(qiáng)、密度、溫度等流動(dòng)性能參數(shù)間的關(guān)系，分析了噴管出口截面下游的外界反壓對(duì)拉伐爾噴管工作過程的影響。推導(dǎo)建立了拉伐爾噴管主要性能參數(shù)的計(jì)算方法。針對(duì)實(shí)際流動(dòng)損失的存在，為得到噴管的實(shí)際流動(dòng)性能，對(duì)理論性能參數(shù)提出了修正方法。本文研究?jī)?nèi)容為拉伐爾噴管的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：變截面；力學(xué)條件；性能參數(shù)；流動(dòng)損失1引言引言拉伐爾噴管

2、是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)最常用的構(gòu)件，由兩個(gè)錐形管構(gòu)成，如圖1所示，其中一個(gè)為收縮管，另一個(gè)為擴(kuò)張管。拉瓦爾噴管是推力室的重要組成部分。噴管的前半部是由大變小向中間收縮至噴管喉部。喉部之后又由小變大向外擴(kuò)張。燃燒室中的氣體受高壓流入噴嘴的前半部，穿過喉部后由后半部逸出。這一架構(gòu)可使氣流的速度因噴截面積的變化而變化，使氣流從亞音速到音速，直至加速至超音速。所以，人們把這種噴管叫跨音速噴管。瑞典工程師DeLaval在1883年首先將它用于高

3、速汽輪機(jī)，現(xiàn)在這種噴管廣泛應(yīng)用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。圖1拉伐爾噴管結(jié)構(gòu)圖2拉伐爾噴管的幾何條件拉伐爾噴管的幾何條件21變截面一維定常等熵流動(dòng)在變截面一維定常流動(dòng)中只考慮截面積變化這一種驅(qū)動(dòng)勢(shì)，忽略摩擦、傳熱、重力等其他驅(qū)動(dòng)勢(shì)，因此流動(dòng)是絕熱無摩擦的，即等熵流動(dòng)，變截面定常等熵流動(dòng)模型如圖2所示?？刂企wpdpdxρdρVdVTdTAdApρVTA圖2變截面一維定常等熵流動(dòng)模型變截面一維定常等熵流動(dòng)的控制方程組為：(1)ConstmVA

4、????(2)0dpVdV???(3)2102dhV????????22截面積變化對(duì)流動(dòng)特性的影響管道的形狀變化可以用截面積變化dA來表示。(a)截面積變化對(duì)流速的影響對(duì)連續(xù)方程(1)取對(duì)數(shù)微分，得(1)最佳膨脹狀態(tài)eapp?氣體在噴管中得到了完全膨脹，這就是噴管的最佳膨脹狀態(tài)，又稱為設(shè)計(jì)狀態(tài)，如圖3所示。這種流動(dòng)的主要特點(diǎn)是：①噴管喉部達(dá)到了臨界狀態(tài)，出口流動(dòng)為超聲速，即Me1；②流體流出噴管后，既不膨脹，也不壓縮，而是一平行射流；③

5、由于管內(nèi)流動(dòng)為超聲速，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生微小擾動(dòng)時(shí)，擾動(dòng)的傳播速度（即聲速）小于流動(dòng)速度，擾動(dòng)不能傳進(jìn)噴管內(nèi)部，即噴管中的流動(dòng)覺察不到外界反壓的變化。出口截面進(jìn)口截面ptPe=papepepepaMae1ptpa進(jìn)口截面出口截面圖3噴管最佳膨脹時(shí)的流動(dòng)圖4欠膨脹狀態(tài)時(shí)的噴管流動(dòng)(2)欠膨脹狀態(tài)eapp?如果在最佳膨脹狀態(tài)下提高噴管進(jìn)口總壓，則出口同時(shí)增大，有。氣體0pepeapp?沒有得到完全膨脹，其能量未充分發(fā)揮，即氣體熱能沒有最大限度地

6、轉(zhuǎn)變成定向流動(dòng)動(dòng)能。這種流動(dòng)稱為欠膨脹狀態(tài)或膨脹不足狀態(tài)，如圖4所示。欠膨脹狀態(tài)流動(dòng)主要特點(diǎn)是：①噴管喉部達(dá)到了臨界狀態(tài)，出口仍為超聲速M(fèi)1；②氣體在噴管外繼續(xù)膨脹，直到壓強(qiáng)等于時(shí)為止，因此噴管出口處有一系列膨脹波；ap③噴管外的壓強(qiáng)擾動(dòng)也不能逆向傳入噴管。(3)過膨脹狀態(tài)eapp?如果在最佳膨脹狀態(tài)下減小噴管進(jìn)口總壓，則噴管出口的氣體壓強(qiáng)也將減小，即0p。氣體在噴管中作了過分的膨脹。這種流動(dòng)稱過膨脹狀態(tài)。根據(jù)小于的程度eapp?epa

7、p大小，氣體在噴管中的流動(dòng)狀態(tài)又可分為下述四種情況。①稍小于epap噴管出口的氣體流動(dòng)為超聲速。在噴管外氣體由于受到反壓的突然壓縮而產(chǎn)生不連續(xù)的壓強(qiáng)增加，形成激波。因?yàn)樯孕∮?，激波是附著在擴(kuò)張段出口截面上的激波，如epap圖5所示。氣體經(jīng)過斜激波后，壓強(qiáng)升高到。ap②比小于一定值epap隨著壓強(qiáng)差的增大，噴管外的斜激波逐漸向噴管口收攏，并最終在小于aepp?ep一定值時(shí)演變成覆蓋在噴管出口截面上的正激波，如圖6所示。氣體壓強(qiáng)經(jīng)過正激ap

8、ep波壓縮后升高到，這時(shí)的外界反壓稱為第二臨界反壓。apap③進(jìn)一步減小ep當(dāng)比小很多時(shí)，正激波從噴管出口截面向噴管內(nèi)部移動(dòng)，噴管擴(kuò)張段內(nèi)的流動(dòng)epap以正激波為分界線。激波后的流動(dòng)就是擴(kuò)張管道中的亞聲速流動(dòng)，流動(dòng)的馬赫數(shù)將逐漸減小，壓強(qiáng)逐漸升高，并在噴管出口截面升高到。ap④eapp=如果，則正激波最終移動(dòng)到喉部。此時(shí)正激波消失，流動(dòng)不再壅塞，全部噴eapp=管內(nèi)的流動(dòng)均為亞聲速流，氣體的壓強(qiáng)、流速和質(zhì)量流率都為外界反壓所控制。這種流