發動機是如何「裝」到飛機上的?

發動機是如何“裝”到飛機上的?

翼吊發動機的“卸載”作用

自從波音707客機首創發動機翼吊方式以來,翼吊式佈局已成為發動機的“標準”方式,這一現象是大涵道比發動機不斷髮展進步的結果。

翼吊方式最大的優點是可以利用發動機的“卸載”緩解機翼受力。空氣對機翼升力使得機翼向上彎曲,而翼吊發動機的重量使得機翼向下彎曲,緩解了機翼上彎。機翼一般向後掠,機翼氣動升力同時還會使機翼發生下俯的扭轉,而發動機推力會使機翼發生上仰的扭轉,抵消了氣動力產生的扭轉。

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吊掛主要結構

翼吊發動機也簡化了燃油管路的佈置,飛機的燃油是儲存在機翼以及中央翼盒內部的,發動機可以就近獲取燃油。

翼吊發動機通常將發動機安裝在靠近翼根的位置,單發失效時推力的不平衡作用被降低,但是,離機身太近會削弱“卸載”作用同時又導致發動機噴流灼燒機身。發動機一般掛在機翼前方,機翼通過吊掛像“挑扁擔”一樣挑著發動機,發動機離機翼太近會發生流場互相干涉,而發動機離機翼距離太遠又會加劇吊掛受力。所以發動機吊點的位置需要經過氣動設計、結構佈置、強度部門共同確定。

吊掛用於直接傳遞發動機的重力和推力,是飛機上受力最嚴重的構件。吊掛通常由高強度鈦合金或者合金鋼製成並採用盒形梁的結構形式,具有較高的強度和剛度。

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阻流門式反推

吊掛承受了如此巨大的載荷,但是其強度也不是越高越好,在飛機發生墜撞的時候,為了防止發動機失火或者轉子飛轉危及乘客安全還需要採取發動機應急斷離措施。可見,吊掛既需要在正常飛行狀態下“hold住”發動機,又需要在緊急狀態下斷掉以保護乘客,所以其設計製造十分複雜。

進氣罩/風扇罩

進氣罩與風扇罩都屬於氣動面,需要提供光滑的外形降低飛行時空氣阻力。進氣罩還需要引導外界空氣較為均勻地流入發動機並通過在罩壁上佈置的噪聲吸附材料降低噪聲水平。風扇罩需要遮擋發動機附件管線避免其暴露在氣流衝擊下影響壽命。

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剷鬥門式反推

進氣罩的截面形狀一般為圓形,但是波音737的短艙例外。這是因為波音737飛機起落架高度較低,為了安裝直徑較大的發動機而不至於影響離地淨空迫不得已才把短艙“拍扁”的。

反 推

反推是使飛機降落時減速、減小降落滑跑距離的一種輔助裝置。反推使發動機部分氣流向前排出達到減速的效果。客機降落的瞬間有較大的噪聲發出就是反推打開造成的氣流噪聲。反推的形式包括剷鬥門式、蛤殼形門式、阻流門式等種類。現代客機最常用的是阻流門式反推裝置。

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阻流門式反推工作原理

阻流門式反推裝置有一個類似百葉窗的排氣格柵以及一個類似推拉門的滑動罩。飛機在飛行過程中滑動罩處於關閉狀態,空氣向後排出產生正常的推力。當飛機降落反推打開時,作動筒推動滑動罩漏向後滑動帶動一個活門堵塞外涵道,迫使外涵道氣流通過排氣格柵向前排出使飛機剎車。阻流門式反推裝置只能改變外涵道氣流方向而內涵道氣流仍然向後排出,但是由於運輸類飛機均使用大涵道發動機,大部分推力由外涵道氣流產生,阻流門式反推大致能使推力的70%轉變為反推力。

反推裝置雖然原理簡單,但是設計時有很多細節需要特別注意。例如,需要採用措施防止反推裝置在飛機起飛或者飛行途中誤打開,歷史上曾經發生過多起反推誤打開導致的空難。此外,兩臺發動機的反推展開時還需要有同步機構保持兩側反推的打開協調一致,否則飛機由於推力不平衡會造成事故。所以反推裝置涉及到氣動、機械、液壓、控制等多個專業的協作。

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波音737飛機短艙

對於需要在跑道長度有限的野戰機場降落的運輸機,反推裝置則是必不可少的。

排氣系統

渦扇發動機內涵道排出的高溫高速氣流與外涵氣流的低溫低俗氣流混合能帶動外涵排氣進一步加速膨脹,提高推進效率。根據氣流混合位置的不同可以將排氣系統分成混合排氣合和分開排氣兩種。

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短艙-吊掛系統

混合排氣的發動機整流罩向後延升得較長,內外涵氣流在發動機整流罩內完成混合向外排出,而分開排氣的發動機整流罩較短,內外涵氣流在整流罩外混合。空中客車A330飛機裝備了三種發動機,分別為羅羅遄達700發動機、普惠PW4000發動機以及賽峰CF6發動機。其中遄達700發動機採用了混合排氣噴管而另外兩種發動機則採用了分開排氣噴管,CF6發動機尾部還加裝了一個整流錐,這三種發動機的排氣裝置對比如左圖所示。

混合排氣的排氣裝置推力較高氣動噪聲較低,但是較長的整流罩帶來了額外的重量且較重的整流罩不便於佈置阻流門式反推裝置。

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A330飛機可選裝的三種發動機的噴管(左:遄達700;中:PW4000;右:CF6)

發動機是如何“裝”到飛機上的?

最“個性”的噴管當屬波音787客機的鋸齒形噴管,這種噴管具有噪聲抑制的功能,是波音787客機最明顯的特徵。(來源:中國航空報)


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