大型客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)AGB安裝位置對(duì)吊掛總體布置設(shè)計(jì)的影響研究

趙海濤

【摘 要】發(fā)動(dòng)機(jī)AGB的安裝位置是飛機(jī)吊掛總體布置的重要因素，本文根據(jù)現(xiàn)役大型客機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)研結(jié)果，結(jié)合型號(hào)研制經(jīng)驗(yàn)，分析了在飛機(jī)設(shè)計(jì)概念階段、初步設(shè)計(jì)階段進(jìn)行總體布置工作過(guò)程中，AGB的安裝位置對(duì)氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、安全性、維修性設(shè)計(jì)的影響，并得出相關(guān)結(jié)論，為大型客機(jī)相關(guān)工作提供參考。

【關(guān)鍵字】大型客機(jī)；發(fā)動(dòng)機(jī)；附件齒輪箱；AGB；總體布置

中圖分類號(hào)： U469.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）21-0035-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.016

0 引言

對(duì)于當(dāng)今大型客機(jī)研制追求優(yōu)良性能的過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)是非常重要的因素之一。對(duì)于一款成熟的發(fā)動(dòng)機(jī)，通常會(huì)提供給不同型號(hào)的飛機(jī)，但由于不同型號(hào)飛機(jī)的設(shè)計(jì)要求不一樣，對(duì)于某個(gè)特定型號(hào)的飛機(jī)，需要飛機(jī)制造商和發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商共同定義機(jī)體/發(fā)動(dòng)機(jī)界面，以便發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)性能能夠滿足飛機(jī)的要求。吊掛的設(shè)計(jì)不僅要考慮飛機(jī)制造商和發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商在合同中規(guī)定的要求，更要從總體布置的層面考慮發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)體上帶來(lái)的非直接影響，而這些非直接影響通常無(wú)法在合同中予以體現(xiàn)。根據(jù)某型號(hào)飛機(jī)研制經(jīng)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)AGB的安裝位置是飛機(jī)吊掛總體布置的重要因素。基于上述內(nèi)容，本文將根據(jù)現(xiàn)役大型客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)AGB的安裝位置，分析其對(duì)吊掛總體布置設(shè)計(jì)的影響。

1 概述

1.1 AGB的定義

飛機(jī)的很多系統(tǒng)功能都必須依靠發(fā)動(dòng)機(jī)的工作來(lái)實(shí)現(xiàn)，比較重要的系統(tǒng)如液壓系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)等等，而這些系統(tǒng)位于發(fā)動(dòng)機(jī)的部分大都集成在發(fā)動(dòng)機(jī)附件齒輪箱上，英文全稱是Accessory Gear Box，縮寫為AGB。AGB作為發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分，通常由發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商自行決定其安裝位置，而AGB的安裝位置直接決定了與飛機(jī)性能、安全性、維修性有關(guān)系的短艙外形、發(fā)動(dòng)機(jī)/機(jī)體接口定義以及吊掛和機(jī)翼區(qū)域的總體布置設(shè)計(jì)。

1.2 AGB的安裝位置

根據(jù)表1，現(xiàn)役大型客機(jī)所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)AGB布置位置主要集中在以下兩個(gè)區(qū)域：發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇區(qū)和發(fā)動(dòng)機(jī)核心區(qū)，如圖1所示。從圖中可以看出目前全球主要的大型客機(jī)通常配備2至3個(gè)型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)。根據(jù)研制經(jīng)驗(yàn)，飛機(jī)制造商對(duì)于某型號(hào)飛機(jī)多型發(fā)動(dòng)機(jī)性能的需求和要求大致相同，但由于各家公司發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)理念的不同，使得AGB會(huì)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的不同區(qū)域以提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。例如，GE公司CF6、GE90、GEnx系列發(fā)動(dòng)機(jī)AGB都安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)核心區(qū)[1-2]，而RR公司Trent700/800/900/1000/XWB系列發(fā)動(dòng)機(jī)的AGB都安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇區(qū)[3-7]。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)/吊掛的物理分界面

發(fā)動(dòng)機(jī)和吊掛的物理分界面通常是作為飛機(jī)機(jī)體和發(fā)動(dòng)機(jī)的物理分界面，也是飛機(jī)制造商和發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商工作內(nèi)容和責(zé)任的分界面，飛機(jī)制造商在界面上要對(duì)系統(tǒng)的接口進(jìn)行控制，以便雙方可以在相同的基準(zhǔn)下各自進(jìn)行工作。同時(shí)，這個(gè)物理分界面也充當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)火區(qū)和吊掛非火區(qū)的隔離，通常具備防火功能，所以在某些部位，物理分界面也成為防火墻。

1.4 吊掛總體布置設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)吊掛主要有兩個(gè)功能，一個(gè)是傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)體的載荷，另一個(gè)是滿足吊掛內(nèi)部各個(gè)系統(tǒng)的布置?？傮w布置設(shè)計(jì)要保證結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)在集成過(guò)程中，保證飛機(jī)的性能最優(yōu)，而保證飛機(jī)性能是在滿足各個(gè)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，通過(guò)以下3個(gè)主要方面進(jìn)行評(píng)價(jià)：系統(tǒng)布置（包括安全性、維修性）、氣動(dòng)特性和總體布局。

1.5 假設(shè)條件

本位介紹的內(nèi)容有以下1個(gè)假設(shè)條件：發(fā)動(dòng)機(jī)前安裝節(jié)位于發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇區(qū)頂部。

2 AGB安裝位置對(duì)吊掛總體布置設(shè)計(jì)的影響分析

2.1 AGB風(fēng)扇區(qū)安裝的影響分析

a）對(duì)系統(tǒng)布置的影響分析：

AGB風(fēng)扇區(qū)安裝：使得大部分管線路由風(fēng)扇機(jī)匣上方的空間進(jìn)入吊掛，發(fā)動(dòng)機(jī)管線路通過(guò)在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣頂部和吊掛前端附近設(shè)置的物理分界面（防火墻）并沿著吊掛上整流罩內(nèi)部的空間進(jìn)入機(jī)翼內(nèi)部，這樣的布置方案在拆除吊掛上整流罩蒙皮后，使得大部分管線路和設(shè)備具有良好的可視性、可達(dá)性；

AGB核心區(qū)安裝：使得大部分管線路需要通過(guò)底部防火墻和BIFI（定義）進(jìn)入吊掛，對(duì)于液壓管路、燃油管路和EWIS線束位于底部防火墻的接頭而言，可達(dá)性較差，而且很有可能需要在主吊掛結(jié)構(gòu)上開口以方便接頭的操作。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)核心區(qū)，除了AGB，還有很多發(fā)動(dòng)機(jī)自身的管線路需要布置，對(duì)于一些體積較大的設(shè)備，如PCE（預(yù)冷器）、FAV（風(fēng)扇空氣活門）等，無(wú)論他們位于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)或是吊掛內(nèi)，都沒有太多調(diào)整的空間，位置會(huì)受到較大的約束，所以，眾多位于底部防火墻的接頭的位置也沒有太多可以調(diào)整的空間，對(duì)于吊掛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，就必須考慮為這些管線路的布置留出足夠的空間，必要時(shí)需要做出讓步；大量的管線路從底部防火墻進(jìn)入吊掛后的通道，需要與這些管線路在吊掛/機(jī)翼區(qū)域的接口統(tǒng)籌考慮，盡量避免在吊掛內(nèi)部出現(xiàn)交叉，導(dǎo)致較差的維修性。

b）對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)特性的影響分析

AGB風(fēng)扇區(qū)安裝：越小的飛機(jī)截面積對(duì)氣動(dòng)阻力的降低越有利，若上整流罩區(qū)域布置太多管線路和設(shè)備，特別是在防火墻處，通常會(huì)布置體積相對(duì)較大的管線路快卸接頭，會(huì)使得吊掛上整流罩區(qū)域截面積增大。為了減少對(duì)氣動(dòng)的不利影響，如果采用壓縮接頭間距的方法，會(huì)降低接頭的可操作性，上整流罩內(nèi)部系統(tǒng)之間的間距也會(huì)被迫壓縮，不利于安全性設(shè)計(jì)以及管線路的安裝；若風(fēng)扇區(qū)AGB安裝在風(fēng)扇機(jī)匣側(cè)面，則風(fēng)扇機(jī)匣處的短艙外形高度可以略小，這樣節(jié)省出來(lái)的空間可以用于增加流道高度或增加短艙離地高度。若AGB安裝在風(fēng)扇區(qū)下方，則風(fēng)扇機(jī)匣處的短艙外形高度就相對(duì)較大，這樣類型的發(fā)動(dòng)機(jī)很難適用于座級(jí)較少或起落架較短的大型客機(jī)，否則短艙或發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)有擦地的風(fēng)險(xiǎn)，或者也會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)流道高度較低的情況，并很有可能引起流道處氣動(dòng)阻力的增加。

AGB核心區(qū)安裝：由于在風(fēng)扇區(qū)沒有液壓、燃油、氣源系統(tǒng)的管路和大部分的EWIS線束，上整流罩在前安裝節(jié)附近的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)的系統(tǒng)管線路和接頭的約束就比較少，有利于此處的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)BIFI位于發(fā)動(dòng)機(jī)外涵道內(nèi)，所以較寬的BIFI勢(shì)必會(huì)對(duì)外涵道的流量產(chǎn)生影響。設(shè)計(jì)過(guò)程中需要盡可能地控制BIFI的寬度，不要影響發(fā)動(dòng)機(jī)自身的性能。

c）對(duì)飛機(jī)總體布局的影響分析

AGB風(fēng)扇區(qū)安裝：為了能夠既滿足氣動(dòng)特性和系統(tǒng)布置要求，根據(jù)流道高度、機(jī)翼前緣高升力面參數(shù)等需求，通過(guò)布置手段將吊掛上整流罩內(nèi)的系統(tǒng)進(jìn)行合理排布，將上整流罩截面設(shè)計(jì)成較高較窄、較低較寬或折中的形狀。對(duì)于較高較窄的方案，有可能使得吊掛上整流罩最高點(diǎn)超過(guò)機(jī)翼前緣線，影響升力特性，若降低發(fā)動(dòng)機(jī)高度則可能引起發(fā)動(dòng)機(jī)擦地（前起落架折斷情況下）的風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)于較低較寬的吊掛，會(huì)使得機(jī)翼前緣增升裝置的長(zhǎng)度減少，并且使得發(fā)動(dòng)機(jī)下沉量減少，引起激波阻力的可能，但是可以保證足夠的短艙的離地高度；

AGB核心區(qū)安裝：管線路在由底部防火墻進(jìn)入吊掛上整流罩時(shí)需要轉(zhuǎn)彎，在這個(gè)過(guò)程中，需要注意各個(gè)不同系統(tǒng)管線路不同的轉(zhuǎn)彎要求，合理布置，與氣動(dòng)外形相協(xié)調(diào)。

d）對(duì)重心的影響分析

AGB風(fēng)扇區(qū)安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)重心較靠前，AGB核心區(qū)安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)重心較靠后，靠后的重心距離發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)翼連接點(diǎn)的位置更近，有利于吊掛、機(jī)翼結(jié)構(gòu)的減重設(shè)計(jì)。

2.2 現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)AGB安裝方案的分析

AGB風(fēng)扇區(qū)安裝方案對(duì)于短艙外形的影響較大，進(jìn)而會(huì)影響機(jī)翼前緣增升裝置、流道高度、機(jī)翼上表面外形等對(duì)氣動(dòng)特性影響較大的幾個(gè)因素，但是對(duì)于系統(tǒng)布置而言會(huì)相對(duì)容易，內(nèi)部系統(tǒng)具備相對(duì)較好的維修性。根據(jù)表1，可以看出AGB風(fēng)扇區(qū)安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)既適用于A320、B737這類200座級(jí)以下的飛機(jī)，也適用于A350、B777、B787這類300座級(jí)的飛機(jī)。

AGB核心區(qū)安裝方案對(duì)于短艙外形的影響較小，但是會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)布置難度較大，從表1可以看出AGB核心區(qū)安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用在B777、B787這類300座級(jí)的飛機(jī)。

值得注意的是，A320、B737這類200座級(jí)以下的飛機(jī)并沒有采用AGB核心區(qū)安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)研制經(jīng)驗(yàn)，是由于200座級(jí)以下飛機(jī)的起落架較短，發(fā)動(dòng)機(jī)離地高度較小，這兩個(gè)因素限制了發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸，將AGB安裝在風(fēng)扇區(qū)，可以有效減少BIFI內(nèi)部的布置空間需求，以便增加外涵道截面積，可以在有限的尺寸下提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能；對(duì)于300座級(jí)的飛機(jī)而言，由于受到發(fā)動(dòng)機(jī)離地高度，起落架長(zhǎng)度的限制較小，所以發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸相對(duì)較大，雖然AGB安裝在核心區(qū)，BIFI內(nèi)布置更多的管線路和設(shè)備，其尺寸會(huì)較寬，但是較大的發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸也意味著更大的外涵道截面積，所以BIFI寬度增加對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力影響不大。

2.3 總體布置設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)過(guò)程分析

由于AGB的設(shè)計(jì)屬于發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商，根據(jù)本章上述分析內(nèi)容，AGB安裝位置涉及到的專業(yè)很多，在初期大量協(xié)調(diào)和大量數(shù)據(jù)交換過(guò)程中，利用數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)工作，利用其多方案配置等功能，可以保證數(shù)據(jù)的有效性、唯一性等，極大地提高協(xié)同工作效率。

3 結(jié)論

本文基于兩種不同AGB安裝位置，分析了其對(duì)吊掛總體布置設(shè)計(jì)的影響，在飛機(jī)概念設(shè)計(jì)階段（供應(yīng)商選擇）和初步設(shè)計(jì)階段，將這些影響納入到設(shè)計(jì)考慮中，可以有效預(yù)見后期可能出現(xiàn)的問題，幫助飛機(jī)制造商選擇合適型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)，并及早與發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商進(jìn)行協(xié)調(diào)，優(yōu)化AGB的位置，避免出現(xiàn)設(shè)計(jì)反復(fù)和資源浪費(fèi)，最終保證飛機(jī)研制進(jìn)程可以順利推進(jìn)。

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