浅谈民用飞机短舱进气道结构设计

浅谈民用飞机短舱进气道结构设计

摘要：本文主要介绍安装先进涡轮风扇发动机的民用飞机进气道结构设计，包括进气道消声结构的设计。

关键词：进气道结构设计消声设计

0.概述

高涵道比、高效率的先进的动力装置是民用大型客机的心脏。作为动力装置重要组成部分的短舱进气道，对于整个动力装置的性能起着重要的作用。

1.进气道设计要求

进气道的内部通道设计必须保证在发动机各种工作状态下能供给发动机所需要的空气流量，并为发动机风扇进气面提供均匀流场和高总压恢复系数。进气道结构设计中，应运用声学处理技术，以最大程度减小发动机外传噪声，使飞机符合FAR-36部适航标准的要求。短舱进气道应当与风扇叶片一样具有抵抗飞行中鸟撞的能力。进气道必须采取防冰措施，在各种气候条件下，发动机及其进气系统上，都不产生不利于发动机运行或会引起推力严重下降的冰积聚。

2.进气道结构设计

进气道主要由唇口蒙皮、前隔板、后隔板、内壁板、外壁板和连接法兰组成。

进气道唇口蒙皮通常采用铝合金材料，表面阳极化处理，外表面打磨光滑，能够承受雨砂的侵蚀和冰雹的冲击，并且是防鸟撞的第一道防线。进气道唇口蒙皮通过角材与进气道后隔板与外壁板相连接，角材之间通过接头连接。进气道前隔板组件由腹板、径向肋、加强件、开口和管路支架组成。腹板由钛合金退火材料成形，以承受防冰管路的高温，由左右两块拼接而成。腹板上通常布置有径向肋，主要对结构起到加强作用。进气道前隔板组件通过角材与唇口蒙皮、内壁板和外壁板相连接。进气道前隔板组件主要承受的载荷为鸟撞冲击载荷，是防鸟撞设计的主要结构件。

进气道后隔板组件由腹板、径向肋、开口组成。腹板通常采用钛合金退火材料成形，由左右两块拼接或者整体成型，主要吸收FBO工况时风扇打出能量。腹板通常有径向肋，材料为钛合金，主要对结构起到加强作用。进气道后隔板组件在外侧通过角材与外壁板相连接，并且通过角材提供风扇罩罩体搭接区域；后隔板组件在内侧通过角材与内壁板相连接。进气道后隔板组件是防鸟撞结构设计的最后一道防线，要保证鸟的撞击不会穿透后隔板打到风扇舱段，后隔板的变形不能引起燃油管路以及其它系统的损坏以危及到飞行的安全。同时，尽管FADEC 位于风扇舱段区而不在进气道内，但是不能允许鸟撞击后隔板变形而接触到FADEC。因此后隔板需要布置一定数量的钛合金材料径向加强肋。后隔板通常也是风扇舱段火区的前向边，因此后隔板需要采用钛合金退火材料且必须布置防

火板以与火区隔离。进气道后隔板组件主要承受的载荷为管路爆破载荷。

进气道外壁板通常为复合材料铺层结构，热压罐成形，主要承受气动载荷，提供光滑的流线型表面。外壁板通过角材与前后隔板连接。进气道连接法兰通常为钛合金材料或者复合材料与内壁板共固化，通过周向一圈紧固件与发动机风扇机匣连接。进气道法兰通过螺栓、衬套和垫片与发动机风扇机匣连接，衬套的设计目的是在FBO情况下保护接头以承受高阶载荷。

3.进气道结构消声设计

飞机噪声是飞机飞行时存在的各种噪声源的声辐射总和。飞机噪声源主要有两类，即推进系统噪声和空气动力噪声。推进系统噪声包括风扇/压气机噪声、喷流噪声、涡轮噪声和燃烧噪声等。空气动力噪声则是由于气流流过机身引起的气流压力扰动产生的，因此也成为机体噪声。另外，超音速飞机产生的冲击波还会在地面形成轰声。

当代飞机广泛使用的涡轮风扇发动机主要声源有四个部分，即风扇/压气机噪声、燃烧噪声源、涡轮噪声源和喷流噪声源。其中风扇/压气机噪声和喷流噪声是发动机的主要噪声源。随着飞机广泛使用的涡轮风扇发动机涵道比的不断提高，发动机排气速度大大减小，相应的喷流噪声得到较大的降低，使得风扇/压气机噪声在飞机总噪声中占有越来越突出的地位。因此消声短舱的设计是必要的措施。

消声短舱声处理目的就在于抑制发动机噪声的向外传播，因此降噪就是消声结构的主要任务。但是，用于发动机进气道、排气通道上的声处理壁板不仅仅只需要降噪这唯一的要求，还必须满足其他一些要求才能认为是合适的消声结构。对于消声结构的一般要求大致可归纳如下：单位面积降噪量大，在起飞、着陆条件下都具有良好的降噪效果；对进气道、排气道内气流的摩擦损失尽量小；声疲劳强度高；在高速气流冲刷和温度变化的工作环境条件下仍十分牢固，有良好的耐久性和长寿命；重量轻，刚性好；不吸尘埃、水滴、油污等，以免堵塞面板小孔而降低吸声性能。

多孔消声材料的构造特征是：材料从表到里具有大量的互相贯通的微孔，也即具有适当的透气性。其消声作用主要是：当声波入射到多孔材料表面时激发起微孔内的空气振动，空气与固体筋络间产生相对运动，由于空气的粘滞性，在微孔内产生相应的粘滞阻力，使振动空气的动能不断转化为热能，从而使声能衰减。其次在空气绝热压缩时，空气与孔壁间不断发生热交换，由于热传导的作用，也会使声能转化为热能。

在空气流通管道内壁板铺设穿孔板蜂窝夹芯结构就成了消声管道。良好的消声管道应具有尽可能大的噪声衰减量，满足降噪指标。

进气道内壁板通常由几块壁板拼接而成，通过角材与前后隔板相连接，后侧通过进气道法兰将整个进气道连接在发动机风扇机匣上。位于后隔板之后的进气

道内蒙皮处于风扇舱段火区内，因此布置了防火板。进气道内壁板通常为金属蜂窝夹芯的消声结构。面板为穿孔铝合金材料，底板为铝合金材料，两层板之间采用消声蜂窝结构。面板上的小孔和蜂窝芯格组成许许多多个亥姆霍兹共振器，经过面板的声波由于这些许多个共振器的共振作用使一部分声能转化成热能，热能传递给结构最终被结构所“消耗”。亥姆霍兹共振器的共振频率与穿孔板蜂窝夹芯结构的面板厚度、小孔孔径、穿孔率和背腔深度有关。进气道消声内壁板结构主要参数有POA、面板孔径面板厚度、蜂窝高度、有效声处理面积。

4.总结

飞机进气道结构消声处理的技术是飞机满足CCAR36以及FAR36的噪声要求指标的重要降噪技术，为先进的民用动力装置的研发所不可缺少的组成部分。

参考文献：

[1]《飞机设计手册10-结构设计》航空工业出版社，2000.10

[2]中国民用航空规章第25部（第四版）2012.10