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da大玩家超乐场|航空大百科 为什么数代波音737发动机的进气道不做成圆形?

2020-01-09 10:35:26
[摘要] 下面就几代b737的进气道的进口为什么不像其它飞机做成圆的,从b737的发展历程谈谈它的原因。波音737 飞机是美国波音公司生产的一种中短程双发喷气客机。自1967 年起,截至2018年12月,波音公司已交付了10444架。从b737-300起,后来发展的各型发动机短舱的进口,均做成非圆形的,如图3所示,成为第二代及其后的b737显著特点。因此波音737一300飞机发动机短舱进口处的外形做成椭圆形

da大玩家超乐场|航空大百科 为什么数代波音737发动机的进气道不做成圆形?

da大玩家超乐场,陈光/文

短短5个月内b737max客机接连发生两起346人罹难的严重空难事故,其原因归咎于发动机直径加大后,造成了一系列问题而引发的,此处不谈了。下面就几代b737的进气道的进口为什么不像其它飞机做成圆的,从b737的发展历程谈谈它的原因。

波音737 飞机是美国波音公司生产的一种中短程双发喷气客机。自1967 年起,截至2018年12月,波音公司已交付了10444架。

从上世70年代到目前,隨着航空技术的发展,b737已发展了四代。

图1、第一代b737 ( original series)

第一代b737有二个型号,即b737-100与b737-200。这一代b737由外形看,最大特点是机翼下面挂着细而长的像个大雪茄烟似的发动机,如图1所示。

b737-100、b737-200设计座位分别为124座与94-124座,航程分别为3185千米与4900千米, 起飞总重分别为50吨与52吨, 所用发动机为jt8d-15与-17型小涵道比涡轮风扇发动机,其涵道比为1.1, 总压比为17, 推力68.9kn。

b737-100在半世纪前的1967年4月9日首飞,由于它的油耗高、噪声高、维修成本高等缺点,因此在市场上并不算受欢迎,只生产了30架。

波音于1967年推出了 b737-100 的机身延长(加长1.8米)型号 b737-200,在市场上大受欢迎,总产量达到1114架,直到1988年停产。

图2 、第二代b737

作为第一代 b737 的改进型号,第二代b737 于 1981年开始设计。包括了b737-300、b737-400 和 b737-500。三型飞机的载客量分别为128-134人、146-159人与104-132人,-300型与-400型的航程分别为5463千米与5186千米,起飞总重分别为63吨与68吨。这一代b737受到用户的欢迎,共生产了近2000架,目前在有些地区仍在服役中。

第二代b737与第一代b737最大不同之处在于发动机改用了cfm56-3大涵道比涡扇发动机,也即发动机直径增加较多,所以第二代b737从外观看起来就是发动机短粗多了(图2)。

从b737-300起,后来发展的各型发动机短舱的进口,均做成非圆形的,如图3所示(发动机的进口仍是圆形的),成为第二代及其后的b737显著特点。这是由于从-300型开始,采用了大涵道比涡扇发动机所带来的后果。

图3、非圆进气口是b737最显著的特点

表1列出了用于b737-200的jt8d-17与用于b737-300的cfm56-3两型发动机的主要参数。

表1 cfm56-3与jt8d-17主要参数比较

由于cfm56-3风扇直径为1.52米,比jt8d发动机风扇(1.03米)的大,加上波音公司不愿意将起落架的髙度加大(这会对飞机机身有较大的改动),如直接在b737原来装jt8d的位置上安装cfm56-3,会使发动机短舱进口距地面太近,不符合规章中要求的发动机离地淨空高度。

为此,将发动机向机翼前方外伸较多,进口处比jt8d向前延伸了1.93米,这样,可将发动机上抬以使发动机最低处距地面能保持0.457米的高度(jt8d为0.508米)。

但短舱进口下唇距地面仍太近,所以将发动机短舱进口处不做成整圆,而是将下半部做成椭圆形,形成了一非圆形的进口,这样才使进口处下唇与地面保持了0.711米的高度(仍比jt8d的0.762米低)。因此波音737一300飞机发动机短舱进口处的外形做成椭圆形,这是各种飞机中少见的一种进口形状,而且一直沿用至今。到机场看到停机场的飞机进气口不是圆的,那必定是b737。

图4 cfm56与jt8d在翼下安装尺寸的比较

图4示出了两型发动机在b737机翼下安装尺寸的比较图,从此图还可以看出,cfm56-3发动机短舱的上缘只稍低于机翼的上翼面。

与b737竟争的a320由于是新设计的,起落架髙度做得较高,使a320的髙度(11.76米)比b737-300(11.07米)高0.69米,因此它所用的发动机(cfm56-5)风扇直径(1.73米)虽比b737-300还大21厘米,但它的发动机短舱的进口不仅沒有做成非圆的,而且距地面的髙度还明显高于b737-300。

图5示出了两型飞机的前视图,从图中可以看出a320的起落架明显比b737-300的高,而且发动机离地淨空高度也大,因此在后来发展到a320neo时,虽然所用的leap-1a发动机风扇直径(1.98米)比cfm56-3(1.52米)还大0.46米 ,但发动机短舱进口不仅还是做成圆形的,而且距地面的发动机离地淨空高度仍能满足设计规范的要求。

图5 b737-300与a320前视图

波音为应对空客a320 的竞争,1993年启动新一代737项目b737 ng(ng是nextgeneration 的缩写),并于 1998 年正式投入航线。第三代b737 包括了 b737-600、b737-700、b737-800与b737-900。

其中前三个型号分别取代-500型、-300型、-400型,而-900型是第三代 b737 机身最长的型号。这一代的b737保留了原始b737飞机的机身直径,做了机翼改进和机身加长,还装了机翼尖端翼梢小翼,见图6。

图6 第三代b737

换装21世纪新研发的低油耗、低排放与低噪声发动机的b737,是b737的第四代,波音公司将其命名为b737max,有4个型号即:b737 max7、b737 max 8、b737 max 9与b737 max 10。

其座位数分别是138-153,162-178,178-193,和188-204,翼展均为35.9米,而机身长度依次增加,以替代第三代 b737-700/ 800/ 900。b737 max 8 在 2016年1月29日首飞,b737 max 9 在2017年4月13日首飞。目前b737 max 共有97架交付国内数家航空公司。

波音公司启动b737 max项目是被迫上马的。2010年12月空中客车公司(简称空客)宣布启动a320更换新发动的项目,换发后的飞机命名为a320neo(new engine option),在随后的6个月里就接到1000多架订货。

图7 b737max的外形特征

波音看到与之竞争的对手发展了前景非常好的攺型,坐不住了,匆忙地在2011年8月30日宣布推出b737飞机换装新发动机的项目,以争取在单通道客机市场中拥有足够的地位。改型的客机命名当然不能用空客的“neo”,波音称它为max,这就是b737max系列。

b737在改型成b737 max时,除了换装涵道比更大(11)的发动机外,机舱布局采了b787的设计,机翼采用了少见的开叉式翼尖等,因此从外形看,它有明显的特征:非圆形的发动机进口,锯齿形的发动机短舱出口以及开叉式的机翼翼尖(图7)。

图8示出b737 max与b787两型飞机的比较,从图中可见737 max的发动机短舱出口是采用了b787的设计。

图8 b737 max与b787

b737 max采用了leap-1b发动机,与空客a320neo的leap-1a,中国商飞c919的leap-1c,同属于cfmi公司cfm56-7b的后继机leap系列, 三型发动机中,-1b的风扇直径最小,为1.76米, ,涵道比也最小为9,其它两型中则分别为1.98米与11.1。

为什么b737 max采用涵道比与风扇直径最小的leap-1b发动机,这是因为b737的基型即-100与-200型是在50多年前发展的,当时只有小涵道比涡扇发动机可供它釆用,所以起落架的高度设计得较短,在后来的三代改型中,波音公司又不愿大动干戈加高起落架,以避免对机体做过大的改动所带来的后果。

与b737竞爭的a320是在30多年前发展的,它釆用的cfm56-5发动机风扇尺寸比cfm56-3及-7b的要大,因此起落架设计得比较高,在a320neo中不仅可用leap-1a,而且还可采用尺寸更大的pw1100g(风扇直径为2.06m),也能保证有足夠的发动机离地淨空高度。

波音在改型为b737max时,为了保证发动机有足夠的发动机离地淨空高度,不仅选用了风扇直径最小的leap-1b,发动机短舱进口做成非圆的,而且将发动机短舱明显向前伸,造成发动机吊架上端高出机翼前缘,而在a320neo中,发动机短舱上端处于机翼下方,参见图9。图10示出了两代飞机的发动机吊架与机翼对比图,明显看出在max中,吊架上端高出机翼上表面。

图9 b737max与 a320neo

在发动机吊架高于机翼前缘后,相当在机翼前端增加了一个突出物, 在某些情况下,会使其后端的气流扰乱机翼上表面气流,使得机翼上端的正常流动情况被破坏,飞机容易在大攻角飞行时失速。

飞机一旦处于失速状态,如处置不当,会造成机毁人亡的重大事故,为此波音公司在b737max 中设置了一套“机动特性增强系统(mcas)”,此系统是想让飞机在大攻角进入失速的时候立即自动压低机头,不经过飞行员同意就自己快速动作,改出失速状态,从而拯救飞机。但是由于此系统存在严重的设计缺陷,可靠性太差,造成在2018-2019年间的5个月中,连摔两架全新的b737 max,346名乘客包括八名中国乘客罹难。

图10 、b737max与b737-9发动机吊架与机翼关系

考虑到b737 max存在着重影响飞机安全飞行的设计缺陷,为保证旅客的生命安全,我国民航局于第二起坠机事故后的第三天,颁发了国内暂停全部b737 max的商业运行的通知,隨后其它国家与地区也停飞了b737 max,美国最后也停飞了该机。

因为波音公司在上世纪80年代初,由b737-2型发展为b737-3型时,为了省事,减少机身做大的改动而保留了-2型短的起落架,不仅使发动机短舱进口做成非圆形的,而且还引发了最新的改进型b737 max的两次重大空难。

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