渦扇短艙外部壓力臨界載荷工況研究

李衛平

【摘 要】現代軍民用渦扇發動機短艙飛機機載設備振動環境是飛機設計中一個極其重要的內容，而對于飛機機載設備及其結構的振動分析也是難度很大的一項工作。本文介紹了靜剛度和動剛度的分析方法，給出了了其理論來源，并結合飛機機載設備的高強度短時振動分析，給出了具體的使用方法，從而用于飛機機載設備及其結構的振動分析，并指導工程實踐。

【關鍵詞】高函道比渦扇發動機；短艙外部壓力；臨界載荷；發動機推力

0 引言

隨著我國經濟水平的提高，國內軍民兩用飛機的使用量也越來越大，同時也對我國飛機設計的提出了更高的要求。大型軍民用飛機均采用高函道比渦扇發動機，而發動機設計中重要的部件即為發動機短艙設計，由于高函道比短艙相對于傳統形式存在直徑大，復合材料使用率高，內外壓力載荷為主要涉及臨界載荷等特性，因此，需要在傳統飛機設計載荷的基礎上，對短艙設計載荷進行重新梳理分析研究。因此，本文主要介紹了高函道比渦扇發動機短艙結構設計設計中外部壓力的篩選原則和參數點選取的應用，以指導實際的工程應用。

1 飛機載荷設計要求

根據CCAR 25.301條款的要求，對于飛機結構應滿足：

（1）強度的要求用限制載荷（服役中預期的最大載荷）和極限載荷（限制載荷乘以規定的安全系數）來規定。除非另有說明，所規定的載荷均為限制載荷。

（2）除非另有說明，所規定的空氣、地面和水載荷必須與計及飛機每一質量項目的慣性力相平衡。這些載荷的分布必須保守地近似于或接近地反映真實情況。除非表明確定受載情況的方法可靠，否則用以確定載荷大小和分布的方法必須用飛行載荷測量來證實。

（3）如果載荷作用下的變形會顯著改變外部載荷或內部載荷的分布，則必須考慮載荷分布變化的影響。

2 外部壓力臨界載荷選取

由于短艙作為薄壁結構，需要考慮外部壓力，而短艙外部壓力的影響因素較多，主要有飛行參數（高度、速度、溫度、角度）、發動機進出氣對短艙外部流場的影響。在載荷工況的篩選中，主要原則為馬赫數越大壓力越大；海拔越低，即動壓越大，壓力也越大。大壓力配合最大的攻角和垂向過載，或者配合最大的側滑角和側向過載，對設計部位而言最嚴重。

首先需要從飛機飛行包線上選擇臨界載荷點，選取時應給出Mach，高度，攻角和側滑角，同時還需疊代上發動機功率，動壓（Mach與高度的函數），發動機重心處的垂向及側向過載。

圖1 臨界性能點選取

臨界載荷點選取原則如下：

（1）Vd線 （圖1中Vd線）（即最大俯沖速度），共4種：

①最大馬赫數與相配套的最大動壓（即最小高度）（A點），疊加上：

最大垂向過載疊加最大攻角，最小垂向過載疊加最小攻角。

②最小高度（即最大動壓）與相配套馬赫數（B點），疊加上：

最大垂向過載疊加最大攻角，最小垂向過載疊加最小攻角。

（2）Vc線（圖1中Vc線），共4種：

①最大馬赫數與相配套的最大動壓（即最小高度）（A點），疊加上：

最大垂向過載疊加最大攻角，最小垂向過載疊加最小攻角。

②最小高度（即最大動壓）與相配套馬赫數（B點），疊加上：

最大垂向過載疊加最大攻角，最小垂向過載疊加最小攻角。

（3）Windmilling情況：按照經驗，為Vd線（圖1中Vd線）的B點，兩種。

（4）最高海拔飛行包線（圖1中最好海拔性能線），2種或4種：

①最大海拔與相配套的俯沖馬赫數Md（A點），疊加上：

最大垂向過載疊加最大攻角，最小垂向過載疊加最小攻角。

②如果Mc小于Md，最大海拔與相配套的巡航馬赫數Mc（B點），疊加上：

最大垂向過載疊加最大攻角，最小垂向過載疊加最小攻角。

（5）最大風扇函道壓力（Ps-Pamb，靜壓減去環境靜壓，可以理解為最大壓差）：最大起飛推力與最大巡航推力功率下，共6種：

①由發動機供應商在最大巡航推力功率下，從Vc線和Vd線上分別尋找最大壓差（PS150-Pamb）的計算點，疊加上：

最大垂向過載疊加最大攻角，最小垂向過載疊加最小攻角。

②由發動機供應商在最大起飛推力功率下，尋找最大壓差（PS150-Pamb）的計算點，疊加上：

最大垂向過載疊加最大攻角，最小垂向過載疊加最小攻角。

（6）最大起飛推力與最大巡航推力功率下最大/最小攻角：按照經驗，為最大/最小的動壓乘以攻角，共4種：

①在最大巡航推力功率下，從Vc線和Vd線上分別尋找最大/最小的動壓乘以攻角，疊加上相應的垂向過載。

②在最大起飛推力功率下，尋找最大/最小的動壓乘以攻角，疊加上相應的垂向過載。

（7）側向/不對稱載荷：按照經驗，為最大的動壓乘以側滑角，共4種：

①在最大巡航推力功率下，從Vc線和Vd線上分別尋找最大的動壓乘以側滑角，疊加上：左偏、右偏。

②在最大起飛推力功率下，尋找最大的動壓乘以側滑角，疊加上：左偏、右偏。

（8）反推情況（圖1中反推性能包線），共2種：

計算點為包括了中止起飛、應急著陸、中止著陸中，最大馬赫數/最小海拔（即最大動壓），疊加上：反推開啟狀態，發動機最大反推功率、反推關閉狀態，發動機最大起飛推力功率（模擬反推即將打開前狀態）。

應注意，在CFD計算過程中，在高馬赫數的情況下會造成氣流分離，從而導致計算不收斂，載荷不連續。

對于尾吊短艙，由于氣流分離面從機翼開始，短艙氣流分離是由于機翼造成的。對于Vd、Md、Mc線上A點，均屬于此類情況，實際使用中可不考慮A點載荷，可用B點載荷代替。B點積分后所得垂向及航向載荷均為較嚴重情況。

對于翼吊短艙，由于氣流分離面從短艙開始，短艙氣流分離是由其本體造成的。對于Vd、Md線上的A點，均屬于此類情況，在實際使用中可根據Vc、Mc線上A點外推到Vd、Md情況。該處理下載荷雖然不真實，但處理較保守，且保守量可接受。

3 結束語

渦扇發動機短艙由于其大尺寸、小剛度特性，導致在強度分析及結構設計時外部壓力作為其很重要的設計輸入，同時高速氣流流經表明的特性，也導致臨界設計載荷的選取極為關鍵。因此，在研究清晰渦扇發動機短艙外部壓力臨界載荷工況后，對短艙結構設計有及其重要的指導意義，本文通過外部壓力產生的原理、飛機飛行性能包線、發動機性能包線等出發，歸納總結了短艙外部壓力臨界載荷情況，對問題的解決也有一定的指導意義。

【參考文獻】

[1]牛春勻.使用飛機結構應力分析及尺寸[M].航空工業出版社，2009.

[2]中國民用航空總局.CCAR-25（運輸類飛機適航標準）[S].

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