涡扇短舱外部压力临界载荷工况研究

李卫平

【摘 要】现代军民用涡扇发动机短舱飞机机载设备振动环境是飞机设计中一个极其重要的内容，而对于飞机机载设备及其结构的振动分析也是难度很大的一项工作。本文介绍了静刚度和动刚度的分析方法，给出了了其理论来源，并结合飞机机载设备的高强度短时振动分析，给出了具体的使用方法，从而用于飞机机载设备及其结构的振动分析，并指导工程实践。

【关键词】高函道比涡扇发动机；短舱外部压力；临界载荷；发动机推力

0 引言

随着我国经济水平的提高，国内军民两用飞机的使用量也越来越大，同时也对我国飞机设计的提出了更高的要求。大型军民用飞机均采用高函道比涡扇发动机，而发动机设计中重要的部件即为发动机短舱设计，由于高函道比短舱相对于传统形式存在直径大，复合材料使用率高，内外压力载荷为主要涉及临界载荷等特性，因此，需要在传统飞机设计载荷的基础上，对短舱设计载荷进行重新梳理分析研究。因此，本文主要介绍了高函道比涡扇发动机短舱结构设计设计中外部压力的筛选原则和参数点选取的应用，以指导实际的工程应用。

1 飞机载荷设计要求

根据CCAR 25.301条款的要求，对于飞机结构应满足：

（1）强度的要求用限制载荷（服役中预期的最大载荷）和极限载荷（限制载荷乘以规定的安全系数）来规定。除非另有说明，所规定的载荷均为限制载荷。

（2）除非另有说明，所规定的空气、地面和水载荷必须与计及飞机每一质量项目的惯性力相平衡。这些载荷的分布必须保守地近似于或接近地反映真实情况。除非表明确定受载情况的方法可靠，否则用以确定载荷大小和分布的方法必须用飞行载荷测量来证实。

（3）如果载荷作用下的变形会显著改变外部载荷或内部载荷的分布，则必须考虑载荷分布变化的影响。

2 外部压力临界载荷选取

由于短舱作为薄壁结构，需要考虑外部压力，而短舱外部压力的影响因素较多，主要有飞行参数（高度、速度、温度、角度）、发动机进出气对短舱外部流场的影响。在载荷工况的筛选中，主要原则为马赫数越大压力越大；海拔越低，即动压越大，压力也越大。大压力配合最大的攻角和垂向过载，或者配合最大的侧滑角和侧向过载，对设计部位而言最严重。

首先需要从飞机飞行包线上选择临界载荷点，选取时应给出Mach，高度，攻角和侧滑角，同时还需叠代上发动机功率，动压（Mach与高度的函数），发动机重心处的垂向及侧向过载。

图1 临界性能点选取

临界载荷点选取原则如下：

（1）Vd线 （图1中Vd线）（即最大俯冲速度），共4种：

①最大马赫数与相配套的最大动压（即最小高度）（A点），叠加上：

最大垂向过载叠加最大攻角，最小垂向过载叠加最小攻角。

②最小高度（即最大动压）与相配套马赫数（B点），叠加上：

最大垂向过载叠加最大攻角，最小垂向过载叠加最小攻角。

（2）Vc线（图1中Vc线），共4种：

①最大马赫数与相配套的最大动压（即最小高度）（A点），叠加上：

最大垂向过载叠加最大攻角，最小垂向过载叠加最小攻角。

②最小高度（即最大动压）与相配套马赫数（B点），叠加上：

最大垂向过载叠加最大攻角，最小垂向过载叠加最小攻角。

（3）Windmilling情况：按照经验，为Vd线（图1中Vd线）的B点，两种。

（4）最高海拔飞行包线（图1中最好海拔性能线），2种或4种：

①最大海拔与相配套的俯冲马赫数Md（A点），叠加上：

最大垂向过载叠加最大攻角，最小垂向过载叠加最小攻角。

②如果Mc小于Md，最大海拔与相配套的巡航马赫数Mc（B点），叠加上：

最大垂向过载叠加最大攻角，最小垂向过载叠加最小攻角。

（5）最大风扇函道压力（Ps-Pamb，静压减去环境静压，可以理解为最大压差）：最大起飞推力与最大巡航推力功率下，共6种：

①由发动机供应商在最大巡航推力功率下，从Vc线和Vd线上分别寻找最大压差（PS150-Pamb）的计算点，叠加上：

最大垂向过载叠加最大攻角，最小垂向过载叠加最小攻角。

②由发动机供应商在最大起飞推力功率下，寻找最大压差（PS150-Pamb）的计算点，叠加上：

最大垂向过载叠加最大攻角，最小垂向过载叠加最小攻角。

（6）最大起飞推力与最大巡航推力功率下最大/最小攻角：按照经验，为最大/最小的动压乘以攻角，共4种：

①在最大巡航推力功率下，从Vc线和Vd线上分别寻找最大/最小的动压乘以攻角，叠加上相应的垂向过载。

②在最大起飞推力功率下，寻找最大/最小的动压乘以攻角，叠加上相应的垂向过载。

（7）侧向/不对称载荷：按照经验，为最大的动压乘以侧滑角，共4种：

①在最大巡航推力功率下，从Vc线和Vd线上分别寻找最大的动压乘以侧滑角，叠加上：左偏、右偏。

②在最大起飞推力功率下，寻找最大的动压乘以侧滑角，叠加上：左偏、右偏。

（8）反推情况（图1中反推性能包线），共2种：

计算点为包括了中止起飞、应急着陆、中止着陆中，最大马赫数/最小海拔（即最大动压），叠加上：反推开启状态，发动机最大反推功率、反推关闭状态，发动机最大起飞推力功率（模拟反推即将打开前状态）。

应注意，在CFD计算过程中，在高马赫数的情况下会造成气流分离，从而导致计算不收敛，载荷不连续。

对于尾吊短舱，由于气流分离面从机翼开始，短舱气流分离是由于机翼造成的。对于Vd、Md、Mc线上A点，均属于此类情况，实际使用中可不考虑A点载荷，可用B点载荷代替。B点积分后所得垂向及航向载荷均为较严重情况。

对于翼吊短舱，由于气流分离面从短舱开始，短舱气流分离是由其本体造成的。对于Vd、Md线上的A点，均属于此类情况，在实际使用中可根据Vc、Mc线上A点外推到Vd、Md情况。该处理下载荷虽然不真实，但处理较保守，且保守量可接受。

3 结束语

涡扇发动机短舱由于其大尺寸、小刚度特性，导致在强度分析及结构设计时外部压力作为其很重要的设计输入，同时高速气流流经表明的特性，也导致临界设计载荷的选取极为关键。因此，在研究清晰涡扇发动机短舱外部压力临界载荷工况后，对短舱结构设计有及其重要的指导意义，本文通过外部压力产生的原理、飞机飞行性能包线、发动机性能包线等出发，归纳总结了短舱外部压力临界载荷情况，对问题的解决也有一定的指导意义。

【参考文献】

[1]牛春匀.使用飞机结构应力分析及尺寸[M].航空工业出版社，2009.

[2]中国民用航空总局.CCAR-25（运输类飞机适航标准）[S].

[责任编辑：汤静]