大涵道比渦扇發動機安裝技術研究

馮 凱，李洪軍，趙 興

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015）

1 引言

安裝系統是發動機與飛機連接的橋梁，是發動機上的重要承力件，把發動機的推力、重力、側向力和扭矩傳遞給飛機，同時還將飛機起飛、著陸和飛行引起的慣性力和其它氣動力傳遞給飛機。安裝方式決定了發動機與飛機連接構件的復雜性，大涵道比發動機相對小涵道比發動機安裝結構更加復雜，設計中需要考慮的因素也更多。

2 發動機在飛機上的安裝方式

大涵道比渦扇發動機應用于大型客機、大型運輸機或特種飛機上。發動機在飛機上的安裝方式，主要取決于飛機設計，與飛機用途、飛機類型密切相關，直接影響飛機的整體布局、氣動外形及飛機的承力結構，同時也影響安裝系統的結構形式。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

采用大涵道比發動機作為動力的飛機，其翼展較大，將發動機安裝在動力裝置短艙內，并采用掛架懸吊在機翼下，通常稱為翼吊。翼吊安裝方式廣泛應用于現代大型民用飛機和運輸機。采用該種安裝方式發動機維護容易，客艙噪音小，發動機油路布置容易。

2.2 尾部安裝

當安裝兩臺發動機時，可在機身尾部兩側的發動機支架上各懸掛一臺發動機，如MD-90、ARJ-21等。發動機采用尾部安裝方式安裝在飛機上時，對應的發動機安裝節位于發動機左右兩側，安裝節平面平行于發動機中垂面，此時安裝節需額外考慮承受發動機重心對安裝節安裝分界面處的彎矩。采用改裝安裝方式發動機離地間隙大，單發偏航力矩小，但維護不便。

2.3 其他安裝方式

在大型飛機研制發展過程中，為了保證飛機推重比，往往需要安裝兩臺至四臺（或更多數量）發動機，為此還出現過其他幾種安裝方式。當安裝四臺發動機時，可在機身尾部兩側的發動機支架上各懸掛兩臺發動機，如前蘇聯的伊爾-62飛機。當安裝三臺發動機時，可在機身尾部兩側的發動機支架上各懸掛一臺發動機，另一臺發動機則安裝在飛機的對稱平面內，如英國的“三叉戟”等。當安裝三臺發動機時，可在機翼下通過吊掛各吊裝一臺發動機，另一臺發動機則安裝在飛機的對稱平面內。

3 發動機安裝節結構

3.1 安裝節結構類型

發動機的安裝節是發動機在飛機上的連接、支承和固定節點，由于發動機結構不同，發動機在飛機上的安裝位置和形式各異，發動機的安裝節結構形式也不相同。單從受力角度分析，安裝節可分為靜定安裝方式和靜不定安裝方式。

（1）靜定安裝方式：發動機安裝節中無多余的非受力構件，即發動機的安裝系統中沒有額外的冗余約束。這種安裝方式安裝節點數目最少，安裝系統相對簡單，重量小。軍用飛機、尤其是追求大起飛推重比的軍用飛機，其發動機大多采用此種安裝方式。設計上對這種安裝方式要求較高，發動機安裝節構件的受力和傳力要合理，安裝節的可靠性要高，傳力和熱膨脹的補償裝置要充分而有效，安裝節構件的剩余強度系數要稍大些，因為一旦某個安裝節失效或損壞，將影響整個安裝系統的傳力，必將危及飛行安全。

（2）靜不定安裝方式：發動機安裝節中存在多余非受力構件，即發動機安裝體系中除基本固定結構之外，還存在冗余約束。它在飛機正常飛行和發動機正常工作情況下，不承受任何方向的力和力矩。當發動機基本固定結構失效，或者飛機結構產生異常變形時，它即對發動機起支撐作用而承受某個方向的力和力矩，從而保證發動機在飛機上安裝系統的有效性，確保飛行安全。由于存在多余約束，這種安裝方式結構相對復雜，重量相應增加。靜不定安裝方式從某種意義上來說實際上是發動機安裝的余度設計，以犧牲發動機安裝系統的重量換取意外情況下的發動機固有的可靠性，當其中一種結構失效后由其余結構代替其進行傳力，從而保證飛行安全。大涵道比渦扇發動機大多采用此種安裝方式。

3.2 翼吊安裝方式對應的發動機安裝節結構

采用翼吊安裝方式時，安裝節設計應保證吊艙最低點距地面的高度不小于600mm，進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損壞短艙或造成意外事故，同時安裝構件和結構必需滿足適航等相關要求，承受規定的限制載荷并且沒有永久變形；承受規定的極限載荷并且沒有破壞，但可以出現永久變形；安裝節可以補償發動機與飛機之間的制造誤差，保證發動機的順利安裝，同時具有熱變形補償功能。

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設置在中介機匣內環后端面上，輔助安裝節設置在渦輪后機匣上。發動機推力由主安裝節傳遞，扭矩主要通過輔助安裝節傳遞，發動機重量、垂直過載以及側向力由主、輔安裝節共同承擔。代表機型為V2500、CFM56-5等發動機。第二種翼吊安裝方案輔助安裝節設置在中介機匣外環上，主安裝節設置在渦輪后機匣上。推力由主安裝節傳遞，扭矩主要由輔助安裝節傳遞，發動機重量、垂直過載和側向力由主、輔安裝節共同承擔。代表機型為CFM56-7、CFM56-3等發動機。上述兩種安裝方案存在如下各自優缺點：在第二種方案中，輔助安裝節固定在中介機匣外環上，導致發動機上方輪廓增大，增加了發動機迎風面積，從這一點看第一種安裝方案對減小發動機的迎風面積更有利；在第二種安裝方案中，輔助安裝節固定在中介機匣外環上，中介機匣外環直徑較大剛性差，容易引起機匣的變形；在飛機的機翼高度一定的情況下，第一種方案可以提高發動機在飛機上的高度，使發動機遠離飛行跑道，能夠降低外來物被吸入進氣整流罩的概率；在第二種安裝方案中，主安裝節中的兩個推力桿穿過核心機固定在中介機匣內環后端面上，增加了發動機的整機剛性。

4 安裝系統設計需考慮的因素

隨著大型飛機在軍、民用航空領域應用的不斷拓展機大涵道比渦扇發動機設計/制造技術的不斷發展，大涵道比渦扇發動機的推力、性能不斷提升，要求發動機的安裝系統考慮到飛機整個飛行包線范圍內和發動機任何工作狀態下所能出現的發動機最大推力載荷和飛機最大機動過載，并按規定考慮安全系數和發動機艙環境溫度；發動機渦輪燃氣溫度的提高，使得發動機整體的熱膨脹量增加，安裝系統的連接和固定必需充分考慮發動機熱變形的補償措施；隨著發動機在翼工作時間越來越久，對發動機的互換性、維護性、綜合保障等產品壽命周期內的使用成本要求也越來越苛刻。尤其是民用航空，更為追求高可靠性和最佳的經濟性。要求發動機在飛機上的安裝和拆卸簡便快捷，實現發動機的快速換裝，在雙發或多發飛機上各個發動機艙的結構構型和艙內附件、管路、電氣部件的布置應使發動機的安裝具有完全的互換性，而不應做任何機械的或電氣的修改；確保飛機的戰備完好率、出勤率及在航線上的工作時間。發動機安裝節和飛機安裝承力構件連接接頭之間應消除安裝間隙，以防止發動機工作時產生的振動傳至機身，并應根據需要設置隔振裝置，以改善飛機乘坐人員飛行過程中的舒適性，避免運輸的貨物因振動而導致損壞。

5 結束語

發動機不同安裝方案均存在各自的優缺點，安裝系統設計需綜合考慮飛機設計要求、發動機維護性、飛機掛架強度、發動機承力機匣強度、發動機傳力路線等，既要保證安裝節具有足夠的剛度、強度，又要便于發動機的安裝和拆卸。現代大涵道比發動機安裝系統設計時往往需采取余度設計，保證安裝系統的工作安全性。