航空發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)上的安裝結(jié)構(gòu)

趙祥敏 薄純智

（中航工業(yè)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所，遼寧 沈陽(yáng)110015）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)與飛機(jī)之間的安裝構(gòu)件將發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、重量及慣性力傳遞到飛機(jī)機(jī)體上，同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝方式還會(huì)影響到飛機(jī)的氣動(dòng)性能。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)上的安裝方式設(shè)計(jì)對(duì)于飛機(jī)的結(jié)構(gòu)完整性及氣動(dòng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

本文介紹了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式。

1 需要考慮的問(wèn)題

在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝設(shè)計(jì)工作開(kāi)始前或者設(shè)計(jì)過(guò)程中，以下幾個(gè)問(wèn)題需要注意：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的強(qiáng)度承受飛機(jī)在加減速或轉(zhuǎn)向時(shí)的慣性力、飛行方向的最大推力以及由于該推力產(chǎn)生的彎曲力矩、飛機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)的陀螺力矩等。

（2）航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)當(dāng)剛性固定到飛機(jī)上，即發(fā)動(dòng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)應(yīng)該確保飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間無(wú)相對(duì)活動(dòng)量。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)應(yīng)避免由飛機(jī)承力框架的變形給發(fā)動(dòng)機(jī)帶來(lái)附加應(yīng)力。

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)避免發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間的熱膨脹給飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)或者安裝系統(tǒng)帶來(lái)額外的工作應(yīng)力。

（5）發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)上的裝配及分解工作的可操作性直接影響了飛機(jī)的維修時(shí)間，也應(yīng)該得到重視。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)的負(fù)載分析

對(duì)安裝結(jié)構(gòu)能夠承受的負(fù)載的限制有時(shí)由客戶(hù)或者設(shè)計(jì)單位提出，也有一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此進(jìn)行了規(guī)定。例如歐洲航空安全管理局（EASA）就利用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了大型民用飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)的最大扭矩、最大橫向負(fù)載、最大陀螺力矩等。

1.2 熱膨脹問(wèn)題

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端工作的零組件都有熱膨脹的問(wèn)題，但并不是所有的熱膨脹量都會(huì)傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)上，只有在傳力路線(xiàn)上零件的熱膨脹才會(huì)有影響，例如軸承支座、承力機(jī)匣等。熱膨脹受很多因素影響。首先，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)越高，熱端溫度越高，熱膨脹量則越大；其次，在同樣的溫升條件下，同樣尺寸的零件，如果材料的熱膨脹系數(shù)不同，熱膨脹量也會(huì)相差甚多。例如，原尺寸為1米的某高溫合金材料，當(dāng)溫升達(dá)到600攝氏度時(shí)，則它的伸長(zhǎng)量可達(dá)9毫米。這樣的變形量足以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、安裝結(jié)構(gòu)及飛機(jī)帶來(lái)顯著的附加應(yīng)力。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)上的安裝位置

在開(kāi)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作之前，首先應(yīng)該確定發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)上的安裝位置，而安裝位置在很大程度上受飛機(jī)的飛行速度要求。當(dāng)飛機(jī)的飛行速度超過(guò)音速，飛機(jī)的空氣阻力將大幅上升，因此，超音速飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)布局應(yīng)該考慮減小飛機(jī)整體的迎風(fēng)面積。

2.1 亞音速飛機(jī)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)布局

目前大多數(shù)亞音速飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)位于翼下，即翼吊布局，例如Airbus的A380。此外，還有常見(jiàn)于商務(wù)客機(jī)的將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在飛機(jī)后機(jī)身的布局，即尾吊布局，例如Gulfstream的G550，以及翼下/尾吊布局，例如Lockheed的Tristar。

對(duì)于翼吊布局的發(fā)動(dòng)機(jī)，傳播到客艙內(nèi)的噪音較小、飛機(jī)穩(wěn)定性高，此外，還能減小飛機(jī)飛行時(shí)機(jī)翼根部的應(yīng)力，從而降低了機(jī)翼及機(jī)身的強(qiáng)度需求，并進(jìn)一步降低了飛機(jī)的自身重量。然而，翼吊布局會(huì)增大飛機(jī)飛行時(shí)的空氣阻力。為了盡量減小由此帶來(lái)的空氣阻力，應(yīng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的前后位置以及距離機(jī)翼的高度。

對(duì)于尾吊布局的發(fā)動(dòng)機(jī)，氣流不受發(fā)動(dòng)機(jī)的干擾，而且可以降低飛機(jī)起落架的高度，從而有利于減輕飛機(jī)的自身重量。另外，由于不存在翼吊飛機(jī)中單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)為了克服單機(jī)彎矩而需要的厚重的方向舵，也有助于減小飛機(jī)的重量。然而，為了避免發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣對(duì)飛機(jī)尾翼氣流的影響，飛機(jī)尾部應(yīng)當(dāng)做成“T”形結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)會(huì)限制飛機(jī)的飛行攻角，否則受氣流的影響，飛機(jī)容易因?yàn)椴灰卓刂贫霈F(xiàn)危險(xiǎn)。

2.2 超音速飛機(jī)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)布局

超音速飛機(jī)在軍用飛機(jī)中非常普遍。無(wú)論在單發(fā)還是雙發(fā)的戰(zhàn)機(jī)中，發(fā)動(dòng)機(jī)一般內(nèi)嵌在機(jī)身內(nèi)。作為超音速民用客機(jī)的Concorde，配裝了四個(gè)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)及其進(jìn)氣道在集成在機(jī)翼的下方。這種內(nèi)嵌式發(fā)動(dòng)機(jī)布局僅適用于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)或者低涵道比的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。

在超音速飛機(jī)中，之所以?xún)?nèi)嵌式布局較為普遍，是因?yàn)樵摬季譁p小了飛機(jī)的迎風(fēng)面積，從而降低了超音速飛行時(shí)的空氣阻力。但采用該布局的飛機(jī)有機(jī)艙內(nèi)噪音大的缺點(diǎn)。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)與飛機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)包含六個(gè)自由度，發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝系統(tǒng)應(yīng)該通過(guò)多個(gè)懸掛點(diǎn)約束這六個(gè)自由度。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的軸向和徑向熱膨脹不應(yīng)該受到約束。

一般情況下，有以下四種基本的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝系統(tǒng)的基本單元。

（1）可以約束三個(gè)移動(dòng)自由度的固定的球連接或者錐形軸頸；

（2）可以約束兩個(gè)移動(dòng)自由度的滑動(dòng)軸頸；

（3）可以約束平面內(nèi)兩個(gè)自由度的鉸接固定的“A”形支架；

（4）僅可以承受沿拉桿方向的力的鉸接拉桿。

這四種安裝結(jié)構(gòu)的基本單元可以組合成不同的靜定的安裝系統(tǒng)，同時(shí)不會(huì)約束發(fā)動(dòng)機(jī)的熱膨脹。最終的組合形式取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其安裝形式。

3.1 翼吊布局的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)

采用翼吊布局的發(fā)動(dòng)機(jī)一般通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的前后吊點(diǎn)懸掛在飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)掛架上。該結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)有很多類(lèi)型，其中一些是靜定結(jié)構(gòu)，而有一些的傳力路線(xiàn)存在冗余設(shè)計(jì)，冗余設(shè)計(jì)提高了結(jié)構(gòu)可靠性。例如B747的發(fā)動(dòng)機(jī)就采用了冗余的支撐結(jié)構(gòu)，它的前吊點(diǎn)、后吊點(diǎn)及推力拉桿分別連接到發(fā)動(dòng)機(jī)掛架上。前吊點(diǎn)采用了錐形軸頸，后吊點(diǎn)采用了“A”形支架與鉸接拉桿的聯(lián)合結(jié)構(gòu)。

3.2 尾吊布局的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)

對(duì)于尾吊布局的發(fā)動(dòng)機(jī)，適用于翼吊布局的懸掛式結(jié)構(gòu)已不在適用，而更為廣泛的采用側(cè)向支撐結(jié)構(gòu)。例如，飛機(jī)Fokker F-28的發(fā)動(dòng)機(jī)，前支點(diǎn)由位于發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)面的推力軸承和一個(gè)連接到發(fā)動(dòng)機(jī)上方的鉸接拉桿組成，后支點(diǎn)通過(guò)“A”形支架固定在發(fā)動(dòng)機(jī)的上方。

3.3 嵌入機(jī)身的發(fā)動(dòng)機(jī)安裝結(jié)構(gòu)

對(duì)于嵌入機(jī)身的發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的上方和側(cè)面都可以用于固定發(fā)動(dòng)機(jī)的支撐點(diǎn)。例如F-14的前支點(diǎn)為布置在發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)的兩個(gè)滑動(dòng)軸頸結(jié)構(gòu)，后支點(diǎn)為位于發(fā)動(dòng)機(jī)上方的兩端鉸接的拉桿結(jié)構(gòu)。而F-104飛機(jī)的前支點(diǎn)為用于懸掛的鉸接拉桿，后支點(diǎn)為位于發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)的兩個(gè)滑動(dòng)軸頸。

4 結(jié)論

發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝結(jié)構(gòu)應(yīng)該滿(mǎn)足本文中列出的所有設(shè)計(jì)要求。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要綜合考慮飛機(jī)的空氣阻力、自身重量，以及結(jié)構(gòu)的可靠性、維修性等。然而，這些設(shè)計(jì)因素往往是相互矛盾，顧此失彼的，因此一個(gè)成功的安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不是在所有方面都做到最優(yōu)，而是從中找到最佳的折中點(diǎn)，使安裝結(jié)構(gòu)的綜合性能最適合該型飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。

［1］Klaus Hunecke,Jet engines:Fundamentals of Theroy,Design and Operation[M].Wiltshire:Airlife Publishing Ltd,1997.

［2］Michael C.Y.Niu,Airframe structural design[M].Hong Kong:Hong Kong Conmilit Press Ltd.,2002.