民用翼吊渦扇發動機短艙結構設計研究

王加成

（上海飛機設計研究院，上海201210）

民用翼吊渦扇發動機短艙結構設計研究

王加成

（上海飛機設計研究院，上海201210）

發動機作為翼下吊裝的布局形式是現代民用客機的主流方式，而短艙作為發動機本體的整流罩、防火層和反向推力裝置，其結構對飛機的發動機性能、重量、噪聲、振動、操作性以及維護性等方面具有很大的影響。主要研究了翼吊渦扇發動機短艙的結構和組成形式。

民用飛機；渦扇發動機；短艙結構

對于商用卡車而言，發動機前置，主減速器連接傳動軸與后橋，動力從發動機傳到主減速器，利用準雙曲面齒輪來改變動力傳遞的方向，同時降低轉速、增大扭矩，帶動半軸齒輪、半軸、輪轂、輪胎轉動，驅動車輛行駛。

主齒凸緣螺母裝配在主減速器上，連接凸緣與主動齒輪，一方面提供保證主動齒輪正常轉動的軸向力，另一方面為主齒軸承提供一定的軸承預緊力。凸緣螺母一旦松脫，主減速器會很快失效，導致車輛無法行駛。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 短艙設計要求

短艙的結構設計要求可分為以下幾個方面：

（1）載荷強度：由于發動機固定在短艙內，短艙應能夠承受相應的限制載荷和疲勞載荷。

（2）氣動效應：具有光滑的外形面，對于翼下吊掛區域復雜的氣動區域能產生良好的氣動效應，盡量減少氣動阻力，并且在飛機的整個氣動包線內，向發動機輸送所需空氣。

（3）結構功能：有足夠的空間安裝發動機外部機械系統和相關附件，著陸時能夠提供反推力，具備足夠面積安裝用于降噪的襯墊，能夠有效吸收發動機振動和噪聲[1]。

（4）使用壽命：短艙的經濟服務壽命應滿足一定的飛行小時/飛行循環的要求。

（5）工作環境：短艙結構的工作環境多變，一般需滿足在-74～＋55℃范圍內正常工作。

（6）維護性：因具有良好的維修性，便于飛機航前航后的發動機檢查和維修。

（7）短艙結構還需要滿足中國民用航空規章第25部一運輸類飛機適航標準CCAR 25相關條款的要求[2]。

2 短艙結構設計

典型的翼吊飛機發動機短艙結構包括進氣道結構、風扇罩結構、反推力結構、排氣系統結構，主要結構組成如圖1所示。

圖1 短艙結構示意圖

考慮短艙的溫度、空間、防火要求和振動環境等使用特性，短艙結構材料選用大多為耐腐蝕性材料。短艙結構主要零件材料以復合材料、鈦合金為主，其余輔助結構則根據溫度場的不同采用鋁合金材料[3]。同時，短艙結構設計有通風和排液等通道，保證短艙結構內部無大量腐蝕性蒸汽和液體等殘留。

2.1 進氣道結構

進氣道結構主要由唇口蒙皮、內壁板、外壁板、前隔板、后隔板部件組成。進氣道的主要設計要求為：

（1）進氣道除了應該能過承受限制載荷和疲勞載荷外，還應該能夠承受FBO（Fan Blade Out）載荷要求，在風扇葉片斷裂打出的狀態下，飛機應該能夠安全降落。

（2）進氣道結構位于短艙前端，應滿足CCAR255 71（e）防鳥撞的要求，應該能夠承受4磅重的鳥以相對于飛機350節速度的沖擊。因此，進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外壁板和前后隔板的設計載荷同樣需考慮鳥撞載荷。

（3）進氣道應滿足管路爆破的熱環境和高壓環境，檢測到管路爆破時，飛機應能夠在相關的飛行限制條件下，成功的完成飛行包線內的航行。對于沒有被檢測到的管路爆破或者管路泄漏，則不應導致防火密封件的損壞。

（4）進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內的加熱元件利用短艙防冰控制器進行加熱控制，布置在加熱區內的溫度傳感器提供的信號可以實現對加熱溫度的監視和過熱告警。而熱氣防冰系統將引自發動機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行加熱。

電加熱防冰系統由于不需要從發動機引氣，因此系統結構非常簡單，但由于電防冰系統需要增加額外的發電機，因此在重量上不具有優勢。熱氣防冰系統在目前應用更為廣泛、技術更為成熟，現役主流機型包括B737和A320均采用了熱氣防冰系統。

此外，為滿足減噪要求，內壁版一般采用消聲設計，為若干層帶有消聲襯墊的蜂窩結構。同時為了滿足進氣道排水要求，內壁版蜂窩結構在6點鐘方向（即發動機軸線正下方位置）一般布置有排水槽。主流的短艙結構一般在進氣道上方布置有NACA進氣口，為風扇艙提供通風氣流。

2.2 風扇罩結構

風扇罩作為動力裝置的氣動整流罩，一般分為左右半罩和上端指型罩。左右半罩在關閉時為發動機本體提供結構保護，同時在打開時為發動機風扇艙內部機匣的維護提供了途徑。風扇罩的主要設計要求為：

（1）風扇罩結構除了應該能過承受限制載荷和疲勞載荷外，還應該能夠承受FBO載荷要求，能夠承受管路爆破鋒壓載荷和穩態壓力。

（2）風扇罩作為風扇艙火區的防火墻，應該能夠滿足防火要求，能夠承受前5 min發動機空中慢車和后10 min發動機風車狀態。

（3）風扇罩屬于閃電防護區，必須滿足CCAR25 581條款的相關閃電防護的設計要求。

（4）風扇罩上端的指型罩還需滿足鳥撞要求

風扇罩一般通過若干鉸鏈掛接于吊掛或者發動機本體，關閉時通過鎖扣鎖緊兩側罩體。為打到減重目的，風扇罩一般為鋁合金材質或者蜂窩結構的復合材料，蒙皮外層可鋪設閃電防護的銅網。風扇罩一般帶有泄壓口蓋和滑油箱口蓋，分別用于風扇艙內的壓力釋放和滑油箱維護檢查。

2.3 反推結構

傳統D型反推主要由鉸鏈/鉸鏈梁、外罩體、格柵、阻氣門、鎖、內罩體、前扭力盒框等結構組成。內外罩體結構需滿足強度、閃電防護、通風排液、降噪等要求。內罩體還應該能夠承受內部高溫環境和內部管路爆破的工況，并在接口處布置防火密封件，在內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。在飛機降落時，反推阻氣門機構在發推打開時展開，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生反推力；飛行正常飛行狀態時，阻氣門機構收起在內消聲壁板下側，為外涵道提供光滑的氣動表面。傳統D型反推結構與風扇罩類似，同樣分為左右罩體，使用鉸鏈掛接在吊掛兩側，并通過6點鐘方向鎖體結構打開和關閉鎖緊。

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

與傳統D型反推相比，O型反推節省了部分鎖梁的重量，增加了外涵道占比，因此達到了減重和提升氣動效應的目的。但由于結構形式的變化，新型反推維護步驟較多，維護性相比與傳統的D型反推還有待考驗。

2.4 排氣系統

排氣系統位于發動機尾部，為排出發動機的氣流提供光滑的氣動表面。排氣系統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動機機匣的法蘭連接，同時與反推內固定結構有防火封嚴的接口。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 結束語

民用飛機的短艙設計是一個復雜的系統過程，需考慮多方面因素，參考多種機型設計方案，結合所需機型特點進行設計。短艙結構作為動力裝置的重要組成部分，國際上已有較為成熟的經驗和范例。而國內對于短艙結構的設計，尚不夠成熟，仍然需要投入大量而精細的研究工作。

[1]《飛機設計手冊》總編委會.飛機設計手冊第10冊結構設計[M].北京：航空工業出版社，2000：494-499.

[2]中國民用航空局.CCAR-25-R4運輸類飛機試航標準[S].中國民用航空局，2011.

[3]費衡甫.麥道飛機聯絡工程手冊[M].北京：航空工業出版社，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：飛機短艙結構設計。