大型涡桨飞机发动机短舱对机翼气动影响及控制

赵富荣,魏 猛,杨康智,程志航

(中航通飞华南飞机工业有限公司 研发中心,广东 珠海 519040)

0 引言

涡桨飞机以其独有的优势在特殊的运输场景有较为广泛的应用。涡桨飞机具有耗油低、拉力大等优点,在支线客机和中大型军用运输机等领域占有重要地位[1]。独特的动力形式赋予了涡桨飞机优越的推进效率、良好的低速机动和起降性能,使得其在军用及民用领域占有重要的地位并得以不断发展,但同时也带来了一系列需要重点关注的问题[2]。

大型涡桨飞机一般采用四台发动机,在机翼上沿展向对称安装。短舱是包括发动机及其附件的重要机体部件,短舱打断了原本连续的机翼前缘,使大型涡桨飞机的机翼不再像涡扇飞机一样适合布置前缘缝翼,且在中、大迎角状态下会遮挡短舱后方的机翼,对机翼产生较强的气动干扰。这种干扰会严重影响飞机的失速特性和最大升力系数。在飞机研发阶段中翼吊短舱外形和吊装位置需要精细的气动设计,将其不利影响最小化[3]。

民用涡桨飞机设计手段相对落后,针对翼吊发动机短舱的优化设计多是针对喷气飞机,少有针对涡桨飞机的翼吊短舱进行的气动影响研究[3]。因此在涡桨飞机的研制中,特别是大型多发涡桨飞机,可以参考的研究成果较少。目前对于涡扇飞机短舱、挂架与机翼的气动干扰机理和控制措施,国内外的高校、科研院所和航空企业都开展了大量的研究。

本文针对大型涡桨飞机发动机短舱对机翼的气动干扰进行研究。首先分析翼吊短舱机翼气动干扰对失速特性和最大升力系数的影响,总结短舱对机翼产生气动干扰的空气动力学机理;然后通过工程案例的研究,提出了短舱对机翼气动干扰的控制措施,并结合实际案例对控制措施的应用进行了验证。

1 发动机短舱气动影响分析

1.1 发动机短舱气动影响的机理

大型涡桨飞机发动机短舱一般布置在机翼前缘,发动机短舱的长度相对其控制剖面当量直径的尺度较大。发动机短舱对飞机产生气动影响有以下两项原因。其一,在中、大迎角下,由于短舱的遮挡,在短舱后方非常容易产生流动分离,分离区域的低能量气流在受短舱扰动较小的气流剪切力带动下,会流向短舱后方的机翼上表面,并与该区域的附面层混合,其结果会使主翼表面的附面层较正常情况下增厚很多,在大迎角时就会出现大范围流动滞止区,并呈现出展向逐步扩散的趋势,最终形成一片近似三角形的流动滞止区。其二,短舱与飞机相贯位置会产生涡流,在带短舱的机翼数值模拟研究中,发现这种涡流产生在短舱与机翼前缘相贯线的两侧,且在来流的影响下,会贴近机翼上表面向下游发展,对机翼上表面流动造成很大影响。这两项原因决定了短舱对机翼的气动影响特征。

1.2 发动机短舱气动影响的特征

大型涡桨飞机发动机短舱对全机产生气动影响主要表现在两个方面,即失速特性和最大升力系数。短舱的尾迹在机翼上表面上方卷起一个较大的旋涡,该旋涡破裂使流动发生大面积分离,从而导致失速提前。短舱导致机翼上表面出现的滞流区覆盖了大部分增升装置,在中大迎角下,会严重影响增升装置的效率,导致最大升力减小。某大型涡桨飞机风洞试验中机翼上表面分离的丝线流场显示试验如图1所示,由图可以看出短舱后方上翼面的流动分离情况。

图1 机翼上表面分离的丝线流场显示试验

2 短舱气动影响数值模拟研究

2.1 数值模拟方法

流场求解采用Star-CCM+软件;控制方程为定常雷诺平均N-S方程,选用分离式方法求解;湍流模型使用SA模型,采用全湍流;3D网格采用Star-CCM+软件划分,类型为粘性笛卡尔网格,物面附近加入附面层网格。

2.2 数值模拟验证

使用上述的数值模拟方法和湍流模型,分别对机翼-机身-短舱组合体、带增升装置的机翼-机身-短舱组合体进行数值模拟。

12度迎角下发动机短舱出现的两处涡流如图2所示。第一处是自由来流绕过短舱后,在短舱上部产生涡流,第二处是短舱与机翼相贯处,由于相互干扰产生的涡流。

图2 12度迎角下发动机短舱出现的两处涡流

短舱对增升装置的气动影响如图3所示。可以看到,增升装置处于两个短舱上翼面诱导出的滞流区内,从而影响飞机的最大升力系数。

图3 短舱对增升装置的气动影响

3 短舱气动影响的控制原理

从以上分析和数值模拟可以看出,要控制短舱产生的气动影响,可以通过设计调整短舱诱导的涡流位置和强度,让其对机翼产生符合设计预期的气动影响,从而确保飞机的失速特性和最大升力系数符合设计要求。

诱导涡流的位置和强度控制,可以通过改变短舱与机翼前缘的相对位置、相贯区域修型、安装短舱涡流发生器和短舱控制剖面设计优化来实现。改变相对位置、相贯区域修型和短舱控制剖面设计优化都是为了控制短舱对机翼的气动干扰。短舱涡流发生器是通过诱导涡流来影响流场分布,达到控制涡流位置和强度的目的。

4 短舱气动影响的控制措施

4.1 调整短舱与机翼前缘相对位置

通过短舱下沉,来削弱短舱对机翼的干扰。从相关研究来看[3-5],短舱下沉之后,短舱对机翼的前缘上洗效应减弱,机翼的前缘低压峰值减小,短舱后方机翼上翼面的流线展向扩散效果减弱。这些现象都使得局部气流更加稳定,有利于提高失速迎角。翼身组合体着陆构型的升力特性得到明显改善,且失速特性有所缓和。短舱下沉可以有效减弱短舱对机翼的干扰,但下沉短舱对于巡航构型阻力特性有不利影响,对于讲究经济性的飞机来说很难接受。

4.2 短舱与机翼前缘相贯区域修型

为了控制短舱与机翼前缘相交位置的流动,可以在短舱与机翼前缘相贯线两侧机翼设置边条修型。A400M飞机短舱与机翼如图4所示,可以看出A400M飞机外发短舱内侧的机翼前缘在与短舱相贯位置做了边条修型。

图4 A400M飞机短舱与机翼

4.3 短舱上设置涡流发生器

短舱上设置涡流发生器,针对短舱后翼面分离敏感区域,合理地诱发漩涡,通过漩涡与边界层的相互作用,达到控制和改善这些区域的流场品质和抑制并延迟流动分离的目的[6]。

涡流发生器产生旋涡强度对其推迟失速的效果有明显作用。可以通过涡流发生器的前后位置和安装角控制所产生旋涡的强度。涡流发生器也被称为扰流片。张文升等[7]研究表明:短舱扰流片弦向位置明显影响扰流片的当地来流迎角,进而改变所产生旋涡的强度;扰流片的周向安装角主要影响扰流片的来流强度,同样影响所产生旋涡的强度。温庆等[8]在短舱扰流片减缓螺旋桨飞机失速研究中表明,扰流片明显改善了短舱根部的吸力峰极值,不同位置的扰流片对失速以后的最大升力特性影响差异明显。

4.4 短舱控制剖面优化设计

分析涡桨飞机短舱对机翼气动干扰的流动机理,发动机短舱对机翼干扰是机翼和短舱压力分布的相互影响,其本质是短舱与机翼各自吸力峰的相互干扰。这种干扰的产生主要取决于短舱与机翼交接处的外形和曲率分布,因为短舱和机翼压力分布的规律取决于各自的曲面外形曲率分布,因此在进行设计时需同时考虑短舱和机翼相贯区的型值和曲率分布情况,采用数值计算手段观察二者的压力分布情况,尽量将两吸力峰的分布交错开来,从而得到较为合理的设计。基于该理论,如果对非下沉短舱通过精心的修型设计,在低速大迎角工况下也能达到下沉短舱的效果,同时还能有效避免下沉短舱巡航构型对阻力特性造成的不利影响。因此在完成机翼和短舱前段设计后,应该立即对短舱机翼交接处的外形进行设计与分析,确定短舱后段的最优外形,以削弱短舱对机翼的气动干扰。带短舱控制剖面主要控制参数如图5所示,其中,L为肩部控制二次曲线的起点到短舱对称面的距离,f为二次曲线曲率的控制参数。

图5 带短舱控制剖面主要控制参数

5 短舱气动影响的工程实例

某大型涡桨飞机采用悬臂式上单翼、“T”形尾翼、前三点可收放式起落架布局形式。大展弦比梯形机翼前缘安装四台涡轮螺旋桨发动机。设计中,在标准大气、海平面高度、来流马赫数0.146 9的计算条件下,带短舱的翼身组合体的升力曲线在10°至15°出现塌陷区,带短舱的翼身组合体升力曲线如图6所示。

图6 带短舱的翼身组合体升力曲线

带短舱的翼身组合体压力分布和流线如图7所示。可以看出,升力系数突然掉落与机翼短舱干扰存在一定关系。

图7 带短舱的翼身组合体压力分布和流线

在设计优化中,采用同样的计算条件,即标准大气、海平面高度、来流马赫数0.146 9,针对5种设计方案进行数值计算分析。

方案1 短舱为初始设计,短舱对机翼干扰较强,在中等迎角时翼面上开始出现分离,随着迎角的增加分离面积增加,方案1最终分离分布如图8所示。

图8 方案1最终分离分布

方案2 短舱后部控制剖面进行修型,内发短舱和外发短舱后段肩部过渡设计特性相似,均采用内侧过渡曲率半径较小的设计,当地翼型厚度不同,外发短舱肩部整体高度更低。中等迎角时短舱对机翼产生有利干扰,分离面积较小,但外发短舱外侧有不利干扰迹象。随着迎角增加,外发短舱外侧的干扰增强。最终分离区位于内发短舱内侧和外发短舱外侧,分离位置不理想,方案2最终分离分布如图9所示。

图9 方案2最终分离分布

方案3 针对外发短舱修型做出修改,使外发短舱后段肩部过渡的曲率半径减小,两侧肩部高度增加并向后延伸至接近前梁处,外发短舱后段左右两侧的肩部形状基本对称,内发短舱后段肩部的设计未做更改,内发短舱后段内侧肩部曲率半径小于其外侧。修型后,中等迎角时外侧短舱对机翼产生有利干扰,外发短舱外侧机翼上表面的分离面积减小,修型效果良好。最终分离区位于内发短舱和外发短舱之间,符合设计预期,方案3最终分离分布如图10所示。

图10 方案3最终分离分布

方案4 基于方案3,轻微弱化了内发短舱后段内侧肩部突出的设计,基于这个肩部突出设计强化内发短舱后段外侧的肩部突出设计。修型后,最终分离区位于两发之间及外发短舱外侧,不符合设计目标,方案4最终分离分布如图11所示。

图11 方案4最终分离分布

方案5 基于方案4,内发短舱后段内侧肩部突出设计与方案4相同,弱化内发短舱后段外侧的肩部突出设计,最终分离区位于两发之间,符合设计目标,方案5最终分离分布如图12所示。

图12 方案5最终分离分布

短舱各方案中大迎角升力曲线如图13所示。

图13 短舱各方案中大迎角升力曲线

6 结论

本文以大型涡桨飞机常用的翼吊发动机短舱布局为背景,分析了短舱气动影响的流动机理,并进行了数值模拟验证。结合涡桨飞机短舱机翼气动干扰控制措施研究案例,探讨了短舱机翼气动干扰控制措施,并对短舱剖面优化设计控制短舱气动影响的具体案例进行了验证分析。结果表明:(1)短舱的气动影响主要表现在大型涡桨飞机失速特性和最大升力系数方面;(2)可以通过精细设计调整涡流位置和强度来控制短舱的气动影响;(3)短舱控制剖面优化设计能有效改善飞机失速特性。