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飞机发动机短舱上的小片片是干什么用的?

作者:张华(北京航空航天大学航空科学与工程学院)

(注:该文发表于2018年12月31日作者的个人“美篇”)

作者简介:

张华,北京航空航天大学航空科学与工程学院教授,北京市高校教学名师,北京市优秀教师,中国力学学会全国优秀力学教师,北航国家级精品课《空气动力学》优秀主讲教师,北航“我爱我师-十佳教师”,北京力学学会科普委员会副主任,《力学与实践》杂志编委,主要研究方向:旋涡与分离流动,流动控制,风工程,风洞水洞设计。


摘要:

通俗、形象地解释运输机发动机短舱扰流片(涡流发生器)的作用。



飞机发动机短舱俗称发动机整流罩、发动机外罩或发动机外壳,是包裹、支撑和安装发动机主体结构、并对绕过发动机的流动进行整流的装置。发动机短舱在飞机上的布局有多种形式,参见图1所示[1]。

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图1. 发动机短舱的布局形式[1]


其中图1第一图所示的翼下短舱布局也称为翼吊布局,是大型民航客机和大型运输机发动机最常见的安装形式之一,即通过发动机挂架将发动机安装在机翼下方。为了减少机翼和发动机之间的气流干扰,通常发动机距离机翼有一定的前伸量和下沉量。在翼吊布局发动机短舱外部上侧常常会装有一块或两块竖立的刚性小片,其名称是发动机短舱扰流片或称发动机短舱涡流发生器。图2是A380发动机短舱扰流片(单片),图3是波音737发动机短舱扰流片(单片),图4是C-17运输机发动机短舱的扰流片(双片)。


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图2. A380发动机短舱扰流片(单片)


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图3. 波音737发动机短舱扰流片(单片)


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图4. C-17运输机发动机短舱扰流片(双片)


具有发动机短舱扰流片的发动机短舱与发动机内部主体部件的解剖结构参见图5所示。


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图5. 采用吊挂布局的发动机短舱(有一对扰流片)与内部构件解剖图


发动机短舱扰流片的设计目的是为了解决由于发动机挂架和发动机造成的机翼局部前缘增升装置不连续以及后缘增升装置效率下降问题。下面用图6来说明发动机扰流片的原理[2]。众所周知前缘缝翼和后缘开缝襟翼是运输机低速大迎角起飞或着陆时的重要增升装置,但是由于发动机挂架的存在使机翼局部不能布置前缘缝翼(参见图6中Fig.1),且在较大迎角下造成发动机及其挂架下游机翼的气动性能恶化。


在没有发动机及其挂架干扰的理想情况下(参见图6中2-2截面对应的Fig.2),由于通过前缘缝翼和后缘开缝襟翼引入了下翼面高压气流,增加了上表面边界层动能和抵抗分离的能力,增升装置具有较高的增升效率。


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图6. 发动机短舱扰流片原理[2]


在发动机及其挂架的4-4截面,一方面由于缺乏具有高气动效率的前缘缝翼,另一方面由于发动机及其挂架的干扰,使得较大迎角下的上表面气流极易发生分离、增升装置气动效率降低,参见图6中Fig.3,符号48、50、54等表示流动分离区域。

在发动机短舱上安装扰流片的情况下(参见图6中的24、26号一对扰流片),起飞和着陆时较大迎角下气流将与扰流片形成一定角度,并产生绕机翼上表面的一对相向旋转的流向涡(这就是它又被称为涡流发生器的原因),这一对流向涡形成的下洗(downwash)气流作用在图6中28所示的发动机及其挂架下游区域,使得原来分离的气流重新附着,提高了该截面机翼和后缘增升装置的气动效率,即便该截面没有前缘缝翼,参见图6中Fig.4。


图6中Fig.5、6、7分别表示了一对发动机短舱扰流片在短舱上的布置方位、以及扰流片正视图、侧视图和俯视图。


视频1所示的录像是我曾经的学生、现在美国工作并私人学习飞行的董豪博士在香港机场转场起飞时拍摄的,显示了波音777-300客机起飞爬升阶段发动机扰流片(单片)形成的流向涡及其绕流情况。


视频1. 波音777-300客机起飞时发动机短舱扰流片形成的流向涡及其绕流(董豪拍摄于香港机场)


需要指出,在非起飞、非着陆的巡航飞行状态下,发动机短舱扰流片的局部气流迎角很小,不会产生明显的涡流也不会造成太大的干扰阻力。

文献[3]采用CFD的方法对发动机短舱加装扰流片带来的增升装置气动特性影响进行了较深入和详细的分析讨论,感兴趣的可以查阅参考。

参考文献:

1. 中国航空工业空气动力研究院主编,航空气动力技术,航空工业出版社,2013.12

2. Richard Kerker, et al, United State Patent 3,744,745. July 10, 1973

3. 张文升,陈海昕,张宇飞,符松,陈迎春,李亚林,周涛,短舱扰流片对运输机增升装置气动特性的影响,航空学报,Jan. 25 2013,34(1):76-85


说明:文中图片除了已指明的之外均来自于网络,图片版权归原拍摄者所有。