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摘 要 大型民用飞机发动机短舱设计一直是飞机设计关注的重点，本文介绍了短舱结构设计和气动设计，指出结构设计需满足发动机的使用要求，并实现防火、防冰等功能，气动设计则要通过优化气动型面来实现减阻。
關键词 短舱;结构设计;气动设计
1 概述
大型民用飞机发动机短舱主要包括进气道、短舱外罩和尾喷管等。短舱的设计一般可分为：①结构设计：可安装发动机及其附件系统，能够满足发动机的使用要求，并且具有防火、防冰和降噪等功能。②气动设计：在飞机的整个飞行包线内，能持续不断地通过进气道向发动机输送足量空气，且具有良好的气动阻力特性[1]。
2 结构设计
短舱结构设计主要包括进气道、短舱外罩和尾喷管等部件的设计。
进气道结构主要由蒙皮、隔板、壁板等部件组成。进气道结构设计应首先满足发动机进气流量和扩压能力的要求，这就要求进气道结构有足够的进气面积和良好的型面设计。另外由于飞机长时间飞行在低温环境中，进气道表面会逐渐聚集冰块，这些冰块不仅会引起进气道气动性能的下降，还可能会脱落引起发动机风扇叶片和压气机叶片的损坏。国内外一般采用电热防冰或者热气防冰。电热防冰是在进气道结冰时由防冰控制器控制加热元件对进气道进行加热，从而使冰融化，并通过加热区内的温度传感器监测温度并在过热时提供过热告警信号。而热气防冰系统则是通过从发动机压气机引气，将热气流喷射至进气道前缘。从目前应用情况来看，热气防冰系统由于引气技术更为成熟，可靠性更好，因此较电热防冰技术应用更为广泛，现役的主流机型大多采用了热气防冰系统。此外，为满足降噪要求，内壁板一般设计为蜂窝结构，并带有消声衬垫;为使进气道在进水后能及时排水，通常在发动机正下方位置设置排液孔。对于大型民用涡扇发动机来说，考虑到风扇舱通风气流的需要，可能在进气道上方设计NACA口[2]。
短舱外罩是发动机的外衣，对发动机起保护作用，不仅可以防止外来物的撞击直接损坏发动机，还可以通过内部的结构设计实现发动机防火功能。特别是发动机出现火情时，设计良好的防火墙可延缓甚至阻断发动机内火焰的传播，从而隔离发动机火区和非火区，最大限度地保护发动机。结构防火墙一般采用耐高温金属材料制造，可直接面对火焰的冲击，阻止火焰传播扩散。
尾喷管位于发动机后部，用于发动机尾气的排放，并贡献了发动机的一部分推力。对于大型民用飞机普遍采用的涡扇和涡桨发动机，由于尾喷管排出的气流速度较小，因此一般采用收敛形喷管。尾喷管材料上一般选用采用镍基高温合金，结构上通过法兰连接发动机机匣，对于带反推的发动机还需设计防火封严[3]。
3 气动设计
由于短舱外罩与空气自由流接触，当飞机飞行时，短舱表面会产生阻力，特别是高速飞行时，短舱外罩很可能会因为达到阻力发散马赫数而引起阻力迅速增加。同时，短舱外罩的型面特征对于减弱气流分离和抑制阻力发散也起重要作用，因此短舱的气动设计主要目的在于减小阻力。
本文对某型短舱（如图1）开展CFD计算，包括马赫数为0.7、0.75、0.8、0.85和0.9，流量系数为0.4、0.5、0.6、0.7和0.8，共10个工况。计算得到该模型的对称面压力分布和马赫数分布如下图2所示[4]。
得到短舱溢流阻力Dspill、压差阻力Dp、尾部阻力Db、摩擦阻力Df和总阻力Dtotal随马赫数和流量系数的变化规律，见图3和图4。
经过计算和分析，发现随马赫数的增加，短舱阻力增大，且变化曲线变陡;马赫数选择在不超过0.85Ma时，短舱阻力较小;随着进气道流量系数的增加，短舱阻力减小，且变化趋缓;短舱阻力的产生主要是由于进气道前方捕获流管变细，引起附加阻力、压差阻力和摩擦阻力发生变化[5]。
4 结束语
本文从结构设计和气动设计两个方面介绍了大型民用飞机发动机短舱，在结构设计方面，需考虑到安装、防火和防冰等方面，气动设计方面应通过优化气动型面来减小阻力。
参考文献
[1] 刘大响，陈光. 航空发动机—飞机的心脏[M]. 北京：航空工业出版社，2003：55.
[2] 王修方. 涡扇发动机动力短舱的设计[J]. 民用飞机设计与研究， 1998，（1）：84-126.
[3] 周颂平. 民用涡扇飞机短舱结构防火设计[J]. 科技传播，2013，（6）： 82-85.
[4] 沈克扬. 涡扇发动机短舱的气动设计方法[J]. 民用飞机设计与研究，1992，（4）：10-12.
[5] 刘凯礼，姬昌睿.大涵道比涡扇发动机TPS短舱低速气动特性分析[J].推进技术，2015，36（2）：186-193.
作者简介
江声兰（1987-），女，工程师，研究方向：飞机短舱设计。