民用翼吊渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)短艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

王加成

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210）

民用翼吊渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)短艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

王加成

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210）

發(fā)動(dòng)機(jī)作為翼下吊裝的布局形式是現(xiàn)代民用客機(jī)的主流方式，而短艙作為發(fā)動(dòng)機(jī)本體的整流罩、防火層和反向推力裝置，其結(jié)構(gòu)對飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能、重量、噪聲、振動(dòng)、操作性以及維護(hù)性等方面具有很大的影響。主要研究了翼吊渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的結(jié)構(gòu)和組成形式。

民用飛機(jī)；渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)；短艙結(jié)構(gòu)

對于商用卡車而言，發(fā)動(dòng)機(jī)前置，主減速器連接傳動(dòng)軸與后橋，動(dòng)力從發(fā)動(dòng)機(jī)傳到主減速器，利用準(zhǔn)雙曲面齒輪來改變動(dòng)力傳遞的方向，同時(shí)降低轉(zhuǎn)速、增大扭矩，帶動(dòng)半軸齒輪、半軸、輪轂、輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。

主齒凸緣螺母裝配在主減速器上，連接凸緣與主動(dòng)齒輪，一方面提供保證主動(dòng)齒輪正常轉(zhuǎn)動(dòng)的軸向力，另一方面為主齒軸承提供一定的軸承預(yù)緊力。凸緣螺母一旦松脫，主減速器會(huì)很快失效，導(dǎo)致車輛無法行駛。本文通過對30°楔形角螺紋的防松性能的研究來探討如何將其應(yīng)用到主齒凸緣螺母上，降低主齒凸緣螺母松脫的幾率。

1 短艙設(shè)計(jì)要求

短艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求可分為以下幾個(gè)方面：

（1）載荷強(qiáng)度：由于發(fā)動(dòng)機(jī)固定在短艙內(nèi)，短艙應(yīng)能夠承受相應(yīng)的限制載荷和疲勞載荷。

（2）氣動(dòng)效應(yīng)：具有光滑的外形面，對于翼下吊掛區(qū)域復(fù)雜的氣動(dòng)區(qū)域能產(chǎn)生良好的氣動(dòng)效應(yīng)，盡量減少氣動(dòng)阻力，并且在飛機(jī)的整個(gè)氣動(dòng)包線內(nèi)，向發(fā)動(dòng)機(jī)輸送所需空氣。

（3）結(jié)構(gòu)功能：有足夠的空間安裝發(fā)動(dòng)機(jī)外部機(jī)械系統(tǒng)和相關(guān)附件，著陸時(shí)能夠提供反推力，具備足夠面積安裝用于降噪的襯墊，能夠有效吸收發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和噪聲[1]。

（4）使用壽命：短艙的經(jīng)濟(jì)服務(wù)壽命應(yīng)滿足一定的飛行小時(shí)/飛行循環(huán)的要求。

（5）工作環(huán)境：短艙結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境多變，一般需滿足在-74～＋55℃范圍內(nèi)正常工作。

（6）維護(hù)性：因具有良好的維修性，便于飛機(jī)航前航后的發(fā)動(dòng)機(jī)檢查和維修。

（7）短艙結(jié)構(gòu)還需要滿足中國民用航空規(guī)章第25部一運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR 25相關(guān)條款的要求[2]。

2 短艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

典型的翼吊飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙結(jié)構(gòu)包括進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)、風(fēng)扇罩結(jié)構(gòu)、反推力結(jié)構(gòu)、排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 短艙結(jié)構(gòu)示意圖

考慮短艙的溫度、空間、防火要求和振動(dòng)環(huán)境等使用特性，短艙結(jié)構(gòu)材料選用大多為耐腐蝕性材料。短艙結(jié)構(gòu)主要零件材料以復(fù)合材料、鈦合金為主，其余輔助結(jié)構(gòu)則根據(jù)溫度場的不同采用鋁合金材料[3]。同時(shí)，短艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有通風(fēng)和排液等通道，保證短艙結(jié)構(gòu)內(nèi)部無大量腐蝕性蒸汽和液體等殘留。

2.1 進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)

進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)主要由唇口蒙皮、內(nèi)壁板、外壁板、前隔板、后隔板部件組成。進(jìn)氣道的主要設(shè)計(jì)要求為：

（1）進(jìn)氣道除了應(yīng)該能過承受限制載荷和疲勞載荷外，還應(yīng)該能夠承受FBO（Fan Blade Out）載荷要求，在風(fēng)扇葉片斷裂打出的狀態(tài)下，飛機(jī)應(yīng)該能夠安全降落。

（2）進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)位于短艙前端，應(yīng)滿足CCAR255 71（e）防鳥撞的要求，應(yīng)該能夠承受4磅重的鳥以相對于飛機(jī)350節(jié)速度的沖擊。因此，進(jìn)氣道唇口蒙皮一般采用整體成型的鋁合金材料，與唇口蒙皮連接的內(nèi)外壁板和前后隔板的設(shè)計(jì)載荷同樣需考慮鳥撞載荷。

（3）進(jìn)氣道應(yīng)滿足管路爆破的熱環(huán)境和高壓環(huán)境，檢測到管路爆破時(shí)，飛機(jī)應(yīng)能夠在相關(guān)的飛行限制條件下，成功的完成飛行包線內(nèi)的航行。對于沒有被檢測到的管路爆破或者管路泄漏，則不應(yīng)導(dǎo)致防火密封件的損壞。

（4）進(jìn)氣道還需滿足防冰要求，一般采用熱氣防冰或者電熱防冰。電熱防冰是通過布置在不同加熱區(qū)內(nèi)的加熱元件利用短艙防冰控制器進(jìn)行加熱控制，布置在加熱區(qū)內(nèi)的溫度傳感器提供的信號可以實(shí)現(xiàn)對加熱溫度的監(jiān)視和過熱告警。而熱氣防冰系統(tǒng)將引自發(fā)動(dòng)機(jī)的熱氣通過安裝在短艙前緣與前壁板之間的管道噴射到前緣蒙皮進(jìn)行加熱。

電加熱防冰系統(tǒng)由于不需要從發(fā)動(dòng)機(jī)引氣，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡單，但由于電防冰系統(tǒng)需要增加額外的發(fā)電機(jī)，因此在重量上不具有優(yōu)勢。熱氣防冰系統(tǒng)在目前應(yīng)用更為廣泛、技術(shù)更為成熟，現(xiàn)役主流機(jī)型包括B737和A320均采用了熱氣防冰系統(tǒng)。

此外，為滿足減噪要求，內(nèi)壁版一般采用消聲設(shè)計(jì)，為若干層帶有消聲襯墊的蜂窩結(jié)構(gòu)。同時(shí)為了滿足進(jìn)氣道排水要求，內(nèi)壁版蜂窩結(jié)構(gòu)在6點(diǎn)鐘方向（即發(fā)動(dòng)機(jī)軸線正下方位置）一般布置有排水槽。主流的短艙結(jié)構(gòu)一般在進(jìn)氣道上方布置有NACA進(jìn)氣口，為風(fēng)扇艙提供通風(fēng)氣流。

2.2 風(fēng)扇罩結(jié)構(gòu)

風(fēng)扇罩作為動(dòng)力裝置的氣動(dòng)整流罩，一般分為左右半罩和上端指型罩。左右半罩在關(guān)閉時(shí)為發(fā)動(dòng)機(jī)本體提供結(jié)構(gòu)保護(hù)，同時(shí)在打開時(shí)為發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇艙內(nèi)部機(jī)匣的維護(hù)提供了途徑。風(fēng)扇罩的主要設(shè)計(jì)要求為：

（1）風(fēng)扇罩結(jié)構(gòu)除了應(yīng)該能過承受限制載荷和疲勞載荷外，還應(yīng)該能夠承受FBO載荷要求，能夠承受管路爆破鋒壓載荷和穩(wěn)態(tài)壓力。

（2）風(fēng)扇罩作為風(fēng)扇艙火區(qū)的防火墻，應(yīng)該能夠滿足防火要求，能夠承受前5 min發(fā)動(dòng)機(jī)空中慢車和后10 min發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)車狀態(tài)。

（3）風(fēng)扇罩屬于閃電防護(hù)區(qū)，必須滿足CCAR25 581條款的相關(guān)閃電防護(hù)的設(shè)計(jì)要求。

（4）風(fēng)扇罩上端的指型罩還需滿足鳥撞要求

風(fēng)扇罩一般通過若干鉸鏈掛接于吊掛或者發(fā)動(dòng)機(jī)本體，關(guān)閉時(shí)通過鎖扣鎖緊兩側(cè)罩體。為打到減重目的，風(fēng)扇罩一般為鋁合金材質(zhì)或者蜂窩結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，蒙皮外層可鋪設(shè)閃電防護(hù)的銅網(wǎng)。風(fēng)扇罩一般帶有泄壓口蓋和滑油箱口蓋，分別用于風(fēng)扇艙內(nèi)的壓力釋放和滑油箱維護(hù)檢查。

2.3 反推結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)D型反推主要由鉸鏈/鉸鏈梁、外罩體、格柵、阻氣門、鎖、內(nèi)罩體、前扭力盒框等結(jié)構(gòu)組成。內(nèi)外罩體結(jié)構(gòu)需滿足強(qiáng)度、閃電防護(hù)、通風(fēng)排液、降噪等要求。內(nèi)罩體還應(yīng)該能夠承受內(nèi)部高溫環(huán)境和內(nèi)部管路爆破的工況，并在接口處布置防火密封件，在內(nèi)表面布置防火隔熱毯以滿足防火要求。

阻流門式反推是目前民航使用最為廣泛的反推形式。在飛機(jī)降落時(shí)，反推阻氣門機(jī)構(gòu)在發(fā)推打開時(shí)展開，擋住外涵道氣流向后排出，使得外涵道氣流通過格柵向前排出產(chǎn)生反推力；飛行正常飛行狀態(tài)時(shí)，阻氣門機(jī)構(gòu)收起在內(nèi)消聲壁板下側(cè)，為外涵道提供光滑的氣動(dòng)表面。傳統(tǒng)D型反推結(jié)構(gòu)與風(fēng)扇罩類似，同樣分為左右罩體，使用鉸鏈掛接在吊掛兩側(cè)，并通過6點(diǎn)鐘方向鎖體結(jié)構(gòu)打開和關(guān)閉鎖緊。

與傳統(tǒng)D型反推不同，某種新型飛機(jī)采用了一種新的O型反推結(jié)構(gòu)。由于該種反推省去了6點(diǎn)鐘的鎖梁和鎖體結(jié)構(gòu)，無法像D型反推一樣通過左右罩體打開維護(hù)，只能采用主罩體向后滑動(dòng)的形式打開。且由于內(nèi)罩體最大剖面在中間，故內(nèi)罩體分為兩段，前段采用開啟形式，后段采用后滑移形式。

與傳統(tǒng)D型反推相比，O型反推節(jié)省了部分鎖梁的重量，增加了外涵道占比，因此達(dá)到了減重和提升氣動(dòng)效應(yīng)的目的。但由于結(jié)構(gòu)形式的變化，新型反推維護(hù)步驟較多，維護(hù)性相比與傳統(tǒng)的D型反推還有待考驗(yàn)。

2.4 排氣系統(tǒng)

排氣系統(tǒng)位于發(fā)動(dòng)機(jī)尾部，為排出發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流提供光滑的氣動(dòng)表面。排氣系統(tǒng)由尾噴管組件和尾錐組件兩部分組成。尾噴管一般通過前端的法蘭與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣的法蘭連接，同時(shí)與反推內(nèi)固定結(jié)構(gòu)有防火封嚴(yán)的接口。為承受尾噴口高溫，尾噴管和尾錐組件材料一般采用鎳基合金等高溫合金。

3 結(jié)束語

民用飛機(jī)的短艙設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)過程，需考慮多方面因素，參考多種機(jī)型設(shè)計(jì)方案，結(jié)合所需機(jī)型特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。短艙結(jié)構(gòu)作為動(dòng)力裝置的重要組成部分，國際上已有較為成熟的經(jīng)驗(yàn)和范例。而國內(nèi)對于短艙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，尚不夠成熟，仍然需要投入大量而精細(xì)的研究工作。

[1]《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊》總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊第10冊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000：494-499.

[2]中國民用航空局.CCAR-25-R4運(yùn)輸類飛機(jī)試航標(biāo)準(zhǔn)[S].中國民用航空局，2011.

[3]費(fèi)衡甫.麥道飛機(jī)聯(lián)絡(luò)工程手冊[M].北京：航空工業(yè)出版社，1996：131-135.

Nacelle Design Research on W ing-mounted Turbofan Engine CivilAircraft

WANG Jia-cheng
（Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai201210，China）

The layout shape of wing-mounted turbofan engine is the mainstream of civil aircraft.As the cowling，fire proof and thrust reverser of the engine，the nacelle structure attaches great importance to the influence of the engine performance，weight，noise，vibration，operability and maintenance.This paper ismainly focus on the nacelle structure and composition form of the wing-mounted turbofan engine.

civil aircraft；turbofan engine；nacelle structure

V235.1

A

1672-545X（2017）04-0064-02

2017-01-20

王加成（1990-），男，上海人，工程師，碩士，研究方向：飛機(jī)短艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。