民航喷气式客机常见的几种发动机布局详解

喷气式客机的发动机可以布置在机翼、翼根或机尾,当然也可以在这几种形式之间混合。
  翼根发动机
\
英国的骄傲,世界第一架喷气式客机de Havilland 的“彗星”式
第一架喷气式客机“彗星”式采用的是现在已经罕见的翼根发动机布局,也就是发动机安装在翼根紧靠机身的发动机舱里。这种布局的引风阻力最小,发动机里机身中轴线最近,一旦一侧发动机故障后,推力不平衡比较小。发动机离机体的重心也最近,飞行控制比较简单,因此在早期的喷气式客机中应用较多。除了英国的“彗星”式,苏联的图-104(包括基本相同的轰炸机图-16,在中国称轰-6)也是采用翼根发动机布局。
\
苏联的图-104 也是翼根发动机,不过从彗星的四发改成了双发
这种布局也有其严重的局限。发动机紧靠机身,噪音很大,炽热喷气流对机身的冲刷较严重。另一个问题是机翼穿过发动机舱和机身连接,在结构上很别扭。更大的问题在于发动机舱是为特定的发动机专门设计的,很难改装其他发动机,所以发动机技术进步了,也难以容易地应用最新成果,除非重新设计发动机舱。这牵扯的面就大了。在第一代喷气式客机之后,这种布局基本上绝迹了。
翼下发动机
\
波音707首创在翼下吊挂发动机,这以后成为大型飞机的基本布局
自从波音 707 采用翼下吊挂发动机布局以后,翼下吊挂发动机成为大型喷气式客机的主要形式。飞机靠机翼产生向上的升力,但飞机的重量大部分集中在机身,所以向下的重力集中在机身。这样,在机翼和机身的连接,升力和重力形成强烈的扭力,翼根成为结构上最吃重的地方,需要特别加强。翼下吊挂沉重的发动机可以把一部分重量分散到机翼上去,这样翼根的扭力就部分地被平衡掉了,对翼根结构的加强可以减少,重量就较轻,这就是所谓的翼下发动机的“卸载”作用。机翼内的大型油箱也有类似的作用。翼下发动机的吊挂点越靠外,卸载作用越明显;但发动机越靠外,一旦一侧发动机故障的话,不平衡推力也就越明显。所以卸载和飞行安全之间要平衡考虑,只有在确保飞行安全的情况下,才能考虑充分卸载的问题。
\
只要有需要,发动机数目再增加也没有问题,这是 6 发的安-225
另一个问题是发动机吊舱的设计。发动机吊舱的前缘需要领先于机翼前缘,以保证发动机在干净的气流场中,不和机翼发生不利的交互作用。发动机的吊架造成迎风阻力,所以不宜太长,但这还不是最大的问题。客机基本上采用下单翼,这样翼下的起落架长度可以缩短。但吊挂的发动机不能离地过近,否则容易吸入地面杂物,损坏发动机,造成危险。但发动机和机翼前缘没有足够高度差的话,发动机会对机翼前缘造成遮挡,极大地影响升力,需要增大翼展和翼面积,这增加了重量和阻力。发动机吊舱的设计是和机翼的上反、起落架一并综合考虑后,才能决定的,对飞行阻力。
\
翼下吊挂发动机维修很方便,在地面上就可以进行
翼下吊挂发动机布局的最大优点是对机翼的卸载作用,当然,在空间容许的情况下,翼下发动机舱可以比较容易地在不同发动机之间更换,为飞机不断利用最新科技成果创造了条件。这对大型飞机尤其重要。这容许航空公司在不同的发动机公司之间选择,也使同一基本型号的飞机加长或缩短时可以和最合适的发动机相匹配。对于客机来说,翼下吊挂发动机的另一个优点是噪音较低,因为发动机远离机身,又有机翼遮挡。翼下吊挂发动机的离地高度较低,维修也比较容易。翼下吊挂发动机的增减也比较灵活,翼下双发、四发、六发、八发甚至更多,都能够容易地做到。除了少数例外。
翼上发动机
\
这样起落架的长度可以最短,节约起落架的重量,也方便乘客上下飞机
\
本田汽车公司也涉足航空领域,设计了这个“本田喷气机”(Honda Jet)
翼下吊挂发动机是最常见的,但也有将发动机布置在翼上的。翼上发动机不受翼下离地高度的限制,也具有和翼下发动机同样的卸载作用,但机翼对翼上发动机的噪音没有遮挡,发动机维修也比较困难。最大的问题是,上翼面的气流速度较快(这是机翼产生升力的基本原因),发动机支架对气流的遮挡所造成的升力和阻力损失比在翼下更严重。采用翼上发动机的飞机比较罕见,只有中型的德国多尼尔 VFW-614 和本田的“本田喷气机”采用这种独特的布局。
机尾发动机
\
中国人熟悉的三叉戟是典型的机尾三发,这是林彪自我爆炸时的座机
机尾发动机的出现其实最晚,法国的“快帆”和英国的 VC-10 是这个布局的先驱,后来的美国麦道 DC-9/MD80/MD90 系列、英国 BAe111、“三叉戟”、苏联的图-134、-154、雅克-40 都是这个布局。这个布局在 60 年代的欧洲很流行,现代的支线客机也大多采用这个布局,如加拿大 Bombardier 的 CRJ 系列、巴西 Embraer 的 EMJ 系列和中国的 ARJ21。机尾发动机将发动机短舱悬吊在机尾两侧,这样既远离乘客乘坐的机舱,又紧靠机身,在一侧发动机故障时不致引起严重的不平衡推力。
\
美国人熟悉的机尾三发就是波音727了
这个布局最大的优点是机翼很干净,不用考虑发动机吊舱对升力和阻力的影响。但发动机为机翼卸载的作用也没有了,翼根需要加强。另一个问题是机尾发动机占去了平尾的地方,一般要求采用高平尾,这样重量较大的平尾高高在上,垂尾的结构需要加强;平尾的控制机构需要通过垂尾结构,复杂性和重量都增加。最大的问题依然是发动机短舱,不容易更换发动机,也不容易增减发动机的数目。
\
翼下加机尾混合三发
机尾发动机有一个独特的优势,可以做成三发。三发中的两发一般在机尾两侧,剩下的一个发动机既可以安排在机尾机身内,有垂尾根部的 S 形进气道供气;或者安排在垂尾翼根,向垂尾上的翼根发动机一样。这两种做法各有各的好处。机身内空间较大,发动机的重量不增加垂尾的负担,垂尾设计相对简单,但进气道占用体积大,进气损失也大。垂尾翼根发动机的特点正好相反。
机翼和机尾发动机布局也可以混合,翼下吊挂双发,垂尾翼根或机尾机身内再安排第三台发动机。混合布局的特点介于翼下和机尾布局之间,具有翼下发动机容易维修和为机翼卸载的优点,也具有机尾发动机不宜更换和机尾结构复杂的缺点,但平尾可以移下来,到结构简单的低平尾位置了。
\
短途的支线客机几乎没有例外,都采用机尾发动机布局
中小型飞机的重量小,机翼卸载的要求不高,机尾发动机布局可以简化和优化机翼设计,并容许起落架长度最短,用飞机自带的小阶梯就可以方便地上下飞机,所以一般采用机尾发动机布局。大型飞机的重量大,机翼卸载具有明显的好处,一般采用翼下发动机布局。Bombardier 和 Embraer 的支线客机越造越大,已经开始进入 A320 和波音 737 的低端。无独有偶,他们不约而同地从传统而又拿手的机尾发动机布局转到翼下发动机布局了。(作者署名:晨枫)

民航喷气式客机常见的几种发动机布局详解》有2条评论

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注