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反推装置

归档日期:06-20       文本归类:反推装置      文章编辑:爱尚语录

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  反推装置,是指改变发动机推力方向的装置。将涡轮后膨胀的一部分(或全部分)燃气流或风扇出口的空气流转折一定角度,斜向前方喷出,产生与飞机飞行方向相反的推力,用以缩短飞机着陆时的滑跑距离。典型的高涵道比涡轮风扇发动机依靠使风扇排出的冷气流反向排出的方法获得反推力。对于内涵排出的燃气流一般不安装反推装置。

  反推力是指借助一定装置,使得发动机中正常气流流动方向发生大于 90° 的折转,从而在与正常推力相反的方向上产生推力分量,达到使飞机减速的目的。图 1 是叶栅式反推力装置的工作原理图。如图所示,当发动机按反推力工作模式工作时,阻流门挡住涵道流路,使向后排出的气流折入导流叶栅中,并沿导流叶栅所偏转的方位向前排出,从而达到减速或反推的目的。

  反推力装置在军/民用运输机方面得到了广泛应用。军用方面,不仅能缩短飞机着陆滑跑距离,而且还能大大提高飞机的作战效能;民用方面,短的着陆滑跑距离意味着可以在短的跑道上实现飞机降落,这对民航建设具有较高的经济价值。自采用反推力装置以来,飞机着陆滑跑距离已由 3000m 缩短到 450 米以内。常用的机轮刹车减速装置在跑道潮湿和有冰雪时其减速效果大打折扣,而反推力装置不受上述气象和机场等条件限制,能够在飞机起飞、降落过程提供安全紧急制动,其效果比阻力伞、着陆钩或阻力板要好,增加了安全系数。

  叶栅式反推力装置由反推力导流叶栅、叶栅盖和阻流板组成。反推力装置开启后,整流罩向后移动露出叶栅,阻流板挡住向后流动的涵道气流,使其折入叶栅中定向流出。这种反推力装置主要应用于涵道气流,通常安装在机翼下短舱的中部,反推力排气流在机翼前缘的前面喷出。和挡板型相比,蚌壳式反推力装置结构灵巧凑,反推力比较平稳。蚌壳式反推力装置主要应用在大涵道比涡扇发动机中,其反推力高达发动机最大推力的 60%-70%。波音 747、767、777 等型民用飞机就是采用这种反推力装置。蚌壳式反推力装置的主要缺点是:机械协调件多,结构复杂,叶栅盖和阻流板的气流泄露会引起发动机性能降低。

  挡板型反推力装置又叫靶式反推力装置。这种反推力装置必须安装在机翼下的短舱后端,要求短舱伸出翼外,否则,当反推力排气直接流过机翼时会产生额外的升力,降低反推效率。根据反推力装置和喷管的相对位置,挡板型反推力装置可细分为固定式和滑动操纵式两种。这种反推力装置通常应用于非风扇纯涡轮喷气发动机或小涵道比发动机上,其缺点是:比较笨重,承受的反推力载荷大,反推气流容易作用到机身结构上。

  折流门反推力装置全称是瓣式转动折流门反推力装置。这种反推力装置的工作过程是:折流门绕枢轴转动,每组门的内侧部分起阻流板作用,挡住涵道气流,外侧部分则对排气起定向导流作用,产生反推力。从上述其工作过程可见,该型反推力装置适合于涡轮风扇发动机。空中客车公司的 A330、A340 就是使用这种反推力装置。从特点来看,这种反推力装置比蚌壳型简单,但比挡板型复杂,介于两者之间。

  反推力装置一经在飞机发动机上安装便构成了动力装置的一个部件,对飞机发动机的直接工作成本(DOC)和工作性能有很大影响。因此,在设计时必须考虑一些基本条件,以满足飞机发动机的技术要求。这些要求可概括如下:

  (1)易操纵性:必须响应灵敏,安全可靠,能保证在规定时间内和应急状态下快速打开与收回。

  (2)安装性能好:结构紧凑,形体布局满足气动要求,与短舱或机身能实现最佳匹配。

  (3)承载能力强:必须能承受飞机在起飞、 着陆滑跑期间所产生的气动载荷和机械载荷。

  (4)流量损失小:反推力装置与机身(或短舱)之间的运动件接触面(或工作界面)要严格密封,防止因气流泄漏造成损失;尽量减小反推力机械操纵件对内流的干扰,避免出现流阻损失。

  (5)稳定性好:必须保持反推力平衡,减小对机身或滑跑方向的干扰,以使飞机着陆滑跑平稳。

  (2)防止发动机对反推力排气的再吸人,以避免引起发动机出现喘振等不正常工作现象;

  (4)与减声装置匹配要协调,防止机身结构因声压交变负荷作用而遭受损伤;

  反推力技术是一项综合性很强的技术,涉及面很广,影响因素很多。就折流栅型反推力装置而言,需要考虑的因素有:叶栅翼形、叶片间距、叶片扭角对反推效率和流量系数的影响;反推力排气流线与中心线夹角(即气流方位角)对效率的影响;叶栅出口总压分布;反推力器全展开位置的内压载荷。另外,还必须考虑飞机/发动机的结构布局、反推力器的安装性能以及结构质量、机械传动等。反推力技术涉及的相关技术有:机体/推进/反推一一体化设计;构件材料的选择;结构完整性研究;气动力和热力分析;控制系统设计及安全防护。其中,机体催进/反推一体化设计技术、减轻质量缄少机械复杂性措施以及安全防护技术是关键技术。此外,反推力装置与减声器的协调设计也应列入到重点考虑的技术当中。

  机体/推进/反推一体化设计是利用虚拟设计和综合优化设计手段,对飞机所涉及的技术和系统(如反推力)进行总体集成(即技术集成、系统集成和过程集成),实现飞机最优化。例如,对于反推力装置/短舱来说,若实现最优化,首要问题是安装外形与结构布局应符合飞机的气动要求和整体性能要求。这就需要通过气动分析软件和性能分析软件,对反推力装置已知和预估的一系列技术问题进行统一分析,并进行综合优化。最终目的是使反推力装置与飞机/发动机/短舱的结构和气动流道实现高度集成,以改善安装性能;减小各结构件相互之间的影响和对发动机内流的干扰,并解决泄漏损失问题,以提高发动机内性能;尽可能减小反推力喷流所引发的气动载荷、热载荷、振动载荷,以提高发动机可靠性。

  反推力装置是发动机和短舱的组成部分,其设计与飞机类型、发动机涵道比、短舱设计等密切相关,需要进行一体化设计,这主要表现为如下几点:

  (1)反推力装置的设计与发动机涵道比和短舱方案相互影响,涵道比较大的涡扇发动机的风扇直径和外涵流量较大,其冲压阻力和外涵推力也较大,飞机对其反推力效率的要求则相应低一些,其结构设计可以相对简单 ,例如:可用折流板式反推力装置取代结构相对复杂的叶栅式反推力装置。

  (2)细长型短舱设计具有一定的空气动力优越性,但它的空间尺寸限制了叶栅式反推力装置的应用,采用折流板式反推力装置可能更合适一些。此外,对于分开排气的折流板式外涵反推力装置,若其在风扇外罩的安装系统对短舱空气动力设计影响太大,则需将其设计成在核心罩上安装。

  (3)反推力装置的设计需要考虑短舱的安装、发动机的维修、反向排气流的再吸入及外物损伤等问题。例如:CF6-6 发动机的外涵风扇反推力装置以铰链固定在发动机短舱的吊架上,而不是安装在发动机上,并且发动机短舱和反推力装置沿底部中心线对开,把它向上翻起,整个发动机可达,并且不必拆卸反推力装置就可将发动机从飞机拆下,这种设计使发动机维修总工作量减少了约 5~7%。

  减轻质量和减少机械复杂性技术是现代反推力装置所必须考虑的主要技术。多年来的实践证明,对于风扇直径大于254cm的发动机来说,如果不计发动机的质量,则反推力系统的质量将占短舱的质量的30%以上;对于像GE90这一数量级的发动机来说,反推力系统的质量可高达680kg;对于像如Folker F100或“湾流”GV这类发动机来说,反推力系统的质量约为短舱总量的55%。反推力装置质量大必然导致发动机耗油率增加,可以说减轻质量、降低成本一直是设计人员孜孜以求的目标。其主要技术途径,一方面是采用诸如复合材料这一类的耐高温抗负荷轻质材料;另一方面是进行合理布局,简化结构。

  复合材料具有单位强度和单位刚度高、密度小、检查和修理简便等优点,在 RB211、GE90、V2500 等大涵道比涡扇发动机短舱及其反推力装置(如堵塞挡板、导流叶栅板、可移动整流罩)上得到了较广泛的应用。复合材料在反推力装置上应用时必须认真考虑以下几个技术问题:

  (1)结构设计。为满足减轻重量、质量控制和费用有效性的要求,在设计反推力装置结构件时就必须充分利用复合材料与金属材料不同的特性,根据零部件的尺寸大小、结构复杂性和极限载荷情况 进行材料选择和结构设计,并清楚所采用材料的制造工艺性。适合采用复合材料的零部件首先是相对 容易制造的零件(如堵塞挡板),其次是大的具有气动造型的可移动整流罩,最后是最难和高风险的传 递推力载荷结构。例如:V2500 发动机反推力装置的叶栅板和可移动整流罩的外板用碳碳(或称石墨) 复合材料制造,可移动整流罩的内板由碳纤维蒙皮和蜂窝夹芯结构构成。

  (2)制造工艺。与成熟的金属加工工艺相比,复合材料制造工艺相对复杂,零部件的复合材料、尺寸大小、结构复杂性和载荷情况不同,所采用的制造工艺及其经济性也不同,简化制造工艺、提高的经济性是复合材料应用的一个重要内容。

  (3)损伤检测和修复技术。复合材料结构在实际使用中不时会发生由外部因素导致的各类损伤, 这就必然涉及到损伤的检查和处理问题,为此需要研究复合材料结构损伤的原因、类型、检测方法,

  能化综合控制系统始终是各国竞相探讨与开发的一种高科技控制管理系统。该系统不但能对飞机/发动机/反推力装置实施一体化兼容控制,而且兼有监控故障和应急状态恢复功能。一般地说,反推力系统硬件失灵或构件几何尺寸变化(诱发气动效应)都可能导致反推力排气口气流阻塞而产生反压,造成发动机喘振:反推力排气吸人进气道也能造成发动机喘振。在飞行或着陆期间,一旦反推力系统出现偶发性事故,综合控制系统可立即报警,并通过飞行控制系统发出指令,使飞机进入应急状态模式。因此,综合控制系统设计技术是保证易操纵性、安全性和可靠性的一项关键技术。

  控制及安全防护系统是反推力装置的重要组成部分,在反推力装置设计时必须对其进行综合分析和研究,以保证反推力装置打开和关闭的快速灵敏、各个液压作动筒运动的同步、与飞机控制系统的协调以及发生故障时的安全应急。例如:V2500 发动机反推力装置由 4 个液压作动筒控制,飞机液压系统提供高压油驱动作动筒,每个上部作动筒都联结一个线性可变差动变换器(LVDT),以反馈位置信号给发动机电子控制器(EEC)。每个下部作动筒都装有锁紧机构,当控制油路被降压,反推力装置被充分关闭时,锁紧机构保持反推力装置在关闭位置。锁紧机构包含一个传感器,当反推力装置被关闭和锁住时,它提供信号给EEC完成指示功能。反推力装置控制装置控制作动筒的动作,控制装置包括由线圈驱动和解锁活门、方向活门以及解锁活门的压力开关。解锁活门和方相控制活门电磁线圈是双绕组线圈,其中一个线圈能被EEC通道控制。反推力换向控制阀(DCV)电磁线圈与飞机控制继电器相串联,在EEC指令DCV电磁线圈通电时,这个继电器必须关闭。当开关触点闭合时,解锁活门压力开关指示高压 (解锁活门开)。

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