渦扇短艙外部壓力臨界載荷工況研究

李衛(wèi)平

【摘 要】現(xiàn)代軍民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)短艙飛機(jī)機(jī)載設(shè)備振動(dòng)環(huán)境是飛機(jī)設(shè)計(jì)中一個(gè)極其重要的內(nèi)容，而對于飛機(jī)機(jī)載設(shè)備及其結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析也是難度很大的一項(xiàng)工作。本文介紹了靜剛度和動(dòng)剛度的分析方法，給出了了其理論來源，并結(jié)合飛機(jī)機(jī)載設(shè)備的高強(qiáng)度短時(shí)振動(dòng)分析，給出了具體的使用方法，從而用于飛機(jī)機(jī)載設(shè)備及其結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析，并指導(dǎo)工程實(shí)踐。

【關(guān)鍵詞】高函道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)；短艙外部壓力；臨界載荷；發(fā)動(dòng)機(jī)推力

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的提高，國內(nèi)軍民兩用飛機(jī)的使用量也越來越大，同時(shí)也對我國飛機(jī)設(shè)計(jì)的提出了更高的要求。大型軍民用飛機(jī)均采用高函道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，而發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中重要的部件即為發(fā)動(dòng)機(jī)短艙設(shè)計(jì)，由于高函道比短艙相對于傳統(tǒng)形式存在直徑大，復(fù)合材料使用率高，內(nèi)外壓力載荷為主要涉及臨界載荷等特性，因此，需要在傳統(tǒng)飛機(jī)設(shè)計(jì)載荷的基礎(chǔ)上，對短艙設(shè)計(jì)載荷進(jìn)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(fā)動(dòng)機(jī)短艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中外部壓力的篩選原則和參數(shù)點(diǎn)選取的應(yīng)用，以指導(dǎo)實(shí)際的工程應(yīng)用。

1 飛機(jī)載荷設(shè)計(jì)要求

根據(jù)CCAR 25.301條款的要求，對于飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足：

（1）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)）來規(guī)定。除非另有說明，所規(guī)定的載荷均為限制載荷。

（2）除非另有說明，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量來證實(shí)。

（3）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。

2 外部壓力臨界載荷選取

由于短艙作為薄壁結(jié)構(gòu)，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(shù)（高度、速度、溫度、角度）、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(shù)越大壓力越大；海拔越低，即動(dòng)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(cè)滑角和側(cè)向過載，對設(shè)計(jì)部位而言最嚴(yán)重。

首先需要從飛機(jī)飛行包線上選擇臨界載荷點(diǎn)，選取時(shí)應(yīng)給出Mach，高度，攻角和側(cè)滑角，同時(shí)還需疊代上發(fā)動(dòng)機(jī)功率，動(dòng)壓（Mach與高度的函數(shù)），發(fā)動(dòng)機(jī)重心處的垂向及側(cè)向過載。

圖1 臨界性能點(diǎn)選取

臨界載荷點(diǎn)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(shù)與相配套的最大動(dòng)壓（即最小高度）（A點(diǎn)），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(dòng)壓）與相配套馬赫數(shù)（B點(diǎn)），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(shù)與相配套的最大動(dòng)壓（即最小高度）（A點(diǎn)），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(dòng)壓）與相配套馬赫數(shù)（B點(diǎn)），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(jīng)驗(yàn)，為Vd線（圖1中Vd線）的B點(diǎn)，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(shù)Md（A點(diǎn)），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(shù)Mc（B點(diǎn)），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(fēng)扇函道壓力（Ps-Pamb，靜壓減去環(huán)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(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)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(jì)算點(diǎn)，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(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)商在最大起飛推力功率下，尋找最大壓差（PS150-Pamb）的計(jì)算點(diǎn)，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(jīng)驗(yàn)，為最大/最小的動(dòng)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(dòng)壓乘以攻角，疊加上相應(yīng)的垂向過載。

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

（7）側(cè)向/不對稱載荷：按照經(jīng)驗(yàn)，為最大的動(dòng)壓乘以側(cè)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(dòng)壓乘以側(cè)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(dòng)壓乘以側(cè)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(jì)算點(diǎn)為包括了中止起飛、應(yīng)急著陸、中止著陸中，最大馬赫數(shù)/最小海拔（即最大動(dòng)壓），疊加上：反推開啟狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)最大反推功率、反推關(guān)閉狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)最大起飛推力功率（模擬反推即將打開前狀態(tài)）。

應(yīng)注意，在CFD計(jì)算過程中，在高馬赫數(shù)的情況下會(huì)造成氣流分離，從而導(dǎo)致計(jì)算不收斂，載荷不連續(xù)。

對于尾吊短艙，由于氣流分離面從機(jī)翼開始，短艙氣流分離是由于機(jī)翼造成的。對于Vd、Md、Mc線上A點(diǎn)，均屬于此類情況，實(shí)際使用中可不考慮A點(diǎn)載荷，可用B點(diǎn)載荷代替。B點(diǎn)積分后所得垂向及航向載荷均為較嚴(yán)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(diǎn)，均屬于此類情況，在實(shí)際使用中可根據(jù)Vc、Mc線上A點(diǎn)外推到Vd、Md情況。該處理下載荷雖然不真實(shí)，但處理較保守，且保守量可接受。

3 結(jié)束語

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)短艙由于其大尺寸、小剛度特性，導(dǎo)致在強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)外部壓力作為其很重要的設(shè)計(jì)輸入，同時(shí)高速氣流流經(jīng)表明的特性，也導(dǎo)致臨界設(shè)計(jì)載荷的選取極為關(guān)鍵。因此，在研究清晰渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)短艙外部壓力臨界載荷工況后，對短艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有及其重要的指導(dǎo)意義，本文通過外部壓力產(chǎn)生的原理、飛機(jī)飛行性能包線、發(fā)動(dòng)機(jī)性能包線等出發(fā)，歸納總結(jié)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(dǎo)意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]牛春勻.使用飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及尺寸[M].航空工業(yè)出版社，2009.

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

[責(zé)任編輯：湯靜]