民用飛機反推力格柵出流模式設(shè)計與試驗

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民用飛機反推力格柵出流模式設(shè)計與試驗

Design and Test of Cascade Efflux-pattern for Civil Aircraft Thrust Reversers

胡仞與張冬云 / Hu RenyuZhang dongyun

(上海飛機設(shè)計研究院，上海201210)

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

0引言

現(xiàn)代民機在著陸滑跑或者中止起飛時，常利用發(fā)動機的反推力系統(tǒng)將部分發(fā)動機推力轉(zhuǎn)化為制動力，來減小飛機在跑道上，尤其是在濕滑跑道上的滑跑距離，提高飛機運行的安全性。渦扇發(fā)動機上常見的反推力系統(tǒng)有抓斗式反推力系統(tǒng)(Bucket-type thrust reverser)、瓣式折流門反推力系統(tǒng)(Clamshell door thrust reverser)和格柵式反推力系統(tǒng)(Cascade thrust reverser)，其中格柵式反推力系統(tǒng)(如圖1所示)由于能夠精確地控制反推氣流的方向，是當(dāng)今最主流的反推力系統(tǒng)形式，被廣泛地應(yīng)用于各種型號的大涵道比渦扇發(fā)動機上。

圖1　格柵式反推力系統(tǒng)

格柵式反推力系統(tǒng)的特點是在反推力系統(tǒng)打開后，外涵上將出現(xiàn)一組沿周向布置的格柵零件(Cascade)。如圖2所示，每一塊格柵上都有一系列外形相同的導(dǎo)流葉片，這些導(dǎo)流葉片將外涵氣流折向前方，產(chǎn)生反推力。通過調(diào)整每塊格柵上的導(dǎo)流葉片設(shè)計，就能夠?qū)χ芟蛏喜煌恢锰幍姆赐茪饬鞯姆较蜻M行控制，使其既能夠產(chǎn)生所需的制動效果，又不影響飛機和發(fā)動機的安全運行。

格柵設(shè)計時，一般先由飛機/發(fā)動機氣動集成專業(yè)的工程師定義滿足設(shè)計要求的沿發(fā)房周向的反推氣流方向分布，即出流模式(efflux-pattern)；再由專門設(shè)計格柵導(dǎo)流葉片的工程師來設(shè)計能實現(xiàn)所需出流模式的格柵葉片。由于涉及到飛機和發(fā)動機兩方面的限制和要求，出流模式是格柵氣動設(shè)計的難點所在，通常需要經(jīng)過多輪的迭代。圖3給出了某尾吊發(fā)動機的反推氣流出流模式示意圖。

圖2　典型的反推力格柵零件

圖3　某尾吊發(fā)動機的反推格柵出流模式

1反推力格柵出流模式的定義

反推力格柵的出流模式由各塊格柵上的反推氣流方向決定。而每塊格柵上的氣流方向則可以通過兩個角度來描述：軸向折流角β和周向折流角α。如圖4所示，這兩個折流角的定義是建立在格柵當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系XYZ上的。坐標(biāo)系XYZ中的X軸與發(fā)動機中心軸重合，而Z軸則與指向格柵所在周向位置的半徑重合，Y軸與其它兩軸成右手系。軸向折流角β是氣流方向在XOZ平面上的投影與Z軸的夾角，其描述了反推氣流向前偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生反推力的程度。周向折流角α是氣流方向在YOZ平面上的投影與Z軸的夾角，其作用是控制反推氣流在發(fā)動機周向上的分布，避免反推氣流直接擊中地面引起重吸入和異物吸入，或者擊中機身等機體部件，引起氣動干擾和沖擊載荷。一般來說，在發(fā)動機周向不同位置處的格柵有不同的軸向折流角β和周向折流角α，以實現(xiàn)對反推氣流的精確控制，滿足各種設(shè)計要求。因此格柵出流模式實際上是通過一組軸向折流角β和周向折流角α來定義的。

圖4　格柵折流角的定義

2反推力格柵氣動設(shè)計要求及其對出流模式設(shè)計的影響

反推力格柵作為發(fā)動機反推力系統(tǒng)中的一個重要部件，不僅決定系統(tǒng)的功效，還能對發(fā)動機的安全運行產(chǎn)生影響。因此格柵的設(shè)計，尤其是出流模式的設(shè)計需要滿足多個相互制約的設(shè)計要求。主要的設(shè)計要求可以歸結(jié)為以下3個方面。

(1)反推效率

為保證反推系統(tǒng)能夠?qū)l(fā)動機功率有效地轉(zhuǎn)換為反推制動力，減小飛機的滑跑距離，反推格柵出流模式的設(shè)計必須保證反推系統(tǒng)的效率。反推效率η一般定義為在同樣的功率下，反推構(gòu)型下外涵產(chǎn)生的推力與正推構(gòu)型下外涵產(chǎn)生的推力之比，即

η=Tfan reversed/Tfan forward

(1)

反推效率越高，則為達(dá)到一定的反推力指標(biāo)所需的發(fā)動機功率越低，有助于降低反推開啟時的噪聲和油耗。現(xiàn)代民機的反推效率一般在40%左右。

為提高反推效率，從格柵上出來的反推氣流應(yīng)盡可能的折向前方，這需要盡可能大的軸向折流角β。考慮到降低格柵葉片設(shè)計的難度，軸向折流角β一般不超過45°。

(2)重吸入特性

隨著飛機滑跑速度的不斷降低，前方來流對反推氣流的抑制作用將逐漸減弱，反推氣流向前運動的行程則不斷變大。當(dāng)速度減小到一定程度，將出現(xiàn)高溫的反推氣流被發(fā)動機重新吸入而影響發(fā)動機運行安全性的問題。由于反推系統(tǒng)必須在發(fā)動機出現(xiàn)明顯的重吸入前關(guān)閉，因此重吸入特性將決定反推系統(tǒng)的可用速度范圍和時間，從而影響滑跑距離。改善重吸入特性首先需要限制反推氣流的軸向折流角β，因為氣流向前偏折的程度越大，則向前運動的能量越大，越容易進入發(fā)動機的進氣流場。對于下單翼且翼吊布局的民機，引起重吸入的反推氣流多來自于位于發(fā)房內(nèi)側(cè)(近機身一側(cè))下半部的格柵，因此設(shè)計時需對這些格柵上的氣流軸向折流角β有嚴(yán)格的控制。其次，周向折流角α的布置，也會影響重吸入特性。重吸入通常因為反推氣流直接擊中地面或機身后發(fā)生反彈進入進氣流場而產(chǎn)生。因此對于發(fā)房底部和內(nèi)側(cè)靠近機身處的格柵，設(shè)計時應(yīng)使其能夠產(chǎn)生足夠大的周向折流角α，以引導(dǎo)反推氣流避開地面和機身。

(3)有效面積

正推力狀態(tài)時，發(fā)動機外涵噴口的面積決定風(fēng)扇系統(tǒng)的運行線(流量-增壓比曲線)在風(fēng)扇包線圖上的位置，如圖5所示，噴口面積越大，運行線離喘振邊界越遠(yuǎn)。同樣，在反推力狀態(tài)下，出于運行安全性考慮，應(yīng)使風(fēng)扇系統(tǒng)的運行線遠(yuǎn)離喘振邊界。現(xiàn)代民機反推系統(tǒng)的運行線在風(fēng)扇包線圖上的位置往往比正推運行線略低，如圖5中的典型正推運行線A3和反推運行線a3的相對位置所示。這要求在一定的增壓比下，反推外涵應(yīng)有更大的流量。

圖5　風(fēng)扇包線圖

反推系統(tǒng)打開后，外涵總流量由兩部分組成：經(jīng)過格柵的反推氣流的流量和經(jīng)過外涵噴管向后排出的流量。由于反推氣流的流量占總流量的80%以上，因此格柵設(shè)計是否滿足一定的流量要求，將在很大程度上決定發(fā)動機能否安全運行。在給定發(fā)動機功率的情況下，反推氣流的流量取決于格柵的有效面積。有效面積等于物理面積與流量系數(shù)之積，反映了氣流經(jīng)過格柵時的能量損失。一般來說，格柵產(chǎn)生的折流效果越大，氣流的能量損失越大，有效面積越小。因此從提高格柵有效面積的角度來說，應(yīng)對格柵上氣流的折流角的最大值有所限制，同時盡量避免在一塊格柵上同時有較大的軸向折流角和較大的周向折流角。

除以上3個方面的要求外，設(shè)計格柵出流模式時，還應(yīng)盡量降低反推氣流對機體氣動特性的影響，避免或減小從格柵排出的反推氣流對機體部件的沖擊和覆蓋。

3試驗驗證

完成反推系統(tǒng)的設(shè)計后，為減少全尺寸發(fā)動機試驗和飛行試驗的工作量，降低研發(fā)成本和風(fēng)險，需要進行縮比模型的地面驗證試驗。針對反推力格柵氣動設(shè)計進行驗證的縮比模型試驗主要可以分為兩類：單獨反推系統(tǒng)的靜態(tài)試驗和全機反推力風(fēng)洞試驗。

(1)單獨反推系統(tǒng)的靜態(tài)試驗

單獨反推系統(tǒng)的靜態(tài)試驗通常由動力裝置供應(yīng)商(反推系統(tǒng)的設(shè)計者)負(fù)責(zé)進行，試驗使用的模型需能夠準(zhǔn)確反映位于風(fēng)扇后的反推系統(tǒng)的各種細(xì)節(jié)，如外涵噴管，格柵和反推阻擋門(blocker doors)等。試驗?zāi)Ｐ筒坏軌蚰M完全開啟的反推系統(tǒng)，還需模擬反推系統(tǒng)部分打開的狀態(tài)，以在試驗中研究系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性。風(fēng)扇氣流由外部氣源通過連接于外涵的管路提供，試驗中無外流存在，僅模擬靜態(tài)情況下反推系統(tǒng)的運行。單獨反推系統(tǒng)試驗的目的是獲得反推系統(tǒng)的反推效率和有效面積，從動力裝置運行特性的角度來評估反推力格柵和其他反推系統(tǒng)部件的設(shè)計。

(2)全機反推力風(fēng)洞試驗

反推系統(tǒng)的重吸入特性除了取決于格柵設(shè)計外，還受到發(fā)動機在飛機上的安裝位置和離地高度的影響，因此需要進行如圖6所示的全機風(fēng)洞試驗來確定反推系統(tǒng)的重吸入特性。風(fēng)洞試驗中多采用動力模擬器(TPS單元)來模擬發(fā)動機進排氣效應(yīng)。該模擬器安裝于模擬發(fā)動機正反推構(gòu)型的縮比發(fā)房模型中。由于風(fēng)扇做功的緣故，從格柵排出的反推氣流的總溫高于來流，因此試驗中通過在發(fā)房進氣道內(nèi)安裝總溫傳感器來識別重吸入的發(fā)生，并確定重吸入開始出現(xiàn)的速度。圖7給出了一個典型的安裝總溫傳感器的帶動力發(fā)房照片。

圖6　全機反推力風(fēng)洞試驗

圖7　安裝總溫傳感器的帶動力發(fā)房

全機風(fēng)洞試驗中的另一個關(guān)注點是反推氣流對全機氣動特性的影響。由于從格柵出來的反推氣流擋住了來流，在其后形成一個動壓很低的低能區(qū)域，處于該區(qū)域內(nèi)的機體部件的阻力和控制面，如擾流板和方向舵的效率將有明顯降低。這些不利影響可能部分抵消反推系統(tǒng)的制動效果，有時甚至導(dǎo)致格柵設(shè)計方案的更改。因此全機反推力風(fēng)洞試驗為從發(fā)動機/飛機氣動干擾的角度評估反推力格柵設(shè)計創(chuàng)造了條件。風(fēng)洞試驗中為獲得反推氣流對機體特性的影響量，需在實測數(shù)據(jù)中扣除反推力，因此在正式使用開始前，會選擇一個較小的風(fēng)洞中對正反推構(gòu)型的帶動力發(fā)房的推力進行校準(zhǔn)。

4結(jié)論

反推力格柵出流模式設(shè)計實質(zhì)上是定義各塊格柵上氣流的軸向折流角β和周向折流角α，折流角的選擇需要同時考慮反推效率、重吸入特性以及有效面積方面的要求，還要兼顧反推氣流對飛機氣動特性的影響。這些設(shè)計要求對格柵出流模式的要求通常互相矛盾，需要綜合考慮。為降低研發(fā)風(fēng)險，完成格柵出流模式設(shè)計后，需要進行驗證性試驗，包括單獨反推系統(tǒng)的靜態(tài)試驗和全機反推力風(fēng)洞試驗。單獨反推系統(tǒng)試驗主要從動力裝置運行特性的角度考察格柵設(shè)計方案是否滿足設(shè)計要求，例如反推效率和有效面積方面的要求，而全機風(fēng)洞試驗則為研究安裝后的發(fā)動機重吸入特性和發(fā)動機/飛機的氣動干擾提供了條件。

參考文獻：

[1]Burgsmuller W，Castan C，Hoheisel H，Kooi J W. Preparation and use of TPS-Technique for low speed investigations on transport aircraft[R].International Forum on Turbine Powered Simulation, 1995.

[2]OBERT E. Aerodynamic design of transport aircraft[M]. Pulish by IOS Press under the imprint Delft University Press.

摘要：

通過給定各塊格柵上氣流的折流角，反推力格柵出流模式描述了反推氣流方向沿發(fā)房周向的分布。出流模式的定義需要考慮使反推系統(tǒng)滿足反推效率，重吸入特性和有效面積方面的要求，還應(yīng)使反推氣流對機體氣動特性的影響最小化。格柵出流模式設(shè)計是否滿足反推效率和有效面積的要求，可由單獨反推系統(tǒng)的靜態(tài)試驗來進行驗證，而重吸入特性和發(fā)動機/飛機氣動干擾則必須通過全機反推力風(fēng)洞試驗來進行考察。

關(guān)鍵詞：反推力系統(tǒng)；格柵；出流模式

[Abstract]By defining the deflection angles of exhaust flow on each cascades, efflux-pattern describes the circumferential distribution of the exhaust flow from the thrust reverser around a nacelle. The determination of the efflux pattern must take into account the requirements for efficiency, re-ingestion characteristics and effective area, as well as the impact imposed by the exhaust flow on the aircraft aerodynamic characteristics. Whether or not certain efflux design provides sufficient thrust efficiency and effective area can be evaluated by separate thrust reverser static test while re-ingestion characteristics and engine/aircraft aerodynamic interference can only be studied in an installed wind tunnel test.

[Key words]thrust reverser；cascade；efflux-pattern

中圖分類號：V211.74

文獻標(biāo)識碼：A