葉柵參數(shù)對反推力裝置氣動性能影響規(guī)律

單 勇 ，沈錫鋼 ，張靖周 ，尚守堂 ，邵萬仁

（1.南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，南京 210016；2.沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所，沈陽 110015）

20世紀(jì)80年代以來，大型飛機普遍采用較大涵道比（涵道比在5～9之間）的渦扇發(fā)動機作為動力，與之相對應(yīng)的反推力裝置主要為利用外涵氣流的葉柵式反推力裝置，由反推力導(dǎo)流葉柵、葉柵蓋和阻流門組成。反推力裝置開啟后，整流罩向后移動露出葉柵通道，阻流門擋住向后流動的發(fā)動機外涵道氣流，使其折入導(dǎo)流葉柵通道中定向向前流出，從而形成反推力。葉柵式反推力裝置結(jié)構(gòu)緊湊，反推力的產(chǎn)生比較平穩(wěn)，其反推力高達發(fā)動機最大推力的60%～70%。因此在B747、B767和B777等一系列大型飛機中得到了廣泛應(yīng)用[1－6]。導(dǎo)流葉柵是反推力裝置中的重要核心部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變不僅對氣動性能產(chǎn)生直接影響，而且可能間接造成反推力氣流再吸入發(fā)動機的不良影響。因此，葉柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對反推力性能影響規(guī)律的研究是提高反推力裝置整體性能的第一步。

在國外少有的文獻報道[7]中，介紹了葉柵式反推力裝置在冷態(tài)流場下的模型實驗，揭示了葉片稠度、葉型、阻塞比、落壓比等結(jié)構(gòu)和氣動參數(shù)對反推力性能的影響規(guī)律。但是該實驗的研究對象是早期的軍用噴氣式發(fā)動機反推力裝置，對大涵道比渦扇發(fā)動機葉柵結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究工作僅可提供參考。

本文以國外某型葉柵式反推力裝置為原型，在保持其外涵通道、阻流門、移動外罩、短艙等結(jié)構(gòu)尺寸不變的情況下，通過改變?nèi)~柵進入角、出流角、稠度、風(fēng)扇壓比等氣動和結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得葉柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對反推力裝置氣動性能（反推力大小、流量系數(shù)、總壓恢復(fù)系數(shù)等）的影響規(guī)律，為后續(xù)的葉柵結(jié)構(gòu)尺寸工程設(shè)計提供依據(jù)。

1 數(shù)值研究

1.1 計算模型

葉柵式反推力裝置計算模型如圖1所示。發(fā)動機外涵正向排氣通道被阻流門封閉，葉柵通道開啟。整個計算模型由發(fā)動機短艙、葉柵、阻流門和外場組成。

葉柵葉片結(jié)構(gòu)如圖2所示，其幾何特征可以用以下幾個參數(shù)和符號來描述：葉柵通道在垂直方向的高度c、葉片間距s、氣流進入角 β1、氣流出流角 β2、葉片稠度 c/s。本文中，保持葉片的高度不變（c=54 mm）。

1.2 網(wǎng)格劃分

對于反推力裝置數(shù)值模擬這個具體問題，流動狀況最為復(fù)雜的部分在葉柵通道內(nèi)和其進、出口位置。因此，本文就葉柵通道內(nèi)的網(wǎng)格采用逐步加密的方法進行了網(wǎng)格實驗，獲得了圖3所示的反推力值與網(wǎng)格間距大小之間的關(guān)系。葉柵式反推力裝置所產(chǎn)生的軸向（或水平）反推力可以用公式FR=mVx表示，其中，m和Vx分別表示葉柵通道出口質(zhì)量流量和軸向速度分量。按該公式對9個不同網(wǎng)格密度的算例在葉柵通道出口進行積分。圖3中，橫坐標(biāo)表示葉柵通道內(nèi)的網(wǎng)格間距與葉柵幾何尺寸的比值，隨著葉柵通道內(nèi)網(wǎng)格的增加，即比值越小，反推力計算值呈先急劇增加后慢慢變緩，最終基本不變的趨勢。

綜合考慮計算準(zhǔn)確性和網(wǎng)格數(shù)量，本文認(rèn)為將葉柵通道內(nèi)的網(wǎng)格單元尺寸與葉柵尺度的比例控制在0.02左右適合葉柵式反推力裝置流場的數(shù)值模擬。

1.3 湍流模型實驗驗證

鑒于國內(nèi)還未曾開展過葉柵式反推力裝置模型的實驗工作，本文采用國外文獻[7]中的模型結(jié)構(gòu)和實驗數(shù)據(jù)對不同湍流模型的計算結(jié)果進行了比較。文獻中提出了衡量反推性能的參數(shù)是單位質(zhì)量反推力比，用公式表達為：η0=（FR/mR）/（Ff/mf）。其中，F(xiàn)和m表示推力和氣流質(zhì)量流量；下標(biāo)R和f分別表示反推力狀態(tài)和正推力狀態(tài)。

圖4是采用不同湍流模型對單位質(zhì)量反推力比的數(shù)值預(yù)測結(jié)果。圖4中，橫坐標(biāo)為落壓比（NPR），即發(fā)動機外涵風(fēng)扇出口壓力與外界環(huán)境壓力之比值。首先，kω和Realzable k-ε湍流模型的數(shù)值預(yù)測結(jié)果與實驗測量變化規(guī)律一致，即隨著落壓比的增加單位質(zhì)量反推力比增加。相比而言，k-ω的計算值與實驗最為接近，最大誤差在8.2%以下，高落壓比時的誤差相對更小。

2 反推力裝置氣動性能分析

2.1 葉片進入角和出流角對氣動性能的影響

外涵道氣流被阻流門阻擋經(jīng)葉柵通道折轉(zhuǎn)后向發(fā)動機前向排出，如圖5所示，在每個葉片的葉盆處都產(chǎn)生一個低速旋渦區(qū)域，而在葉背處氣體加速運動。氣流排出的角度基本與葉片出流角度一致。說明出流角度的大小直接關(guān)系到反推力水平分量的大小，即角度越大產(chǎn)生的有效反推力值越大。但過大的出流角度必會造成反推力氣流在向前運動過程中附壁、甚至被發(fā)動機的風(fēng)扇反吸入，圖6表現(xiàn)出這一現(xiàn)象。

進入角的變化同樣會對葉柵通道內(nèi)的流場產(chǎn)生影響，如圖7所示，對于90°的進入角，外涵道氣流好像還沒有充分的適應(yīng)葉柵通道的折轉(zhuǎn)就沖進通道內(nèi)，尤其是前幾排葉片，會在葉片的葉背處產(chǎn)生大面積的低速區(qū)，但是葉盆內(nèi)的低速旋渦都消除了。

以上分析了進入角90°和出流角140°兩種極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)。其他參數(shù)范圍內(nèi)水平方向的反推力值變化規(guī)律如圖8所示，進入角從35°改變到54°，反推力大小有較大增幅；繼續(xù)增加到90°的過程中，反推力增加趨勢緩慢。這是因為進入角的增加，葉盆處的旋渦作用減弱，但過大的進入角會導(dǎo)致葉背處的氣流失速。在不同進入角度下，隨著出流角的增加反推力都呈增加趨勢，且反推力與角度間基本呈線性變化。

對于葉柵式反推力裝置，評價其氣動性能的參數(shù)有葉柵通道的流量系數(shù)和總壓恢復(fù)系數(shù)這兩個重要性能指標(biāo)。流量系數(shù)表示葉柵通道的流通能力，定義為：Cd=wp/wi，式中wp是實際流通的流量；wi是通過一維等熵公式計算的理論流量，可表示為wi=A為葉柵通道的實際流通面積，P*為葉柵通道入口前的平均總壓，P為葉柵通道出口處的平均靜壓?？倝夯謴?fù)系數(shù)定義為式中下標(biāo)in表示葉柵通道入口，out表示葉柵通道出口。用這樣一個參數(shù)可以間接地衡量流動摻混過程的壓力損失。

圖9是葉片進入角和出流角對流量系數(shù)的影響。出流角度對流量系數(shù)影響不大，這是因為決定葉柵通道流通能力的實際流通最小截面積在通道入口處。也就是葉片的進入角度確定了葉柵內(nèi)流體通過的實際面積。隨著進入角度的增加，實際流通面積增加，而實際流過的氣流質(zhì)量流量并沒有大幅度提高，因此造成進入角越大流量系數(shù)越小的趨勢。

圖10是葉片進入角和出流角對總壓恢復(fù)系數(shù)的影響。在本文研究的參數(shù)范圍內(nèi)，葉柵通道的總壓恢復(fù)系數(shù)在0.83～0.9之間。隨著出流角度的增加，總壓恢復(fù)系數(shù)略微提高；進入角度在54°～70°范圍內(nèi)變化時，其對總壓恢復(fù)系數(shù)的影響也甚微，但是進入角35°和90°之間的變化卻達到6%以上。

2.2 葉柵稠度對氣動性能的影響

當(dāng)葉柵的稠度減小時，如圖11所示，葉盆內(nèi)的低速旋渦區(qū)域面積增加，更為突出的是通道出口葉背上產(chǎn)生了不利的低速區(qū)，這時的氣流排氣角度與葉片幾何出流角度不一致。也就是氣流實際排氣角度小于幾何角度120°，反推力的水平分量減小，造成反推力性能的降低。因此，在不同出流角度下，有效的反推力值都有所下降，如圖12所示。例如：稠度1.0的反推力要比稠度1.3的下降15%左右。

可以想象，當(dāng)稠度增加到一定程度，葉片對氣流起到很好的導(dǎo)流作用，氣流完全按著出流幾何角度排出，這時繼續(xù)增加稠度只會帶來增加葉柵重量的負(fù)面影響。這一點從圖12中即可看出：稠度1.3和稠度1.6所表現(xiàn)的反推力值大小基本相同，且隨出流角度的變化規(guī)律完全一致。

稠度增加使葉柵的導(dǎo)流能力增強，但是葉片相對數(shù)目的增加會讓流體的實際流通能力削弱以及壁面摩擦等造成的損失相應(yīng)增加。圖13和圖14表明：葉片稠度增加，流量系數(shù)呈等比例減小趨勢，稠度增加30%，流量系數(shù)降低1.6%；隨出流角度的增加，流量系數(shù)呈拋物線狀下降；葉片稠度的增加，總壓恢復(fù)系數(shù)降低，稠度1.0和1.3的差別很明顯。

2.3 風(fēng)扇壓比對氣動性能的影響

圖15、圖16分別是風(fēng)扇壓比（FPR）1.6和1.8下的速度場分布狀況，葉柵通道內(nèi)流體流動情況基本相同。一方面，壓力提高后外涵通道內(nèi)的最大速度和反推力氣流的最大速度都提高了，反推力氣流流動方向基本相同；另一方面，流出葉柵通道的反推力氣流質(zhì)量流量增加了（FPR為1.4、1.6、1.8時分別對應(yīng)的質(zhì)量流量為 82.58、96.84、109.0 kg/s）。因此，水平方向的反推力值必然隨著風(fēng)扇壓比的增加而提高。

圖17中可定量分析不同風(fēng)扇壓比和出流角度對反推力值的影響。出流角在120°～140°變化范圍內(nèi)，風(fēng)扇壓比從1.4增加到1.6后，反推力增加32%～40%不等；風(fēng)扇壓比增加到1.8，反推力又增加34%～40%。不同風(fēng)扇壓比下的反推力值都隨著出流角度的增加而提高，但各自提高的速度不同，高風(fēng)扇壓比的情況會提高的快一些，對應(yīng)于圖17就是三條線斜率的大小。

圖18、圖19是在不同葉片參數(shù)下風(fēng)扇壓比對流量系數(shù)和總壓恢復(fù)系數(shù)的影響。風(fēng)扇壓比的提高，流量系數(shù)和總壓恢復(fù)系數(shù)都有較大幅度的降低。

3 結(jié)語

本文針對葉柵式反推力裝置，開展了葉柵結(jié)構(gòu)參數(shù)對反推力和氣動性能影響的數(shù)值研究工作，得到以下幾點結(jié)論：

1）k-ω湍流模型適合葉柵式反推力裝置的數(shù)值模擬，反推力預(yù)測值與實驗值最大相差8.2%。

2）在本研究的參數(shù)范圍內(nèi)，葉柵葉片進入角的增加會導(dǎo)致反推力值先急速增加后趨緩，而流量系數(shù)減小，為此在設(shè)計葉柵進入角度時必須對此進行評估和折衷處理；隨著出流角的增加反推力值都呈增加趨勢，反推力大小與出流角度間基本呈線性變化，而流量系數(shù)基本不變，但出流角度增大到一定數(shù)值時，反推力氣流會附壁造成推力損失。在本研究的參數(shù)范圍內(nèi)，葉片進入角54°和出流角135°的綜合氣動性能最優(yōu)。

3）葉片稠度增加，流量系數(shù)呈等比例減小趨勢，總壓恢復(fù)系數(shù)降低。稠度1.3的葉柵幾何結(jié)構(gòu)綜合氣動性能最優(yōu)。

4）在葉柵結(jié)構(gòu)不變的條件下，反推力值隨著風(fēng)扇壓比的增加而提高，但是流量系數(shù)和總壓恢復(fù)系數(shù)都降低，反推力氣流流動方向基本不變。

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