史经纬，王占学，张晓博，刘增文

（西北工业大学 动力与能源学院，陕西 西安 710072）

0 引 言

随着大型飞机运输能力需求的不断提高，用于大型飞机可靠、高效的大涵道比涡扇发动机反推技术成为急需解决的关键技术之一。目前，机械式反推仍是实现反推的主要途径，包括抓斗式、折流板式和叶栅式等形式［1－6］。由于机械式反推装置存在质量重、运动部件多、机构复杂、密封性要求高等缺点［7－9］，近年来国外众多研究机构逐渐将研究重点转向质量轻、结构简单的流动控制式反推技术。吸取流动控制领域的技术成果，提出基于二次流喷射控制的反推技术，即无阻流板式叶栅反推［10］。利用高压二次气流在特定位置，以一定的角度喷射入外涵道，以改变涵道中气流方向，使其进入反推窗口的叶栅通道，偏转的气流逆向（向前）喷出从而产生反向推力。该技术降低了机械复杂性、减轻了装置的重量对于大型飞机具有广阔的应用前景。

无阻流板式叶栅反推概念始于20世纪90年代，Gilbert B等人验证了无阻流板式叶栅反推概念的可实施性［11］，Marconi F等人采用数值模拟的手段完成了无阻流板式叶栅反推的部分气动几何参数的影响研究［12］，NASA Langley研究中心 Asbury S C等人提出六种新概念反推技术，将无阻流板式叶栅反推作为一种重要研究内容，并完成了部分工况下反推的测力试验。鉴于流体反推力技术研究的重要性及国内相关技术的研究较少且尚不完备［14－16］，本研究从基础机理验证试验的角度出发，以无阻流板式叶栅反推装置为研究对象，对基于二次流喷射控制推力反向的技术进行了研究，详细地分析了风扇出口压比、二次流压比、二次流喷射位置及喷射角度等气动参数的变化对反推性能的影响。

1 试验装置及试验方法

1.1 无阻流板式叶栅反推结构

本研究中无阻流板式叶栅反推结构见图1，该模型通道基于某型发动机外涵道模型，为1∶10缩比模型。其中二次射流孔位于底板，射孔宽度为0.72mm，射孔位置分别为：38.77mm、58.77mm、78.77mm、98.77mm、118.77mm，为研究不同射流角度对反推性能的影响，射流角度分为30°、45°、60°、90°。三排等厚度叶栅形成四通道反推窗口，宽度为36.15mm。外涵通道喉部位置位于x＝170.6mm处，喉部高度21.78mm。涵道出口高度28.24mm，气流经此排入大气。

图1 无阻流板式叶栅反推装置的几何结构图Fig.1 Geometry of lockerless cascade thrust reverser

1.2 试验设备及原理

本试验在跨／超声速叶栅试验器上完成，试验台架示意图如图2，试验气流在反推装置中的流动情况见图3。主、次流分别由低、高压气源提供，进行冷态地面试验。试验件主流管路包括闸阀、调节阀、喷管流量测量计（量程为0.6～2.6kg／s），次流流路包括闸阀、主调节阀、精细调节阀（为保证次流调节精度）、喷管流量计（量程为0.06～0.24kg／s）以及稳压箱。在试验前首先采用标准亚声速喷管流量计对主、次流喷管流量计进行了校验，各流量计测量精度优于1%。压力测量采用PSI电子扫描测压阀测量，各测量通道总不确定度小于0.3%（不同量程），温度测量采用Pt100电阻温度计，总测量不确定度为0.79%。

图2 双流路试验台架Fig.2 Dual－flow simulation system

图3 试验气流在反推装置中的流动情况Fig.3 Flow－distribution of experimental blockerless cascade reverser mode

主、次流流量分别由对应喷管流量计测得，对于出口流量，采用探针测量校准方式获得探针－流量校准曲线，通过测量压力反算出口流量，运用流量平衡算出反推叶栅窗口出口气流量。

1.3 试验工况

本试验主要目的是研究不同几何、气动参数对无阻流板式叶栅反推性能的影响，分别针对不同风扇出口压比FPR（风扇出口总压与周围大气压力之比）、二次流压比SPR（二次流总压与周围大气压力之比）、二次流喷射位置Xj、二次流喷射角度θ（二次流喷射方向与逆风扇气流方向的夹角）等因素进行了试验，并研究了参数之间的关联关系，试验中所研究各参数的取值如下：

风扇进口压比FPR：1.3、1.4、1.5、1.6、1.7；

二次流压比SPR：1.0、2.0、4.0、6.0；

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

喷射角度θ：30°、45°、60°、90°。

试验完成了上述各状态下主次流、出口流量测量以及各工况下对应的反推性能的分析。

1.4 参数计算

无阻流板式叶栅反推效率：

其中Frev为反向推力、Ffan为风扇外涵道推力。由于所搭建叶栅试验台架无测力天平，本文采用反推流量比CFR（流经反推窗口的流量与风扇总流量之比）来表征反推效率，即：

并以二次流与风扇主流流量之比SFR作为衡量采用次流控制主流偏转技术的指标：

2 试验结果分析

2.1 风扇出口压比（FPR）对反推性能的影响

研究了二次流喷射角度θ为30°、二次流喷射位置Xj＝38.77mm时，不同二次流喷射压比（SPR）下，风扇出口压比对反推效率的影响率。其中：

二次流喷射压比（SPR）：2.0、4.0、6.0；

风扇出口压比（FPR）：1.3、1.4、1.5、1.6、1.7。

图4给出了反推流量比（CFR）及二次流与风扇主流流量之比（SFR）随风扇出口压比的变化规律。随着风扇出口压比（FPR）的提高，二次流出口背压不断上升，导致二次流与风扇主流流量之比（SFR）减小，特别是在二次流压比较大（SPR＝6.0）的情况下，SFR的减小更明显，如图4（a）。在不同二次流喷射压比（SPR）下，反推流量比（CFR）随着风扇出口压比（FPR）的变化规律相反，如图4（b）。SPR较低时（SPR＝2），随着FPR的增加CFR增大；在较大的SPR时（SPR＝4、6），CFR随着FPR的增加而减小，但减小的趋势随FPR的增大而趋于缓慢。其原因如下，反推叶栅窗口气流包含两部分：二次流及风扇涵道流。在低的二次流喷射压比时，风扇主流占主要部分，随着风扇压比的增大，风扇涵道气流量增大，导致CFR增大；而在较高的二次流喷射压比时，二次流流量占反推窗口流量比重较大，随风扇出口压比增大，二次流喷射背压增大，相对二次流流量减小，使得反推流量比（CFR）减小。

图4 风扇出口压比对反推性能的影响Fig.4 Thrust reverser performance with different FPR

2.2 二次流压比（SPR）对反推性能的影响

研究了二次流射流角度θ为45°、二次流喷射位置Xj＝38.77mm，不同风扇出口压比（FPR）下，二次流压比（SPR）对反推效率的影响，本组试验各参数如下：

风扇出口压比（FPR）：1.3、1.5、1.7。

二次流喷射压比（SPR）：1.0、2.0、4.0、6.0。

图5给出了对应工况下反推流量比（CFR）及次、主流量比（SFR）的变化规律，可以看出SPR、CFR随着二次流压比（SPR）增加而增大。在风扇出口压比为1.3时，二次流压比对SFR、CFR影响均较为剧烈，随着SPR的增大，SFR、CFR迅速增加。从增长速率上来看，CFR增长速率相对较大，一方面由于随着SPR的增大，二次流喷射深度加大，使得二次流喷孔后形成的回流区范围扩大，即更大程度上阻塞了风扇涵道流道，使得更多的风扇主流气体通过反推叶栅窗口流出；另一方面，随二次流压比增大，相对二次流气流量增加，在回流区的堵塞情况下，一部分二次气流也进入反推窗口，进而使得CFR出现大于1的状况。图中还比较清楚地反映了不同风扇出口压比下，CFR随在二次流压比的变化程度的不同，在二次流压比小于某个值（SPR＜2.5）时，风扇出口压比越小，反推效果越不明显，但当二次流压比超过此数值时，随着二次流压比的增大，大的风扇出口压比的反推效果反而变化较缓慢。

另外，考虑基于二次流喷射控制的反推需从核心机引入高压气流，因此存在引气量的限制，必然存在一个限制SFR的阀值，该阀值的确定取决于下一步的引气量对发动机总体性能的研究。

图5 二次流压比对反推性能的影响Fig.5 Thrust reverser performance with different SPR

2.3 射流位置（Xj）对反推性能的影响

喷射孔的位置是无阻流板式叶栅反推的一个重要几何参数，本节，研究了相同二次流压比（SPR）、一组风扇压比（FPR）下，不同二次流喷射位置对反推效率的影响，其具体气动、几何参数如下：

二次流喷射压比（SPR）：2.0、4.0；

风扇出口压比（FPR）：1.3、1.5、1.7；

二次流喷射角度（θ）：30°、45°、60°；

二次流喷射位置：38.77mm、58.77mm、78.77mm、98.77mm、118.77mm，下文用N1～N5分别来代替。

图6～图8给出了CFR、SFR随二次流喷射位置的变化规律，从图中可以看出，在相同的二次流射流压比、风扇出口压比及喷射角度下，存在某一喷射位置，使得流经反推叶栅窗口质量流量比（CFR）最大，即最佳喷射位置，位于第二、三喷射位置之间（58.77mm≤Xj≤77.87mm）。并且可以得出，不同的喷射角度、二次流压比及风扇出口压比时的最佳位置有所不同。

图6 喷射位置对反推性能的影响（θ＝30°）Fig.6 Thrust reverser performance with different injection positions（θ＝30°）

图7 喷射位置对反推性能的影响（θ＝45°）Fig.7 Thrust reverser performance with different injection positions（θ＝45°）

图8 喷射位置对反推性能的影响（θ＝60°）Fig.8 Thrust reverser performance with different injection positions（θ＝60°）

二次流喷射位置从前向后移动的过程中，次、主流量比SFR变化较小，主要由于风扇涵道流道面积变化缓慢，在FPR、SPR等为定值时，风扇涵道中静压变化不明显（作为二次喷射的背压），因此对二次流量也就无较大影响。CFR在2、3号喷射孔附近存在最大值，随着喷射位置的的后移反推效果减弱，并且逐渐趋于平稳，也就是说当喷射位置超过4号位置时，已经对流动控制不存在明显的影响。

2.4 射流角度（θ）对反推性能的影响

采用二次流喷射控制主流时，喷射角度是影响射入深度以及回流区大小的重要因素，本小节主要分析固定位置喷射孔（2号）、二次流压比（SPR）下，不同风扇出口压比（FPR）、，喷射角度（θ）对反推性能的影响，其中主要参数如下：

二次流喷射位置（Xj）：58.77mm；

二次流喷射压比（SPR）：2.0；

风扇出口压比（FPR）：1.3、1.5、1.7；

二次流喷射角度（θ）：30°、45°、60°、90°。

图9给出了本组试验工况下的CFR与SFR随喷射角度的变化。从图中可以看出，在2号位置、次流压比SPR＝2、不同的风扇出口压比FPR下，存在最佳的二次流喷射角度使得反推窗口流量与风扇主流之比CFR达到最大值，该角度为60°。喷射角度较大或较小时，二次流在风扇顺风或逆风方向存在较大的动量分量，使得二次流射入深度受到限制，即形成较小的回流区，对风扇主流的偏转作用减小，导致反推流量减小，风扇反推效果减弱。

图9 喷射角度对反推性能的影响Fig.9 Thrust reverser performance with different injection angels

3 结 论

本文试验研究了基于二次流喷射控制的无阻流板式叶栅反推的气动参数及喷射几何参数对反推性能的影响，通过在不同试验工况下对反推流量以及喷射流量的测量，可以得出：

（1）风扇出口压比（FPR）、二次流喷射压比（SPR）与反推效率的关联关系复杂。二次流压比小于某值时，随着风扇出口压比增加，反推流量比（CFR）增大；而二次流压比超过此值时，随风扇出口压比的增加CFR减小。

（2）在FPR较小的工况下，SPR越大，对反推效果影响越明显，但是由于二次流从发动机高压部件引气，因此必然存在二次流流量限制，该限制的确定仍需进一步研究。

（3）在不同的SPR、FPR、喷射角度θ下，最佳喷射位置有所不同，但是可以确定最佳位置位于第二、三喷射孔之间，即58.77mm≤Xj≤77.87mm。

（4）本文中给出的试验工况下，得出最佳喷射角度θ＝60°，较大、较小的喷射角均会使得反推效果减弱。

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