发动机是如何“装”到飞机上的?

国际金属加工网 2018年04月13日

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自从波音707客机首创发动机翼吊方式以来,翼吊式布局已成为发动机的“标准”方式,这一现象是大涵道比发动机不断发展进步的结果。

翼吊方式最大的优点是可以利用发动机的“卸载”缓解机翼受力。空气对机翼升力使得机翼向上弯曲,而翼吊发动机的重量使得机翼向下弯曲,缓解了机翼上弯。机翼一般向后掠,机翼气动升力同时还会使机翼发生下俯的扭转,而发动机推力会使机翼发生上仰的扭转,抵消了气动力产生的扭转。

 

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吊挂主要结构

翼吊发动机也简化了燃油管路的布置,飞机的燃油是储存在机翼以及中央翼盒内部的,发动机可以就近获取燃油。

翼吊发动机通常将发动机安装在靠近翼根的位置,单发失效时推力的不平衡作用被降低,但是,离机身太近会削弱“卸载”作用同时又导致发动机喷流灼烧机身。发动机一般挂在机翼前方,机翼通过吊挂像“挑扁担”一样挑着发动机,发动机离机翼太近会发生流场互相干涉,而发动机离机翼距离太远又会加剧吊挂受力。所以发动机吊点的位置需要经过气动设计、结构布置、强度部门共同确定。

吊挂用于直接传递发动机的重力和推力,是飞机上受力最严重的构件。吊挂通常由高强度钛合金或者合金钢制成并采用盒形梁的结构形式,具有较高的强度和刚度。

 

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阻流门式反推

吊挂承受了如此巨大的载荷,但是其强度也不是越高越好,在飞机发生坠撞的时候,为了防止发动机失火或者转子飞转危及乘客安全还需要采取发动机应急断离措施。可见,吊挂既需要在正常飞行状态下“hold住”发动机,又需要在紧急状态下断掉以保护乘客,所以其设计制造十分复杂。

进气罩/风扇罩

进气罩与风扇罩都属于气动面,需要提供光滑的外形降低飞行时空气阻力。进气罩还需要引导外界空气较为均匀地流入发动机并通过在罩壁上布置的噪声吸附材料降低噪声水平。风扇罩需要遮挡发动机附件管线避免其暴露在气流冲击下影响寿命。

 

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铲斗门式反推

进气罩的截面形状一般为圆形,但是波音737的短舱例外。这是因为波音737飞机起落架高度较低,为了安装直径较大的发动机而不至于影响离地净空迫不得已才把短舱“拍扁”的。

反  推

反推是使飞机降落时减速、减小降落滑跑距离的一种辅助装置。反推使发动机部分气流向前排出达到减速的效果。客机降落的瞬间有较大的噪声发出就是反推打开造成的气流噪声。反推的形式包括铲斗门式、蛤壳形门式、阻流门式等种类。现代客机最常用的是阻流门式反推装置。

 

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阻流门式反推工作原理

阻流门式反推装置有一个类似百叶窗的排气格栅以及一个类似推拉门的滑动罩。飞机在飞行过程中滑动罩处于关闭状态,空气向后排出产生正常的推力。当飞机降落反推打开时,作动筒推动滑动罩漏向后滑动带动一个活门堵塞外涵道,迫使外涵道气流通过排气格栅向前排出使飞机刹车。阻流门式反推装置只能改变外涵道气流方向而内涵道气流仍然向后排出,但是由于运输类飞机均使用大涵道发动机,大部分推力由外涵道气流产生,阻流门式反推大致能使推力的70%转变为反推力。

反推装置虽然原理简单,但是设计时有很多细节需要特别注意。例如,需要采用措施防止反推装置在飞机起飞或者飞行途中误打开,历史上曾经发生过多起反推误打开导致的空难。此外,两台发动机的反推展开时还需要有同步机构保持两侧反推的打开协调一致,否则飞机由于推力不平衡会造成事故。所以反推装置涉及到气动、机械、液压、控制等多个专业的协作。

 

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波音737飞机短舱

对于需要在跑道长度有限的野战机场降落的运输机,反推装置则是必不可少的。

排气系统

涡扇发动机内涵道排出的高温高速气流与外涵气流的低温低俗气流混合能带动外涵排气进一步加速膨胀,提高推进效率。根据气流混合位置的不同可以将排气系统分成混合排气合和分开排气两种。

 

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短舱-吊挂系统

混合排气的发动机整流罩向后延升得较长,内外涵气流在发动机整流罩内完成混合向外排出,而分开排气的发动机整流罩较短,内外涵气流在整流罩外混合。空中客车A330飞机装备了三种发动机,分别为罗罗遄达700发动机、普惠PW4000发动机以及赛峰CF6发动机。其中遄达700发动机采用了混合排气喷管而另外两种发动机则采用了分开排气喷管,CF6发动机尾部还加装了一个整流锥,这三种发动机的排气装置对比如左图所示。

混合排气的排气装置推力较高气动噪声较低,但是较长的整流罩带来了额外的重量且较重的整流罩不便于布置阻流门式反推装置。

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A330飞机可选装的三种发动机的喷管(左:遄达700;中:PW4000;右:CF6)

最“个性”的喷管当属波音787客机的锯齿形喷管,这种喷管具有噪声抑制的功能,是波音787客机最明显的特征。

 


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