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传统的亚音速飞机的发动机安装通常使用机翼安装方式,且通常在机翼下安装,使用传统的吊架,并被环形短舱包围,以提供最平滑的气流。UHBPR发动机由于其BPR的增加,需要更大的直径,这导致更大和更重的发动机短舱,这可能会影响推进系统和机身的集成,以及发动机本身的可操作性。UHBPR涡扇的设计需考虑空气动力学因素的影响。
空气动力学因素包括:
?短舱的整体形状和方向会影响机舱和机翼形状、激波以及巡航和发动机停车时的诱导阻力
?发动机安装在机翼的前/后、上/下和沿翼展方向的不同位置都会影响干扰阻力、翼展载荷和诱导阻力,同时展向的安装位置也会影响发动机停车控制时的垂直尾翼尺寸
?巡航阶段进气道入口外部轮廓的阻力应该最小,同时在发动机停车时的气流分离和最小溢流阻力满足要求
?在起飞和爬升(高气流、大迎角)等阶段进气口内部几何结构要产生无畸变气流,同时在巡航阶段的总压恢复系数要尽可能的大
?支柱轮廓必须清除所有承力点,如发动机机架和机翼的安装接头,同时尽量减少与短舱和机翼气流的逆流相互作用
?对于翼下发动机,排气系统和射流对安装阻力有较大影响,通常需要在单位推力燃料消耗量(TSFC)和安装阻力之间进行平衡
图影响发动机短舱安装设计的因素
值得注意的是,机翼的气动性能可能会受到短舱的影响。例如,对于机翼下安装高涵道比发动机,由于发动机短舱的干扰,机翼下表面的流速增加,压力降低,导致机翼升力降低,与传统的涡扇发动机相比下降幅度可达60%。通过优化发动机短舱几何形状和安装位置,可以减少这种升力的降低。机翼发动机安装改变了机翼上表面驻点的位置,减少了机翼和挂架连接处附近的气流流量,气流流量的减少导致机翼压力分布的变化,会造成大约50%总升力的下降。
机翼周围的气流会导致上洗气流,从而产生相对于发动机轴线位置的自由气流的迎角(AoA),这意味着当空气流向进气口时,不可能像在巡航阶段产生具有垂直于风扇面的角度,因此,轴对称涡扇发动机短舱组件不是最佳选择。因此,通过所谓的斜切补偿上洗效应,即入口边缘的平面角度倾斜,使其垂直于巡航时的气流流动,同时补偿起飞阶段的气流迎角。传统的进气口通常也是下垂的,即短舱扩散器的中心线下垂轴相对于发动机中心轴线是倾斜的,以在巡航阶段产生垂直于短舱入口的自由气流,以最大限度地降低短舱上方的安装阻力。
图下垂角
发动机短舱与流场的相互作用改变了机翼的压力场,导致升力下降而阻力增加。在高升力条件下(着陆和起飞),发动机会产生与巡航阶段类似的不利影响,即阻力增加和升力降低;此外在高AoA下,发动机短舱和机翼流场的相互作用更明显。
机翼上安装发动机需要切割缝翼以容纳挂架,这样会减少升力表面,从而降低升力;由于缺少部分缝翼以及机翼-短舱连接处的气流速度较高,因此,会导致气流分离提前。下承式发动机短舱会产生上洗气流,且发动机两侧都有涡流。与外侧相比,内侧缝翼位置靠前,压力场中将会产生更多的涡流,从而导致高升力推进系统集成(HLPSI)在高AoA时更容易破裂,且导致机翼上方更容易产生边界层分离。
为了克服这个问题,在短舱上引入边条(脊)来控制机翼流动分离。否则,会导致在高AoA下(14o)过早的流动分离。
有研究表明,短舱内侧的边条/脊可使短舱在高AoA下导致的升力降低恢复60-70%,而短舱脊位于吊架-短舱连接处附近时,下垂角范围在0o至10o时,效果最佳。
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