民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)設(shè)計(jì)載荷要求研究

徐春雨

【摘 要】發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)作為發(fā)動(dòng)機(jī)及機(jī)體結(jié)構(gòu)之間的連接結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)是保證飛機(jī)安全極其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。飛機(jī)設(shè)計(jì)載荷先行，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足適航的要求，從而保證飛行安全，因此其設(shè)計(jì)載荷的完備性及準(zhǔn)確性顯得至關(guān)重要。本文通過(guò)對(duì)適航條款的研究，給出了發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)設(shè)計(jì)所需滿(mǎn)足的載荷要求，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)設(shè)計(jì)起指導(dǎo)作用。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)；慣性載荷；扭矩載荷；陀螺載荷；FBO載荷；風(fēng)車(chē)載荷

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)固定于飛機(jī)結(jié)構(gòu)上，并將其產(chǎn)生的載荷傳遞至機(jī)體結(jié)構(gòu)。根據(jù)民用飛機(jī)上發(fā)動(dòng)機(jī)安裝位置的不同，分為尾吊發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)系統(tǒng)與翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)系統(tǒng)（注：由于尾吊與翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)功能相同，并且結(jié)構(gòu)相近，只是由于安裝位置不同，結(jié)構(gòu)尺寸稍有變化，本文將以翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)為主進(jìn)行介紹）。其強(qiáng)度設(shè)計(jì)所需滿(mǎn)足的載荷條款包括：§25.301 載荷，§25.361 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，§25.363 發(fā)動(dòng)機(jī)和輔助動(dòng)力裝置支架的側(cè)向載荷，§25.367 發(fā)動(dòng)機(jī)失效引起的非對(duì)稱(chēng)載荷，§25.371 陀螺載荷，發(fā)動(dòng)機(jī)突然停車(chē)專(zhuān)用條件。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)慣性載荷

根據(jù)CCAR 25.301條款的要求，對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足：

（a） 強(qiáng)度的要求用限制載荷（服役中預(yù)期的最大載荷）和極限載荷（限制載荷乘以規(guī)定的安全系數(shù)）來(lái)規(guī)定。除非另有說(shuō)明，所規(guī)定的載荷均為限制載荷。

（b） 除非另有說(shuō)明，所規(guī)定的空氣、地面和水載荷必須與計(jì)及飛機(jī)每一質(zhì)量項(xiàng)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(shí)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(cè)量來(lái)證實(shí)。

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

發(fā)動(dòng)機(jī)慣性載荷來(lái)自于全機(jī)載荷輸入，主要飛行載荷和地面載荷，是指按照CCAR25 部計(jì)算的載荷，包括：動(dòng)態(tài)突風(fēng)載荷（包括離散垂直突風(fēng)、離散側(cè)向突風(fēng)、連續(xù)垂直突風(fēng)、連續(xù)側(cè)向突風(fēng)）、動(dòng)態(tài)著陸載荷、動(dòng)態(tài)滑行載荷、飛行載荷、地面載荷（包括三點(diǎn)起飛滑跑、兩點(diǎn)滑行剎車(chē)、三點(diǎn)滑行剎車(chē)、急剎車(chē)、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、前輪側(cè)偏§25.499（a）、前輪側(cè)偏§25.499（b）（c）、前輪側(cè)偏§25.499（e）、繞左主起落架的回轉(zhuǎn)情況、繞右主起落架的回轉(zhuǎn)情況、倒行剎車(chē)、起飛滑跑的組合載荷情況）。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩載荷

發(fā)動(dòng)機(jī)限制扭矩載荷指根據(jù)§25.361計(jì)算的扭矩載荷。§25.361 b）規(guī)定：“對(duì)于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)裝置，發(fā)動(dòng)機(jī)架及其支承結(jié)構(gòu)必須設(shè)計(jì)成能承受下列每一種載荷：

（1） 由于故障或結(jié)構(gòu)損壞（例如壓氣機(jī)卡住）造成發(fā)動(dòng)機(jī)突然停車(chē)所產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機(jī)限制扭矩載荷；

（2） 發(fā)動(dòng)機(jī)最大加速所產(chǎn)生的發(fā)動(dòng)機(jī)限制扭矩載荷。”

針對(duì)25.361 b）（1）條，限制扭矩載荷來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)、熄火、油路切斷。最危險(xiǎn)工況為油路切斷后，壓縮機(jī)中有最大剩余空氣流量，但這時(shí)渦輪轉(zhuǎn)子中沒(méi)有能量輸入。這一最大減速扭矩發(fā)生于紅線(xiàn)速度下的突然減速，僅存在幾毫秒。

發(fā)動(dòng)機(jī)極限扭矩載荷主要是指轉(zhuǎn)子鎖死力矩（Rotor Seizure Torque），可能由兩種情況導(dǎo)致：風(fēng)扇葉片脫落（FBO）情況中風(fēng)扇與風(fēng)扇機(jī)匣碰撞、其他可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)的事件（渦輪葉片脫落）。

確定發(fā)動(dòng)機(jī)最大減速時(shí)的限制扭矩時(shí)可以按發(fā)動(dòng)機(jī)在Δt 時(shí)間內(nèi)從最大轉(zhuǎn)速ωxmax 減小到零。Δt 的大小按發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分慣量的大小取值，如果慣量小，減速容易可取0.2 秒，如果慣量大，減速慢可取較大的值，目前國(guó)外最大的發(fā)動(dòng)機(jī)慣量情況取到0.5，通常情況國(guó)外飛機(jī)取0.2 到0.3。

針對(duì)25.361 b）（2）條，首先要確定各轉(zhuǎn)動(dòng)部分在最大加速情況下的最大角加速度。

得到以上兩個(gè)力矩后還需和飛機(jī)平飛時(shí)的氣動(dòng)載荷和慣性載荷疊加，進(jìn)行安裝節(jié)系統(tǒng)的強(qiáng)度分析。發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)時(shí)的扭矩值應(yīng)作為限制載荷使用，只有極少發(fā)生的非常突然的突然停車(chē)才會(huì)產(chǎn)生很大的扭矩，可以作為發(fā)動(dòng)機(jī)的極限載荷對(duì)待。

發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩載荷通過(guò)安裝節(jié)系統(tǒng)傳遞到吊掛上，飛機(jī)兩側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩通常是同向的（兩側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向一致），計(jì)算時(shí)應(yīng)是兩側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)作用而不能只考慮一側(cè)。

3 陀螺載荷

發(fā)動(dòng)機(jī)陀螺載荷指根據(jù)§25.371計(jì)算的扭矩載荷。

§25.371規(guī)定：任何發(fā)動(dòng)機(jī)或輔助動(dòng)力裝置的支承結(jié)構(gòu)必須按§25.331、§25.341（a）、§25.349、§25.351、§25.473、§25.479、§25.481 中規(guī)定情況產(chǎn)生的包括陀螺載荷在內(nèi)的載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，且發(fā)動(dòng)機(jī)或輔助動(dòng)力裝置處于與該情況相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)速。為了符合本條的要求，必須滿(mǎn)足§25.331（c）（1）的俯仰機(jī)動(dòng)的要求直到達(dá)到正的限制機(jī)動(dòng)載荷系數(shù)（§25.333（b）的A2點(diǎn)）。

本條款規(guī)定了在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須按§25.331、§25.341（a）、§25.349、§25.351、§25.473、§25.479、§25.481 中規(guī)定情況產(chǎn)生的載荷情況進(jìn)行分析，需包括發(fā)動(dòng)機(jī)以最大轉(zhuǎn)速工作所產(chǎn)生的陀螺載荷。

在上述條款規(guī)定的情況下，因?yàn)轱w機(jī)具有俯仰、偏航及滾轉(zhuǎn)角速度，所以會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)安裝節(jié)上產(chǎn)生一個(gè)陀螺載荷。具體來(lái)說(shuō)，條款規(guī)定在計(jì)算公式中ω2要按下列情況選取：

（1）俯仰機(jī)動(dòng)中的最大俯仰角速度。

（2）滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)過(guò)程中所出現(xiàn)的最大俯仰角速度或偏航角速度。

（3）偏航機(jī)動(dòng)中的最大偏航角速度。

陀螺載荷計(jì)算公式通常為：M = Ix×ω1×ω2

式中：M——發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的陀螺力矩（牛·米）

Ix——發(fā)動(dòng)機(jī)（包括螺旋槳）旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（公斤·米2）

ω1——發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度（弧度/秒）

ω2——飛機(jī)的機(jī)動(dòng)俯仰或偏航角速度（弧度/秒）

根據(jù)陀螺載荷的計(jì)算公式可以確定力矩的方向，目前常見(jiàn)的民用飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向都為逆時(shí)針?lè)较颍◤臋C(jī)頭向機(jī)尾方向看），左右兩側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向一致，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)角速度方向向前，飛機(jī)俯仰時(shí)產(chǎn)生的角速度方向沿機(jī)翼的展向，按右手法則確定產(chǎn)生的陀螺力矩的方向?yàn)榇怪狈较颍綍r(shí)產(chǎn)生的陀螺力矩方向?yàn)檠仫w機(jī)展向。產(chǎn)生的陀螺力矩應(yīng)按結(jié)構(gòu)的連接特點(diǎn)用可靠或保守的方法傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)，并與規(guī)定的全機(jī)載荷疊加進(jìn)行結(jié)構(gòu)的校核。

4 FBO載荷

FBO 載荷是指發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉片因鳥(niǎo)撞、冰雹或者是疲勞等原因發(fā)生斷裂而脫落所引起的載荷。

發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)專(zhuān)用條件：

（c）對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)，必須考慮1g平飛載荷和下述動(dòng)載荷同時(shí)作用的極限載荷：

（1）任何風(fēng)扇、壓氣機(jī)或渦輪葉片的喪失，以及

（2）任何能引起更大載荷的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)損壞。

當(dāng)（c）（1）和（c）（2）所定義的極限載荷作用到發(fā)動(dòng)機(jī)架和吊掛上時(shí)，必須乘以1.0的安全系數(shù)；當(dāng)作用到臨近的機(jī)體支撐結(jié)構(gòu)上時(shí)，必須乘以1.25的安全系數(shù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)載荷最嚴(yán)重的故障狀態(tài)就是專(zhuān)用條件中規(guī)定的FBO狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程的模擬可以按照AC25.362-1X 進(jìn)行，葉片的飛出數(shù)量要計(jì)算部分葉片、1片及1.5片（若FBO試驗(yàn)中葉片飛出數(shù)量超出1.5片，需對(duì)試驗(yàn)中飛出的數(shù)量進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算），產(chǎn)生的慣量可以從供應(yīng)商處獲得，應(yīng)按時(shí)間歷程進(jìn)行全機(jī)的動(dòng)載荷計(jì)算得到發(fā)房、吊掛及支撐結(jié)構(gòu)的極限載荷，這個(gè)過(guò)程一般持續(xù)幾秒鐘，前部分時(shí)間內(nèi)是發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)烈振動(dòng)的不穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生很大的載荷，之后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間發(fā)動(dòng)機(jī)到達(dá)風(fēng)車(chē)狀態(tài)，產(chǎn)生風(fēng)車(chē)載荷。這部分工作一般由發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商進(jìn)行，但主制造商必須證明其可靠性。所有發(fā)動(dòng)機(jī)的重要參數(shù)必須有可靠的來(lái)源和出處。

FBO載荷為設(shè)計(jì)使用的極限載荷，這個(gè)載荷在加載時(shí)根據(jù)條款規(guī)定對(duì)不同的部位采用不同的安全系數(shù)，短艙、安裝節(jié)和吊掛可以采用安全系數(shù)1.0。

5 風(fēng)車(chē)載荷

風(fēng)車(chē)載荷為發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生FBO事件后的持續(xù)不平衡載荷，該載荷定義見(jiàn)AC25.24“發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)不平衡”。風(fēng)車(chē)載荷由發(fā)動(dòng)機(jī)公司通過(guò)動(dòng)響應(yīng)分析得到，計(jì)算所用的有限元模型由發(fā)動(dòng)機(jī)公司、短艙公司和飛機(jī)制造商聯(lián)合建立。

CCAR 25.903c）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制：

必須有在飛行中單獨(dú)停止任一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的措施，但對(duì)于渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝，只有在其繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)危及飛機(jī)的安全時(shí)才需要有停止任一發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的措施。在防火墻的發(fā)動(dòng)機(jī)一側(cè)，可能暴露于火中的停轉(zhuǎn)系統(tǒng)的每個(gè)部件必須至少是耐火的。如果為此目的使用螺旋槳液壓順槳系統(tǒng)，順槳管路在順槳期間可預(yù)期出現(xiàn)的各種使用條件下必須至少是耐火的。

在FBO發(fā)生后，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)不平衡載荷計(jì)算，分析中考慮從最大到最小的風(fēng)車(chē)速度，所有非線(xiàn)性因素（例如轉(zhuǎn)子和定子的摩擦），并在頻域內(nèi)進(jìn)行分析。

以上的不平衡振動(dòng)載荷疊加上AC 25.24中5c（3）條中規(guī)定的載荷作為風(fēng)車(chē)情況下結(jié)構(gòu)的靜載。

根據(jù)AC 25.24中5c（2）規(guī)定的轉(zhuǎn)場(chǎng)任務(wù)剖面，飛機(jī)飛行階段有等校正空速飄降（Initial Drift——FBO發(fā)生后飛機(jī)馬上飄降）、等校正空速下降（Final Drift）、巡航（Cruise）、等校正空速下降（Final Descent）。在AC 25.24中5c（2）中規(guī)定的各個(gè)階段中，5c（3）定義了各個(gè)階段應(yīng)該疊加的飛行載荷，構(gòu)成了限制、極限載荷：

階段1和階段3中最大風(fēng)車(chē)振動(dòng)載荷疊加1g飛行載荷，考慮為限制載荷。考慮1.375系數(shù)后為極限載荷。

階段4最大風(fēng)車(chē)振動(dòng)載荷疊加1.15g正平衡機(jī)動(dòng)載荷，考慮為限制載荷。考慮1.375系數(shù)后為極限載荷。

階段2最大風(fēng)車(chē)振動(dòng)載荷疊加70%機(jī)動(dòng)和40%限制突風(fēng)載荷，考慮為極限載荷。這部分載荷可以考慮為離散源損傷容限情況（DSDT）下返場(chǎng)任務(wù)載荷。

6 結(jié)束語(yǔ)

由于安裝節(jié)結(jié)構(gòu)所受載荷的復(fù)雜性，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)載荷的選取極為關(guān)鍵。因此，在對(duì)相關(guān)適航規(guī)章的充分研究后，本文給出了完備的安裝節(jié)設(shè)計(jì)載荷，對(duì)安裝節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有及其重要的指導(dǎo)意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]中國(guó)民用航空總局. CCAR-25 運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].

[責(zé)任編輯：曹明明]