張鐵純 段達(dá)（中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300）

寬體客機飛發(fā)連接構(gòu)造分析

張鐵純 段達(dá)
（中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300）

寬體客機項目被列為我國未來二十年國家中長期發(fā)展項目之一，發(fā)動機與機翼的連接是寬體客機設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)。本文通過對三種典型寬體客機飛發(fā)連接特點進(jìn)行分析，總結(jié)波音飛機和空客飛機短艙吊掛連接處各自的優(yōu)缺特性，比較出更具優(yōu)勢的飛發(fā)連接設(shè)計方案。力求在未來飛機短艙/吊掛設(shè)計工作中提供參考。

寬體客機 構(gòu)造分析 飛發(fā)連接 短艙/吊掛

1　引言

自從20世紀(jì)70年代以來寬體客機就一直受到世界各航空公司和乘客的青睞，并逐步成為世界航空旅客運輸?shù)闹髁?。目前為止，世界上已?jīng)有14種型號的寬體客機先后投入營運，另有一種型號將要投入運營。在當(dāng)今世界航空客運市場上，寬體客機不僅在遠(yuǎn)程和洲際航線上占統(tǒng)治地位，而且在中短程航線上也得到廣泛應(yīng)用，同時關(guān)于寬體客機下代產(chǎn)品的設(shè)計也在逐步進(jìn)行。在現(xiàn)代民用飛機的設(shè)計過程中，飛機的性能很大程度上依靠機體與動力裝置的配合，這就使得飛機與發(fā)動機結(jié)合部分-短艙/吊掛-區(qū)域的設(shè)計分析不可小覷。短艙吊掛部分屬于發(fā)動機向飛機機體的過渡區(qū)域，所涉及的系統(tǒng)很多，系統(tǒng)的安裝需求分析可以從吊掛部分的結(jié)構(gòu)安裝特點以及各分系統(tǒng)管路的接頭安裝形式展開?？蔀楹罄m(xù)的機型設(shè)計提供參考。

2　吊掛連接結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

航空發(fā)動機在飛機上有不同的安裝方法，根據(jù)安裝位置不同可分為機翼安裝和機身安裝兩種形式。而機翼安裝可分為翼裝和吊掛兩種，考慮到民用飛機的發(fā)動機的維修便利性、通用性、舒適性，吊掛安裝形式一直是民用航空器飛發(fā)連接的主流，同樣未來新機型的設(shè)計也會趨于這種主流。短艙吊掛是連接發(fā)動機裝置和機體的結(jié)構(gòu)部件，是亞音速客機的重要部件之一，有時也可作為一個獨立的整體部件。飛發(fā)連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)該外形緊湊、重量輕，且有優(yōu)良的維護(hù)性和可達(dá)性；飛發(fā)連接結(jié)構(gòu)應(yīng)能承受所裝發(fā)動機在飛行和地面運轉(zhuǎn)時的溫度、壓力、震動、污染和聲環(huán)境所產(chǎn)生的各種載荷的影響，且滿足飛機的安全性、可靠性和壽命需求。

圖1　B787飛機上裝載的GEnx發(fā)動機安裝仿真圖

圖2　B787飛機GEnx發(fā)動機前吊點仿真圖

圖3　B787飛機GEnx發(fā)動機后吊點

吊掛設(shè)計要求中有關(guān)于連接結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求如下：

（1）作為類似機翼、尾翼的盒段部件設(shè)計，他在包含結(jié)構(gòu)安裝支架、連接發(fā)機動各系統(tǒng)的系統(tǒng)管路部件等基礎(chǔ)上，外形選擇是采用一個低阻的對稱翼型作為吊掛的基準(zhǔn)翼型。

（2）吊掛的寬度，吊掛的高度的決定主要是考慮減少短艙-吊掛-機體之間的干擾阻力，除了融合式吊掛設(shè)計的吊掛外，不管翼吊型還是尾吊型的安裝，吊掛均有較大的結(jié)構(gòu)尺寸。

圖4　B777飛機GE90發(fā)動機推力連桿及前后安裝點

圖5　B777飛機GE90發(fā)動機前吊點

圖6　B777GE90發(fā)動機后吊點

圖7　A330飛機發(fā)動機推力傳遞路線

表1　飛發(fā)連接管線布局設(shè)計應(yīng)遵循原則

（3）為了減少短艙-吊掛-機體之間的干擾阻力和改善飛機的操縱特性，吊掛的弦平面設(shè)計是稍有不對稱性的，且吊掛寬度或吊掛高度的變化對各種機型是不同的。

（4）吊掛的對稱面同短艙的對稱面最好一致，可以方便發(fā)動機的安裝或換裝，且這一對稱面垂直于機翼的弦平面為好。

（5）吊掛設(shè)計時要考慮減震裝置，將發(fā)動震動對機體的影響限制在規(guī)定范圍以內(nèi)。

3　飛發(fā)連接相關(guān)系統(tǒng)及構(gòu)造分析

3.1飛發(fā)連接管線布局

飛機短艙/吊掛區(qū)域不僅有結(jié)構(gòu)件還包括電纜線束、液體管路、氣體管路等系統(tǒng)。

國內(nèi)現(xiàn)役民用飛機短艙/吊掛系統(tǒng)與飛機上其它區(qū)域的布置情況相對比，具備以下特點［2］：

（1）吊掛內(nèi)空間狹小，不僅要滿足吊掛的氣動外形要求，也應(yīng)滿足各分系統(tǒng)的間隙及相對位置要求；（2）區(qū)域內(nèi)放置的設(shè)備較少，以各種管線路為主；（3）管線路包含多種類型，不僅有液壓、燃油等液體管路，還有氣源系統(tǒng)的引氣管路（全電飛機除外），同時還包括饋電線、信號線等線束。

圖8　A330飛機TRENT700發(fā)動機前吊點

圖9　A330飛機TRENT700發(fā)動機后吊點

對這些管線路的布局進(jìn)行設(shè)計時必須遵守的原則如表1所示。

3.2波音寬體客機飛發(fā)連接構(gòu)造分析

3.2.1B787/GEnx組合特點研究

（1）推力傳遞路線。發(fā)動機的推力通過前后吊點及兩根推力連桿傳遞至飛機，其吊裝結(jié)構(gòu)仿真圖如圖1。

B787飛機GEnx發(fā)動機設(shè)計有兩根高強度的X2鈦合金推力連桿，其兩端分別固定于發(fā)動機核心機和后吊點上。該推力連桿可將由風(fēng)扇及壓氣機所產(chǎn)生的推力傳遞至后吊點位置，進(jìn)而將發(fā)動機的推力載荷傳遞到吊掛上。

（2）前吊點特點。GEnx發(fā)動機前安裝點處采用垂直方向上4個高強度的拉緊螺栓以及安裝在其內(nèi)部的4個圓柱形螺帽，吊點處設(shè)計的2個剪切銷用于輔助定位以及傳遞扭力到發(fā)動機吊掛，前吊點仿真圖見圖2。

（3）后吊點特點。發(fā)動機后吊點用于支撐發(fā)動機后段的重量，并將發(fā)動機后段所承受的載荷和力傳遞到發(fā)動機吊掛上。發(fā)動機后吊點上部同樣采用垂直方向上4個拉緊螺栓以及安裝在其內(nèi)部的4個圓柱形螺帽，在其下部則通過2個側(cè)桿和1個中央位置的失效安全扭力桿連接至發(fā)動機渦輪后隔框上，后吊點實物圖見圖3。此外，由于在吊掛的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面B787飛機發(fā)動機采用統(tǒng)一吊掛的形式，發(fā)動機制造商根據(jù)飛機吊掛處結(jié)構(gòu)的情況進(jìn)行匹配發(fā)動機接頭，吊掛具有很好的通用性，這也會是未來飛機發(fā)動機吊掛設(shè)計發(fā)展的主要趨勢。

3.2.2B777/GE90組合特點研究

（1）推力傳遞路線。與B787/GEnx飛機發(fā)動機組合類似，發(fā)動機的推力通過前后吊點及兩根推力連桿傳遞至飛機。如圖4所示。

B777飛機GE90發(fā)動機設(shè)計有兩根高強度推力連桿，其通過前后吊點固定于發(fā)動機核心機上。該推力連桿可將由風(fēng)扇及壓氣機所產(chǎn)生的推力傳遞至后吊點位置，進(jìn)而將發(fā)動機的推力載荷傳遞到吊掛上。

（2）前吊點特點。GE90發(fā)動機前吊點處采用垂直方向上4個高強度的拉緊螺栓以及安裝在其內(nèi)部的4個圓柱形螺帽，吊點處設(shè)計的1個剪切銷用于輔助定位以及傳遞扭力到發(fā)動機吊掛，如圖5所示。

（3）后吊點特點。發(fā)動機后吊點用于支撐發(fā)動機后段的重量，并將發(fā)動機后段所承受的載荷和力傳遞到發(fā)動機吊掛上。發(fā)動機后吊點上部采用垂直方向上8個拉緊螺栓以及安裝在其內(nèi)部的8個圓柱形螺帽，在其下部則通過2個側(cè)桿連接至發(fā)動機渦輪后隔框上，如圖6所示。

通過對以上典型波音寬體客機飛發(fā)連接構(gòu)造的分析，可以看出波音客機飛發(fā)連接處普遍采用前后吊點加推力連桿的結(jié)構(gòu)形式。雙吊點推力連桿的結(jié)構(gòu)不僅使連接結(jié)構(gòu)更為安全，同時八字分開固定的推力連桿可以將發(fā)動機前部分的軸向震動傳遞給后吊點，后吊點安裝在減震隔振措施比較完備的吊掛中后部區(qū)域又可以有效的減少震動和噪音提供更安全舒適的乘坐環(huán)境。由此可知在擁有同樣的隔振技術(shù)條件下，雙吊點加推力連桿的組合構(gòu)造更適合民用飛機的運營需求。

3.3空客寬體客機飛發(fā)連接構(gòu)造分析

（1）推力傳遞路線。A330飛機發(fā)動機的推力通過前后吊點傳遞至吊掛部分，前吊點位于中間殼體的頂端，后吊點位于排氣殼體的頂端，再通過吊掛與機翼翼梁接頭傳到機翼上，如圖7所示。

與波音飛機所采取的斜撐桿式推力形式不同，A330飛機發(fā)動機的推力主要通過吊掛與發(fā)動機之間的前后兩個吊點來傳遞。

（2）前吊點特點。A330 Trent700發(fā)動機前吊掛點通過四個螺栓螺母將推力及垂直方向和側(cè)向的載荷傳遞到吊掛結(jié)構(gòu)，A330飛機發(fā)動機前吊點如圖8所示。

（3）后吊點特點。A330/TRENT700 發(fā)動機后吊點由大量的連桿、剪切銷和球形支座安裝在發(fā)動機渦輪后隔框上，并通過四個螺栓螺母連接到吊掛結(jié)構(gòu)上。后吊點將彎扭載荷、垂直方向載荷和側(cè)向載荷傳遞到吊掛結(jié)構(gòu)。A330飛機發(fā)動機后吊點如圖9所示。

空客飛機采用雙吊點結(jié)構(gòu)。主要通過吊點上螺栓連接傳遞載荷和震動，沒有配置鈦合金推力連桿，結(jié)構(gòu)更為簡潔，但對吊掛部分的減震要求較高。

4　結(jié)語

通過對三種典型寬體飛機發(fā)動機組合的構(gòu)造特點分析可知：相較于A330雙吊點的設(shè)計形式，波音777、波音787的雙吊點加推力連桿結(jié)構(gòu)形式在傳遞載荷的同時可以更有效的控制震動和噪音。在當(dāng)前技術(shù)條件下波音的設(shè)計形式更加先進(jìn)可取。同時，B787飛機發(fā)動機制造廠商所生產(chǎn)的發(fā)動機是與吊掛結(jié)點相匹配的，故發(fā)動機吊掛的通用性相對更好。此外，B787飛機吊掛區(qū)域各分系統(tǒng)管路設(shè)計合理，管路接口設(shè)計比較集中，一些系統(tǒng)采用光纖信號傳輸，且吊掛接口處采用不可拆卸不可損壞設(shè)計，這也是將來新飛機進(jìn)行發(fā)動機短艙/吊掛及飛發(fā)連接處設(shè)計的主要趨勢。

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張鐵純（1972—），男，漢族，天津人，中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，碩士，副教授；段達(dá)（1990—），男，漢族，黑龍江齊齊哈爾人，中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，碩士在讀。