噴射飛機引擎上的排氣錐(CONE)有什麼作用?
整個排氣系統的構造:排氣箱、排氣錐體(或尾錐體)及其幾何形狀,受氣體動力學原理和滿足法規(特別是 噪音法規)的需要控制。
廢氣離開渦輪機後剩餘的能量可用於產生推力。事實上,在早期的噴射發動機中,這是產生推力的唯一方法。
去做這個; 排氣系統中的部件必須 矯直 並 加速 氣流。
在花費了所有金錢、時間和精力來設計引擎的其餘部分之後,排氣裝置達到了頂峰:引擎會產生可能的絕對最大推力嗎?
只有採用已知的熱氣動力學原理設計的噴嘴才能為您提供最大可能的推力。
氣體離開渦輪機後,流經排氣錐體和排氣管或尾管之間形成的管道。根據飛機的設計,排氣可以是: 發散式、 收斂式 或 收斂-發散式。
↑收斂式排氣管。排氣錐體與排氣管之間形成會聚排氣管。排氣錐體是固定圓錐形假體,其中心位於緊鄰最後一級渦輪葉輪後方的排氣流中。
↑收斂-發散排氣管,顯示「阻塞」噴嘴,透過增加廢氣加速度而導致推力增加。氣體離開渦輪部分,以亞音速進入噴嘴的收斂部分。它們的速度隨著管道變小而增加,直到它們在最窄點達到聲速,在最窄點形成衝擊波並防止進一步加速。氣體以音速離開最窄點,隨著管道面積的增加,它們加速到更高的超音速。CD噴嘴的好處隨著飛機飛行馬赫數的增加而增加。
大多數引擎都有一個排氣收集器,排氣錐前端和尾管之間有支柱,以支撐後渦輪軸承並矯直氣流。當氣體流經排氣錐體和排氣管之間的會聚管道時,它們被加速並以最高的實際速度離開排氣噴嘴。
↑廢氣收集及排放系統施工詳圖
這種速度就是早期噴射引擎產生巨大噪音的原因。
尾管末端的開口稱為排氣噴嘴,或噴射噴嘴。其出口面積至關重要,因為它決定了氣體離開引擎時的速度。
大多數渦輪噴射發動機和早期低涵道比渦輪風扇發動機上的噴嘴都有一個區域,通常會導致它們在 阻塞條件下運行。當氣體到達尾管末端時,它們已經加速到音速,並且無法進一步加速。原本會轉換為速度的剩餘能量現在轉換為噴嘴兩端的壓力差。這種差異會產生推力的小幅增加。這種情況很快就會在燃料消耗方面變得不經濟。引擎內的溫度也會顯著升高。
現代高旁通渦輪風扇發動機排氣噴嘴僅在無阻塞條件下工作。
↑第一台大型高涵道比引擎的複雜尾錐形狀:第一架波音 747 上的普惠 JT9D。這種「可樂瓶」形狀是由空氣動力學性能和噪音考慮決定的。
考慮到當今環境污染和降噪已成為引擎設計中非常重要的方面,較高的熱排氣氣流速度是不可取的。渦輪機部分出口處的氣體參數和流動直徑的調節方式是,在出口直徑處, 核心排氣路徑壓力降低至環境壓力 , 熱氣體的最大速度永遠不會高於聲速。由於溫差,熱廢氣的聲速高於環境空氣的聲速。這種現象使得排氣不阻塞的飛機能夠以高達 1.5 馬赫(跨音速)的速度飛行。
渦輪風扇發動機從廢氣中提取更多的能量來驅動風扇,並且其廢氣速度比同等功率的渦輪噴氣發動機低。由於這些原因,渦輪風扇發動機不會產生足夠的噪音,因此在熱氣體排氣端需要噪音抑制器。(一些引擎現在開始在風扇出口安裝噪音抑制器。)
↑工程成果:透過設計抑制噪音!(EPNdB 是雜訊的量測)