發動機內部流量對飛機尾旋特性的影響研究

顏 巍 黃靈恩 周 敏 /

(上海飛機設計研究院，上海201210)

0 引言

如何正確模擬高涵道比發動機內部流量對常規布局翼吊式發動機飛機模型進行尾旋風洞自由尾旋試驗是一個必須要考慮的因素。當飛機在大攻角條件下飛行時，由于發動機進氣道流場的畸變所導致的發動機進氣量的不足會使得發動機停車，進入風車狀態，發動機的實際流量會大幅下降。受尾旋風洞試驗段口徑及試驗段阻塞度的限制，進行自由尾旋試驗的飛機模型都比較小，且對模型的質量和慣量有極高的模擬要求，若安裝小型馬達和風扇來模擬真實發動機風扇的風車狀態是有較高難度的，所以世界上在尾旋風洞中進行飛機模型自由尾旋試驗的模型均為無動力模型，因此如何模擬真實的發動機在尾旋狀態下的工況是一個需要顧及的因素。

大多數飛機研發機構在尾旋風洞中進行飛機模型尾旋試驗時不考慮模擬發動機的真實進排氣狀況，但各個風洞試驗機構對于各個不同飛機型號的不同發動機的通氣模擬所采取的措施不同。烏克蘭安東諾夫設計局設計的，在TsAG(The Central Aerohydrodynamic Institute，簡稱TsAG)的T-105 Φ4.5 m尾旋風洞進行試驗的運輸機尾旋試驗模型的發動機在進氣道中采用了全堵塞的方式，即Non-TFN(through-flow nacelle，通氣發房，簡稱TFN；Non-TFN指無通氣發房)形式[1-3]，如圖1(a)所示，這樣做的原因是前蘇聯的運輸機所采用的發動機以長涵道和低涵道比為主，發動機在慢車情況下受飛機尾旋中姿態的影響，流量大幅下降，為了簡化問題，T-105尾旋風洞多年來均采用全堵塞的方式。美國NASA(National Aeronautics and Space Administration，簡稱NASA)蘭利Φ20 ft(1 ft≈0.3 m)尾旋風洞的做法是采用發動機的通氣發房，即TFN形式[4-5]，這樣做的主要原因是歐美國家的運輸機大都采用短涵道和高涵道比發動機，在發動機處于慢車狀態下，仍能夠保持50%～60%的流量，如圖1(b)所示。

(a) Non-TFN模型

(b) TFN模型圖1 不同發房內部模擬方式

常規布局的某型民用飛機，其翼吊發動機采用美制短涵道、高涵道比(Bypass Ratio > 10)渦輪風扇發動機，風車狀態下，流量仍然能保持在正常工作狀態下的50%～60%。為了研究不同發房內部流量對尾旋特性的影響，制作了近似模擬發動機流量為60%、30%和0%的輕質堵塊，如圖2所示，將其安裝在相似縮比飛機模型的發房內部，試驗模型滿足外形相似和弗勞德數相似。試驗在模擬飛機巡航構型、前重心、5 000 m飛行高度條件下進行，模型的舵面預設偏度為δa=0°、δr=30°、δe=-5°，改出動作均為反舵-15°，同時推桿到底，即δe=15°。

圖2 模擬不同流量的堵塊

1 試驗結果

1.1 左、右發房內流量相同

首先依次進行了在左、右發房模擬100%、60%、30%和0%的流量條件下進行飛機模型的自由尾旋試驗與改出試驗，流量控制堵塊如圖3所示。試驗結果如圖4所示。

圖3 模擬發房內部不同通氣量(左、右通氣量相同)

(a)偏航角速率隨時間變化

(b)攻角隨時間變化

(c)滾轉角速率隨時間變化

(d)側滑角隨時間變化

從試驗結果看，裝有60%、30%和0%的流量控制堵塊的模型的試驗結果相對于裝有TFN的模型的試驗結果的差異為滾轉角速率p和側滑角β的振幅隨著流量的減小有增大的趨勢，裝有30%和0%的流量控制堵塊的試驗結果的振幅非常顯著，裝有60%流量控制堵塊的試驗結果的振幅與裝有TFN的試驗結果比較接近；偏航角速率r和平均攻角α的差異不明顯；實施相同的改出動作后，改出的效果也基本相同。基于以上原因，對于這架飛機尾旋試驗模型的模擬，采用TFN發房和裝有模擬60%流量的堵塊對試驗結果沒有本質的影響。

1.2 左、右發房內流量不同

處于尾旋狀態的飛機，由于其繞自身三軸作旋轉運動，所以左、右發房的進氣量每時每刻都在發生變化，且左、右發房的流量原則上是不可能完全相同的。為了呈現左右發房通氣量不對稱對尾旋特性的影響，在模擬左尾旋條件下，左發房安裝了60%流量控制堵塊，右發房安裝了0%流量控制堵塊；此外，還進行了在模擬左尾旋條件下，左發房安裝了0%流量控制堵塊，右發房安裝了60%流量控制堵塊的試驗。堵塊如圖5所示。

圖5 模擬左、右發房內部不對稱通氣量

從圖6所示的左尾旋試驗結果看，“左發房60%流量+右發房0%流量”與“左發房0%流量+右發房60%流量”對模型尾旋中的攻角和偏航角速率沒有很明顯的影響；但滾轉角速率和側滑角有明顯的區別，“左發房60%流量+右發房0%流量”條件下，p和β隨時間變化曲線的振幅明顯比“左發房60%流量+右發房0%流量”條件下的試驗結果要來的大。這可能是由于左尾旋條件下，右側機翼為外翼，若右發房為全不通氣狀態，會導致右側阻力增加，則有礙于飛機的旋轉，所以模型的振蕩加大。若左發房為全不通氣狀態，會導致左側阻力增加，則有利于飛機的旋轉，所以模型的振蕩相對要小。實施相同的改出動作后，改出的效果沒有明顯的差別。

(a) 偏航角速率隨時間變化

(b) 攻角隨時間變化

(c) 滾轉角速率隨時間變化

2 結論

在尾旋風洞中，對某型民機模型安裝不同的能控制發房流量的堵塊進行自由尾旋試驗，獲得了不同發房通氣量條件下模型的尾旋特性。隨著發房通氣量的下降，模型的滾轉角速率和側滑角的振幅有增大的趨勢，但攻角和偏航角速率所受影響不大，采用60%通氣發房和全通氣發房所獲得的尾旋試驗結果最為接近。模擬發房流量的不對稱試驗可以發現，尾旋中外側發房流量小于內側發房流量對旋轉有阻礙的趨勢，尾旋中外側發房流量大于內側發房流量對旋轉有助長的趨勢。