民用翼吊涡扇发动机短舱结构设计研究

王加成

（上海飞机设计研究院，上海201210）

民用翼吊涡扇发动机短舱结构设计研究

王加成

（上海飞机设计研究院，上海201210）

发动机作为翼下吊装的布局形式是现代民用客机的主流方式，而短舱作为发动机本体的整流罩、防火层和反向推力装置，其结构对飞机的发动机性能、重量、噪声、振动、操作性以及维护性等方面具有很大的影响。主要研究了翼吊涡扇发动机短舱的结构和组成形式。

民用飞机；涡扇发动机；短舱结构

对于商用卡车而言，发动机前置，主减速器连接传动轴与后桥，动力从发动机传到主减速器，利用准双曲面齿轮来改变动力传递的方向，同时降低转速、增大扭矩，带动半轴齿轮、半轴、轮毂、轮胎转动，驱动车辆行驶。

主齿凸缘螺母装配在主减速器上，连接凸缘与主动齿轮，一方面提供保证主动齿轮正常转动的轴向力，另一方面为主齿轴承提供一定的轴承预紧力。凸缘螺母一旦松脱，主减速器会很快失效，导致车辆无法行驶。本文通过对30°楔形角螺纹的防松性能的研究来探讨如何将其应用到主齿凸缘螺母上，降低主齿凸缘螺母松脱的几率。

1 短舱设计要求

短舱的结构设计要求可分为以下几个方面：

（1）载荷强度：由于发动机固定在短舱内，短舱应能够承受相应的限制载荷和疲劳载荷。

（2）气动效应：具有光滑的外形面，对于翼下吊挂区域复杂的气动区域能产生良好的气动效应，尽量减少气动阻力，并且在飞机的整个气动包线内，向发动机输送所需空气。

（3）结构功能：有足够的空间安装发动机外部机械系统和相关附件，着陆时能够提供反推力，具备足够面积安装用于降噪的衬垫，能够有效吸收发动机振动和噪声[1]。

（4）使用寿命：短舱的经济服务寿命应满足一定的飞行小时/飞行循环的要求。

（5）工作环境：短舱结构的工作环境多变，一般需满足在-74～＋55℃范围内正常工作。

（6）维护性：因具有良好的维修性，便于飞机航前航后的发动机检查和维修。

（7）短舱结构还需要满足中国民用航空规章第25部一运输类飞机适航标准CCAR 25相关条款的要求[2]。

2 短舱结构设计

典型的翼吊飞机发动机短舱结构包括进气道结构、风扇罩结构、反推力结构、排气系统结构，主要结构组成如图1所示。

图1 短舱结构示意图

考虑短舱的温度、空间、防火要求和振动环境等使用特性，短舱结构材料选用大多为耐腐蚀性材料。短舱结构主要零件材料以复合材料、钛合金为主，其余辅助结构则根据温度场的不同采用铝合金材料[3]。同时，短舱结构设计有通风和排液等通道，保证短舱结构内部无大量腐蚀性蒸汽和液体等残留。

2.1 进气道结构

进气道结构主要由唇口蒙皮、内壁板、外壁板、前隔板、后隔板部件组成。进气道的主要设计要求为：

（1）进气道除了应该能过承受限制载荷和疲劳载荷外，还应该能够承受FBO（Fan Blade Out）载荷要求，在风扇叶片断裂打出的状态下，飞机应该能够安全降落。

（2）进气道结构位于短舱前端，应满足CCAR255 71（e）防鸟撞的要求，应该能够承受4磅重的鸟以相对于飞机350节速度的冲击。因此，进气道唇口蒙皮一般采用整体成型的铝合金材料，与唇口蒙皮连接的内外壁板和前后隔板的设计载荷同样需考虑鸟撞载荷。

（3）进气道应满足管路爆破的热环境和高压环境，检测到管路爆破时，飞机应能够在相关的飞行限制条件下，成功的完成飞行包线内的航行。对于没有被检测到的管路爆破或者管路泄漏，则不应导致防火密封件的损坏。

（4）进气道还需满足防冰要求，一般采用热气防冰或者电热防冰。电热防冰是通过布置在不同加热区内的加热元件利用短舱防冰控制器进行加热控制，布置在加热区内的温度传感器提供的信号可以实现对加热温度的监视和过热告警。而热气防冰系统将引自发动机的热气通过安装在短舱前缘与前壁板之间的管道喷射到前缘蒙皮进行加热。

电加热防冰系统由于不需要从发动机引气，因此系统结构非常简单，但由于电防冰系统需要增加额外的发电机，因此在重量上不具有优势。热气防冰系统在目前应用更为广泛、技术更为成熟，现役主流机型包括B737和A320均采用了热气防冰系统。

此外，为满足减噪要求，内壁版一般采用消声设计，为若干层带有消声衬垫的蜂窝结构。同时为了满足进气道排水要求，内壁版蜂窝结构在6点钟方向（即发动机轴线正下方位置）一般布置有排水槽。主流的短舱结构一般在进气道上方布置有NACA进气口，为风扇舱提供通风气流。

2.2 风扇罩结构

风扇罩作为动力装置的气动整流罩，一般分为左右半罩和上端指型罩。左右半罩在关闭时为发动机本体提供结构保护，同时在打开时为发动机风扇舱内部机匣的维护提供了途径。风扇罩的主要设计要求为：

（1）风扇罩结构除了应该能过承受限制载荷和疲劳载荷外，还应该能够承受FBO载荷要求，能够承受管路爆破锋压载荷和稳态压力。

（2）风扇罩作为风扇舱火区的防火墙，应该能够满足防火要求，能够承受前5 min发动机空中慢车和后10 min发动机风车状态。

（3）风扇罩属于闪电防护区，必须满足CCAR25 581条款的相关闪电防护的设计要求。

（4）风扇罩上端的指型罩还需满足鸟撞要求

风扇罩一般通过若干铰链挂接于吊挂或者发动机本体，关闭时通过锁扣锁紧两侧罩体。为打到减重目的，风扇罩一般为铝合金材质或者蜂窝结构的复合材料，蒙皮外层可铺设闪电防护的铜网。风扇罩一般带有泄压口盖和滑油箱口盖，分别用于风扇舱内的压力释放和滑油箱维护检查。

2.3 反推结构

传统D型反推主要由铰链/铰链梁、外罩体、格栅、阻气门、锁、内罩体、前扭力盒框等结构组成。内外罩体结构需满足强度、闪电防护、通风排液、降噪等要求。内罩体还应该能够承受内部高温环境和内部管路爆破的工况，并在接口处布置防火密封件，在内表面布置防火隔热毯以满足防火要求。

阻流门式反推是目前民航使用最为广泛的反推形式。在飞机降落时，反推阻气门机构在发推打开时展开，挡住外涵道气流向后排出，使得外涵道气流通过格栅向前排出产生反推力；飞行正常飞行状态时，阻气门机构收起在内消声壁板下侧，为外涵道提供光滑的气动表面。传统D型反推结构与风扇罩类似，同样分为左右罩体，使用铰链挂接在吊挂两侧，并通过6点钟方向锁体结构打开和关闭锁紧。

与传统D型反推不同，某种新型飞机采用了一种新的O型反推结构。由于该种反推省去了6点钟的锁梁和锁体结构，无法像D型反推一样通过左右罩体打开维护，只能采用主罩体向后滑动的形式打开。且由于内罩体最大剖面在中间，故内罩体分为两段，前段采用开启形式，后段采用后滑移形式。

与传统D型反推相比，O型反推节省了部分锁梁的重量，增加了外涵道占比，因此达到了减重和提升气动效应的目的。但由于结构形式的变化，新型反推维护步骤较多，维护性相比与传统的D型反推还有待考验。

2.4 排气系统

排气系统位于发动机尾部，为排出发动机的气流提供光滑的气动表面。排气系统由尾喷管组件和尾锥组件两部分组成。尾喷管一般通过前端的法兰与发动机机匣的法兰连接，同时与反推内固定结构有防火封严的接口。为承受尾喷口高温，尾喷管和尾锥组件材料一般采用镍基合金等高温合金。

3 结束语

民用飞机的短舱设计是一个复杂的系统过程，需考虑多方面因素，参考多种机型设计方案，结合所需机型特点进行设计。短舱结构作为动力装置的重要组成部分，国际上已有较为成熟的经验和范例。而国内对于短舱结构的设计，尚不够成熟，仍然需要投入大量而精细的研究工作。

[1]《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册第10册结构设计[M].北京：航空工业出版社，2000：494-499.

[2]中国民用航空局.CCAR-25-R4运输类飞机试航标准[S].中国民用航空局，2011.

[3]费衡甫.麦道飞机联络工程手册[M].北京：航空工业出版社，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，工程师，硕士，研究方向：飞机短舱结构设计。