史經(jīng)緯，王占學(xué)，張曉博，劉增文

（西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西 西安 710072）

0 引 言

隨著大型飛機(jī)運(yùn)輸能力需求的不斷提高，用于大型飛機(jī)可靠、高效的大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)反推技術(shù)成為急需解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，機(jī)械式反推仍是實(shí)現(xiàn)反推的主要途徑，包括抓斗式、折流板式和葉柵式等形式［1－6］。由于機(jī)械式反推裝置存在質(zhì)量重、運(yùn)動(dòng)部件多、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、密封性要求高等缺點(diǎn)［7－9］，近年來國外眾多研究機(jī)構(gòu)逐漸將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的流動(dòng)控制式反推技術(shù)。吸取流動(dòng)控制領(lǐng)域的技術(shù)成果，提出基于二次流噴射控制的反推技術(shù)，即無阻流板式葉柵反推［10］。利用高壓二次氣流在特定位置，以一定的角度噴射入外涵道，以改變涵道中氣流方向，使其進(jìn)入反推窗口的葉柵通道，偏轉(zhuǎn)的氣流逆向（向前）噴出從而產(chǎn)生反向推力。該技術(shù)降低了機(jī)械復(fù)雜性、減輕了裝置的重量對(duì)于大型飛機(jī)具有廣闊的應(yīng)用前景。

無阻流板式葉柵反推概念始于20世紀(jì)90年代，Gilbert B等人驗(yàn)證了無阻流板式葉柵反推概念的可實(shí)施性［11］，Marconi F等人采用數(shù)值模擬的手段完成了無阻流板式葉柵反推的部分氣動(dòng)幾何參數(shù)的影響研究［12］，NASA Langley研究中心 Asbury S C等人提出六種新概念反推技術(shù)，將無阻流板式葉柵反推作為一種重要研究?jī)?nèi)容，并完成了部分工況下反推的測(cè)力試驗(yàn)。鑒于流體反推力技術(shù)研究的重要性及國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的研究較少且尚不完備［14－16］，本研究從基礎(chǔ)機(jī)理驗(yàn)證試驗(yàn)的角度出發(fā)，以無阻流板式葉柵反推裝置為研究對(duì)象，對(duì)基于二次流噴射控制推力反向的技術(shù)進(jìn)行了研究，詳細(xì)地分析了風(fēng)扇出口壓比、二次流壓比、二次流噴射位置及噴射角度等氣動(dòng)參數(shù)的變化對(duì)反推性能的影響。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.1 無阻流板式葉柵反推結(jié)構(gòu)

本研究中無阻流板式葉柵反推結(jié)構(gòu)見圖1，該模型通道基于某型發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道模型，為1∶10縮比模型。其中二次射流孔位于底板，射孔寬度為0.72mm，射孔位置分別為：38.77mm、58.77mm、78.77mm、98.77mm、118.77mm，為研究不同射流角度對(duì)反推性能的影響，射流角度分為30°、45°、60°、90°。三排等厚度葉柵形成四通道反推窗口，寬度為36.15mm。外涵通道喉部位置位于x＝170.6mm處，喉部高度21.78mm。涵道出口高度28.24mm，氣流經(jīng)此排入大氣。

圖1 無阻流板式葉柵反推裝置的幾何結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Geometry of lockerless cascade thrust reverser

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及原理

本試驗(yàn)在跨／超聲速葉柵試驗(yàn)器上完成，試驗(yàn)臺(tái)架示意圖如圖2，試驗(yàn)氣流在反推裝置中的流動(dòng)情況見圖3。主、次流分別由低、高壓氣源提供，進(jìn)行冷態(tài)地面試驗(yàn)。試驗(yàn)件主流管路包括閘閥、調(diào)節(jié)閥、噴管流量測(cè)量計(jì)（量程為0.6～2.6kg／s），次流流路包括閘閥、主調(diào)節(jié)閥、精細(xì)調(diào)節(jié)閥（為保證次流調(diào)節(jié)精度）、噴管流量計(jì)（量程為0.06～0.24kg／s）以及穩(wěn)壓箱。在試驗(yàn)前首先采用標(biāo)準(zhǔn)亞聲速噴管流量計(jì)對(duì)主、次流噴管流量計(jì)進(jìn)行了校驗(yàn)，各流量計(jì)測(cè)量精度優(yōu)于1%。壓力測(cè)量采用PSI電子掃描測(cè)壓閥測(cè)量，各測(cè)量通道總不確定度小于0.3%（不同量程），溫度測(cè)量采用Pt100電阻溫度計(jì)，總測(cè)量不確定度為0.79%。

圖2 雙流路試驗(yàn)臺(tái)架Fig.2 Dual－flow simulation system

圖3 試驗(yàn)氣流在反推裝置中的流動(dòng)情況Fig.3 Flow－distribution of experimental blockerless cascade reverser mode

主、次流流量分別由對(duì)應(yīng)噴管流量計(jì)測(cè)得，對(duì)于出口流量，采用探針測(cè)量校準(zhǔn)方式獲得探針－流量校準(zhǔn)曲線，通過測(cè)量壓力反算出口流量，運(yùn)用流量平衡算出反推葉柵窗口出口氣流量。

1.3 試驗(yàn)工況

本試驗(yàn)主要目的是研究不同幾何、氣動(dòng)參數(shù)對(duì)無阻流板式葉柵反推性能的影響，分別針對(duì)不同風(fēng)扇出口壓比FPR（風(fēng)扇出口總壓與周圍大氣壓力之比）、二次流壓比SPR（二次流總壓與周圍大氣壓力之比）、二次流噴射位置Xj、二次流噴射角度θ（二次流噴射方向與逆風(fēng)扇氣流方向的夾角）等因素進(jìn)行了試驗(yàn)，并研究了參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，試驗(yàn)中所研究各參數(shù)的取值如下：

風(fēng)扇進(jìn)口壓比FPR：1.3、1.4、1.5、1.6、1.7；

二次流壓比SPR：1.0、2.0、4.0、6.0；

噴射位置Xj：38.77mm、58.77mm、78.77mm、98.77mm、118.77mm；

噴射角度θ：30°、45°、60°、90°。

試驗(yàn)完成了上述各狀態(tài)下主次流、出口流量測(cè)量以及各工況下對(duì)應(yīng)的反推性能的分析。

1.4 參數(shù)計(jì)算

無阻流板式葉柵反推效率：

其中Frev為反向推力、Ffan為風(fēng)扇外涵道推力。由于所搭建葉柵試驗(yàn)臺(tái)架無測(cè)力天平，本文采用反推流量比CFR（流經(jīng)反推窗口的流量與風(fēng)扇總流量之比）來表征反推效率，即：

并以二次流與風(fēng)扇主流流量之比SFR作為衡量采用次流控制主流偏轉(zhuǎn)技術(shù)的指標(biāo)：

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 風(fēng)扇出口壓比（FPR）對(duì)反推性能的影響

研究了二次流噴射角度θ為30°、二次流噴射位置Xj＝38.77mm時(shí)，不同二次流噴射壓比（SPR）下，風(fēng)扇出口壓比對(duì)反推效率的影響率。其中：

二次流噴射壓比（SPR）：2.0、4.0、6.0；

風(fēng)扇出口壓比（FPR）：1.3、1.4、1.5、1.6、1.7。

圖4給出了反推流量比（CFR）及二次流與風(fēng)扇主流流量之比（SFR）隨風(fēng)扇出口壓比的變化規(guī)律。隨著風(fēng)扇出口壓比（FPR）的提高，二次流出口背壓不斷上升，導(dǎo)致二次流與風(fēng)扇主流流量之比（SFR）減小，特別是在二次流壓比較大（SPR＝6.0）的情況下，SFR的減小更明顯，如圖4（a）。在不同二次流噴射壓比（SPR）下，反推流量比（CFR）隨著風(fēng)扇出口壓比（FPR）的變化規(guī)律相反，如圖4（b）。SPR較低時(shí)（SPR＝2），隨著FPR的增加CFR增大；在較大的SPR時(shí)（SPR＝4、6），CFR隨著FPR的增加而減小，但減小的趨勢(shì)隨FPR的增大而趨于緩慢。其原因如下，反推葉柵窗口氣流包含兩部分：二次流及風(fēng)扇涵道流。在低的二次流噴射壓比時(shí)，風(fēng)扇主流占主要部分，隨著風(fēng)扇壓比的增大，風(fēng)扇涵道氣流量增大，導(dǎo)致CFR增大；而在較高的二次流噴射壓比時(shí)，二次流流量占反推窗口流量比重較大，隨風(fēng)扇出口壓比增大，二次流噴射背壓增大，相對(duì)二次流流量減小，使得反推流量比（CFR）減小。

圖4 風(fēng)扇出口壓比對(duì)反推性能的影響Fig.4 Thrust reverser performance with different FPR

2.2 二次流壓比（SPR）對(duì)反推性能的影響

研究了二次流射流角度θ為45°、二次流噴射位置Xj＝38.77mm，不同風(fēng)扇出口壓比（FPR）下，二次流壓比（SPR）對(duì)反推效率的影響，本組試驗(yàn)各參數(shù)如下：

風(fēng)扇出口壓比（FPR）：1.3、1.5、1.7。

二次流噴射壓比（SPR）：1.0、2.0、4.0、6.0。

圖5給出了對(duì)應(yīng)工況下反推流量比（CFR）及次、主流量比（SFR）的變化規(guī)律，可以看出SPR、CFR隨著二次流壓比（SPR）增加而增大。在風(fēng)扇出口壓比為1.3時(shí)，二次流壓比對(duì)SFR、CFR影響均較為劇烈，隨著SPR的增大，SFR、CFR迅速增加。從增長(zhǎng)速率上來看，CFR增長(zhǎng)速率相對(duì)較大，一方面由于隨著SPR的增大，二次流噴射深度加大，使得二次流噴孔后形成的回流區(qū)范圍擴(kuò)大，即更大程度上阻塞了風(fēng)扇涵道流道，使得更多的風(fēng)扇主流氣體通過反推葉柵窗口流出；另一方面，隨二次流壓比增大，相對(duì)二次流氣流量增加，在回流區(qū)的堵塞情況下，一部分二次氣流也進(jìn)入反推窗口，進(jìn)而使得CFR出現(xiàn)大于1的狀況。圖中還比較清楚地反映了不同風(fēng)扇出口壓比下，CFR隨在二次流壓比的變化程度的不同，在二次流壓比小于某個(gè)值（SPR＜2.5）時(shí)，風(fēng)扇出口壓比越小，反推效果越不明顯，但當(dāng)二次流壓比超過此數(shù)值時(shí)，隨著二次流壓比的增大，大的風(fēng)扇出口壓比的反推效果反而變化較緩慢。

另外，考慮基于二次流噴射控制的反推需從核心機(jī)引入高壓氣流，因此存在引氣量的限制，必然存在一個(gè)限制SFR的閥值，該閥值的確定取決于下一步的引氣量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能的研究。

圖5 二次流壓比對(duì)反推性能的影響Fig.5 Thrust reverser performance with different SPR

2.3 射流位置（Xj）對(duì)反推性能的影響

噴射孔的位置是無阻流板式葉柵反推的一個(gè)重要幾何參數(shù)，本節(jié)，研究了相同二次流壓比（SPR）、一組風(fēng)扇壓比（FPR）下，不同二次流噴射位置對(duì)反推效率的影響，其具體氣動(dòng)、幾何參數(shù)如下：

二次流噴射壓比（SPR）：2.0、4.0；

風(fēng)扇出口壓比（FPR）：1.3、1.5、1.7；

二次流噴射角度（θ）：30°、45°、60°；

二次流噴射位置：38.77mm、58.77mm、78.77mm、98.77mm、118.77mm，下文用N1～N5分別來代替。

圖6～圖8給出了CFR、SFR隨二次流噴射位置的變化規(guī)律，從圖中可以看出，在相同的二次流射流壓比、風(fēng)扇出口壓比及噴射角度下，存在某一噴射位置，使得流經(jīng)反推葉柵窗口質(zhì)量流量比（CFR）最大，即最佳噴射位置，位于第二、三噴射位置之間（58.77mm≤Xj≤77.87mm）。并且可以得出，不同的噴射角度、二次流壓比及風(fēng)扇出口壓比時(shí)的最佳位置有所不同。

圖6 噴射位置對(duì)反推性能的影響（θ＝30°）Fig.6 Thrust reverser performance with different injection positions（θ＝30°）

圖7 噴射位置對(duì)反推性能的影響（θ＝45°）Fig.7 Thrust reverser performance with different injection positions（θ＝45°）

圖8 噴射位置對(duì)反推性能的影響（θ＝60°）Fig.8 Thrust reverser performance with different injection positions（θ＝60°）

二次流噴射位置從前向后移動(dòng)的過程中，次、主流量比SFR變化較小，主要由于風(fēng)扇涵道流道面積變化緩慢，在FPR、SPR等為定值時(shí)，風(fēng)扇涵道中靜壓變化不明顯（作為二次噴射的背壓），因此對(duì)二次流量也就無較大影響。CFR在2、3號(hào)噴射孔附近存在最大值，隨著噴射位置的的后移反推效果減弱，并且逐漸趨于平穩(wěn)，也就是說當(dāng)噴射位置超過4號(hào)位置時(shí)，已經(jīng)對(duì)流動(dòng)控制不存在明顯的影響。

2.4 射流角度（θ）對(duì)反推性能的影響

采用二次流噴射控制主流時(shí)，噴射角度是影響射入深度以及回流區(qū)大小的重要因素，本小節(jié)主要分析固定位置噴射孔（2號(hào)）、二次流壓比（SPR）下，不同風(fēng)扇出口壓比（FPR）、，噴射角度（θ）對(duì)反推性能的影響，其中主要參數(shù)如下：

二次流噴射位置（Xj）：58.77mm；

二次流噴射壓比（SPR）：2.0；

風(fēng)扇出口壓比（FPR）：1.3、1.5、1.7；

二次流噴射角度（θ）：30°、45°、60°、90°。

圖9給出了本組試驗(yàn)工況下的CFR與SFR隨噴射角度的變化。從圖中可以看出，在2號(hào)位置、次流壓比SPR＝2、不同的風(fēng)扇出口壓比FPR下，存在最佳的二次流噴射角度使得反推窗口流量與風(fēng)扇主流之比CFR達(dá)到最大值，該角度為60°。噴射角度較大或較小時(shí)，二次流在風(fēng)扇順風(fēng)或逆風(fēng)方向存在較大的動(dòng)量分量，使得二次流射入深度受到限制，即形成較小的回流區(qū)，對(duì)風(fēng)扇主流的偏轉(zhuǎn)作用減小，導(dǎo)致反推流量減小，風(fēng)扇反推效果減弱。

圖9 噴射角度對(duì)反推性能的影響Fig.9 Thrust reverser performance with different injection angels

3 結(jié) 論

本文試驗(yàn)研究了基于二次流噴射控制的無阻流板式葉柵反推的氣動(dòng)參數(shù)及噴射幾何參數(shù)對(duì)反推性能的影響，通過在不同試驗(yàn)工況下對(duì)反推流量以及噴射流量的測(cè)量，可以得出：

（1）風(fēng)扇出口壓比（FPR）、二次流噴射壓比（SPR）與反推效率的關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜。二次流壓比小于某值時(shí)，隨著風(fēng)扇出口壓比增加，反推流量比（CFR）增大；而二次流壓比超過此值時(shí)，隨風(fēng)扇出口壓比的增加CFR減小。

（2）在FPR較小的工況下，SPR越大，對(duì)反推效果影響越明顯，但是由于二次流從發(fā)動(dòng)機(jī)高壓部件引氣，因此必然存在二次流流量限制，該限制的確定仍需進(jìn)一步研究。

（3）在不同的SPR、FPR、噴射角度θ下，最佳噴射位置有所不同，但是可以確定最佳位置位于第二、三噴射孔之間，即58.77mm≤Xj≤77.87mm。

（4）本文中給出的試驗(yàn)工況下，得出最佳噴射角度θ＝60°，較大、較小的噴射角均會(huì)使得反推效果減弱。

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