大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)安裝技術(shù)研究

馮 凱，李洪軍，趙 興

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015）

1 引言

安裝系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)與飛機(jī)連接的橋梁，是發(fā)動(dòng)機(jī)上的重要承力件，把發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、重力、側(cè)向力和扭矩傳遞給飛機(jī)，同時(shí)還將飛機(jī)起飛、著陸和飛行引起的慣性力和其它氣動(dòng)力傳遞給飛機(jī)。安裝方式?jīng)Q定了發(fā)動(dòng)機(jī)與飛機(jī)連接構(gòu)件的復(fù)雜性，大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)小涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，設(shè)計(jì)中需要考慮的因素也更多。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)上的安裝方式

大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于大型客機(jī)、大型運(yùn)輸機(jī)或特種飛機(jī)上。發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)上的安裝方式，主要取決于飛機(jī)設(shè)計(jì)，與飛機(jī)用途、飛機(jī)類型密切相關(guān)，直接影響飛機(jī)的整體布局、氣動(dòng)外形及飛機(jī)的承力結(jié)構(gòu)，同時(shí)也影響安裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。目前，較為主流的安裝方式有翼吊安裝和尾部安裝。

2.1 翼吊安裝

采用大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的飛機(jī)，其翼展較大，將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在動(dòng)力裝置短艙內(nèi)，并采用掛架懸吊在機(jī)翼下，通常稱為翼吊。翼吊安裝方式廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代大型民用飛機(jī)和運(yùn)輸機(jī)。采用該種安裝方式發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)容易，客艙噪音小，發(fā)動(dòng)機(jī)油路布置容易。

2.2 尾部安裝

當(dāng)安裝兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，可在機(jī)身尾部?jī)蓚?cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)支架上各懸掛一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，如MD-90、ARJ-21等。發(fā)動(dòng)機(jī)采用尾部安裝方式安裝在飛機(jī)上時(shí)，對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)位于發(fā)動(dòng)機(jī)左右兩側(cè)，安裝節(jié)平面平行于發(fā)動(dòng)機(jī)中垂面，此時(shí)安裝節(jié)需額外考慮承受發(fā)動(dòng)機(jī)重心對(duì)安裝節(jié)安裝分界面處的彎矩。采用改裝安裝方式發(fā)動(dòng)機(jī)離地間隙大，單發(fā)偏航力矩小，但維護(hù)不便。

2.3 其他安裝方式

在大型飛機(jī)研制發(fā)展過(guò)程中，為了保證飛機(jī)推重比，往往需要安裝兩臺(tái)至四臺(tái)（或更多數(shù)量）發(fā)動(dòng)機(jī)，為此還出現(xiàn)過(guò)其他幾種安裝方式。當(dāng)安裝四臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，可在機(jī)身尾部?jī)蓚?cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)支架上各懸掛兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，如前蘇聯(lián)的伊爾-62飛機(jī)。當(dāng)安裝三臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，可在機(jī)身尾部?jī)蓚?cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)支架上各懸掛一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，另一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)則安裝在飛機(jī)的對(duì)稱平面內(nèi)，如英國(guó)的“三叉戟”等。當(dāng)安裝三臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，可在機(jī)翼下通過(guò)吊掛各吊裝一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，另一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)則安裝在飛機(jī)的對(duì)稱平面內(nèi)。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)結(jié)構(gòu)

3.1 安裝節(jié)結(jié)構(gòu)類型

發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝節(jié)是發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)上的連接、支承和固定節(jié)點(diǎn)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)不同，發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)上的安裝位置和形式各異，發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝節(jié)結(jié)構(gòu)形式也不相同。單從受力角度分析，安裝節(jié)可分為靜定安裝方式和靜不定安裝方式。

（1）靜定安裝方式：發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)中無(wú)多余的非受力構(gòu)件，即發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝系統(tǒng)中沒有額外的冗余約束。這種安裝方式安裝節(jié)點(diǎn)數(shù)目最少，安裝系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，重量小。軍用飛機(jī)、尤其是追求大起飛推重比的軍用飛機(jī)，其發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用此種安裝方式。設(shè)計(jì)上對(duì)這種安裝方式要求較高，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)構(gòu)件的受力和傳力要合理，安裝節(jié)的可靠性要高，傳力和熱膨脹的補(bǔ)償裝置要充分而有效，安裝節(jié)構(gòu)件的剩余強(qiáng)度系數(shù)要稍大些，因?yàn)橐坏┠硞€(gè)安裝節(jié)失效或損壞，將影響整個(gè)安裝系統(tǒng)的傳力，必將危及飛行安全。

（2）靜不定安裝方式：發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)中存在多余非受力構(gòu)件，即發(fā)動(dòng)機(jī)安裝體系中除基本固定結(jié)構(gòu)之外，還存在冗余約束。它在飛機(jī)正常飛行和發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作情況下，不承受任何方向的力和力矩。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)基本固定結(jié)構(gòu)失效，或者飛機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生異常變形時(shí)，它即對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起支撐作用而承受某個(gè)方向的力和力矩，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)上安裝系統(tǒng)的有效性，確保飛行安全。由于存在多余約束，這種安裝方式結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，重量相應(yīng)增加。靜不定安裝方式從某種意義上來(lái)說(shuō)實(shí)際上是發(fā)動(dòng)機(jī)安裝的余度設(shè)計(jì)，以犧牲發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)的重量換取意外情況下的發(fā)動(dòng)機(jī)固有的可靠性，當(dāng)其中一種結(jié)構(gòu)失效后由其余結(jié)構(gòu)代替其進(jìn)行傳力，從而保證飛行安全。大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)大多采用此種安裝方式。

3.2 翼吊安裝方式對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)結(jié)構(gòu)

采用翼吊安裝方式時(shí)，安裝節(jié)設(shè)計(jì)應(yīng)保證吊艙最低點(diǎn)距地面的高度不小于600mm，進(jìn)氣口唇部下緣距地面的高度不小于900mm，以避免地面滑行或著陸情況下觸地?fù)p壞短艙或造成意外事故，同時(shí)安裝構(gòu)件和結(jié)構(gòu)必需滿足適航等相關(guān)要求，承受規(guī)定的限制載荷并且沒有永久變形；承受規(guī)定的極限載荷并且沒有破壞，但可以出現(xiàn)永久變形；安裝節(jié)可以補(bǔ)償發(fā)動(dòng)機(jī)與飛機(jī)之間的制造誤差，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的順利安裝，同時(shí)具有熱變形補(bǔ)償功能。

在翼吊安裝方式中，分為兩種典型的不同安裝傳力方案。第一種翼吊安裝方案主安裝節(jié)設(shè)置在中介機(jī)匣內(nèi)環(huán)后端面上，輔助安裝節(jié)設(shè)置在渦輪后機(jī)匣上。發(fā)動(dòng)機(jī)推力由主安裝節(jié)傳遞，扭矩主要通過(guò)輔助安裝節(jié)傳遞，發(fā)動(dòng)機(jī)重量、垂直過(guò)載以及側(cè)向力由主、輔安裝節(jié)共同承擔(dān)。代表機(jī)型為V2500、CFM56-5等發(fā)動(dòng)機(jī)。第二種翼吊安裝方案輔助安裝節(jié)設(shè)置在中介機(jī)匣外環(huán)上，主安裝節(jié)設(shè)置在渦輪后機(jī)匣上。推力由主安裝節(jié)傳遞，扭矩主要由輔助安裝節(jié)傳遞，發(fā)動(dòng)機(jī)重量、垂直過(guò)載和側(cè)向力由主、輔安裝節(jié)共同承擔(dān)。代表機(jī)型為CFM56-7、CFM56-3等發(fā)動(dòng)機(jī)。上述兩種安裝方案存在如下各自優(yōu)缺點(diǎn)：在第二種方案中，輔助安裝節(jié)固定在中介機(jī)匣外環(huán)上，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)上方輪廓增大，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)迎風(fēng)面積，從這一點(diǎn)看第一種安裝方案對(duì)減小發(fā)動(dòng)機(jī)的迎風(fēng)面積更有利；在第二種安裝方案中，輔助安裝節(jié)固定在中介機(jī)匣外環(huán)上，中介機(jī)匣外環(huán)直徑較大剛性差，容易引起機(jī)匣的變形；在飛機(jī)的機(jī)翼高度一定的情況下，第一種方案可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)上的高度，使發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)離飛行跑道，能夠降低外來(lái)物被吸入進(jìn)氣整流罩的概率；在第二種安裝方案中，主安裝節(jié)中的兩個(gè)推力桿穿過(guò)核心機(jī)固定在中介機(jī)匣內(nèi)環(huán)后端面上，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)剛性。

4 安裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)需考慮的因素

隨著大型飛機(jī)在軍、民用航空領(lǐng)域應(yīng)用的不斷拓展機(jī)大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)/制造技術(shù)的不斷發(fā)展，大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、性能不斷提升，要求發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝系統(tǒng)考慮到飛機(jī)整個(gè)飛行包線范圍內(nèi)和發(fā)動(dòng)機(jī)任何工作狀態(tài)下所能出現(xiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力載荷和飛機(jī)最大機(jī)動(dòng)過(guò)載，并按規(guī)定考慮安全系數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)艙環(huán)境溫度；發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪燃?xì)鉁囟鹊奶岣?，使得發(fā)動(dòng)機(jī)整體的熱膨脹量增加，安裝系統(tǒng)的連接和固定必需充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)熱變形的補(bǔ)償措施；隨著發(fā)動(dòng)機(jī)在翼工作時(shí)間越來(lái)越久，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的互換性、維護(hù)性、綜合保障等產(chǎn)品壽命周期內(nèi)的使用成本要求也越來(lái)越苛刻。尤其是民用航空，更為追求高可靠性和最佳的經(jīng)濟(jì)性。要求發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)上的安裝和拆卸簡(jiǎn)便快捷，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的快速換裝，在雙發(fā)或多發(fā)飛機(jī)上各個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的結(jié)構(gòu)構(gòu)型和艙內(nèi)附件、管路、電氣部件的布置應(yīng)使發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝具有完全的互換性，而不應(yīng)做任何機(jī)械的或電氣的修改；確保飛機(jī)的戰(zhàn)備完好率、出勤率及在航線上的工作時(shí)間。發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)和飛機(jī)安裝承力構(gòu)件連接接頭之間應(yīng)消除安裝間隙，以防止發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)傳至機(jī)身，并應(yīng)根據(jù)需要設(shè)置隔振裝置，以改善飛機(jī)乘坐人員飛行過(guò)程中的舒適性，避免運(yùn)輸?shù)呢浳镆蛘駝?dòng)而導(dǎo)致?lián)p壞。

5 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)動(dòng)機(jī)不同安裝方案均存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，安裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)需綜合考慮飛機(jī)設(shè)計(jì)要求、發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)性、飛機(jī)掛架強(qiáng)度、發(fā)動(dòng)機(jī)承力機(jī)匣強(qiáng)度、發(fā)動(dòng)機(jī)傳力路線等，既要保證安裝節(jié)具有足夠的剛度、強(qiáng)度，又要便于發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝和拆卸?，F(xiàn)代大涵道比發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)往往需采取余度設(shè)計(jì)，保證安裝系統(tǒng)的工作安全性。