Как двигатели крепятся к крыльям?

В воскресенье, 4 октября 1992 года, рейс 1862 авиакомпании El Al потерпел крушение в пригороде Амстердама после того, как правый внутренний двигатель отделился от крыла и забрал с собой часть крыла и правого подвесного двигателя.

Отрыв произошел из-за усталостного разрушения штифтов предохранителей, соединяющих двигатель с самолетом. Двигатели Боинга 747-200 соединены с крылом четырьмя предохранительными штифтами.

В отчете о расследовании вы можете найти подробную информацию о конструкции крепления двигателя к крылу. Особенно вам интересны разделы 1.6.3, 1.6.4 и 1.16, хотя я рекомендую прочитать весь отчет, если у вас есть время.

Источник: Raad voor de Luchtvaart, документ AAR 92-11.

Источник: Raad voor de Luchtvaart, документ AAR 92-11.

Опоры двигателя и упорные тяги

Как двигатели крепятся к крыльям?

Современные двигатели подвешиваются к стойкам пилонов, прикрепленным к крыльям, на двух креплениях с помощью устройства крепления, называемого в терминологии CFMI подвесным фитингом . Вот как CFM56-7B устанавливается на крыло Boeing 737 NG:

^{CFM56-7B на крыле Boeing 737 NG. Адаптировано из руководства по обучению гондоле CFM56-7B.}

Подвески показаны красным цветом, они крепятся к двигателю с помощью звеньев (пурпурные) и скоб либо через штуцер корпуса вентилятора (переднее крепление, зеленый), либо напрямую (заднее крепление). Затем они крепятся к пилону/стойке с помощью болтов и срезных штифтов.

Фактические изображения деталей (различия связаны с доработками):

^{Крепление рамы вентилятора двигателя и задняя подвеска для CFM56-7B. Источник}

Крепления двигателя менялись годами. Хотя изначально тяга двигателя передавалась на крыло вдоль конструкции двигателя, современный метод заключается в том, чтобы этого избежать, поскольку он имеет много недостатков. Это деформирует конструкцию двигателя и препятствует уменьшению зазоров между наконечником турбины и стенками . Это, в свою очередь, приводит к снижению КПД двигателя ниже оптимального.

На современных самолетах двигатели устанавливаются в двух местах: на верхней части рамы вентилятора и на верхней части рамы турбины. Другие компоненты не воспринимают нагрузку.

• Дополнительную информацию о рамах см. В ТРДД что удерживает ось вращения?

Обычно передняя опора (рама вентилятора) воспринимает как вертикальную нагрузку, так и осевую нагрузку, а задняя опора воспринимает крутящую нагрузку. Но в некоторых случаях, когда осевая нагрузка на переднюю опору нежелательна, для передачи осевой нагрузки на кормовую опору используются упорные звенья. Это относится к семейству Boeing 737 NG.

Болты и срезные штифты

Я слышал, что двигатели коммерческих самолетов обычно крепятся 2 или 3 болтами.

Немного сложно сосчитать, потому что между двигателем и крылом есть промежуточные детали. Для упрощения мы можем сосредоточиться на двух креплениях и на том, как они на самом деле передают тягу на стойку. В этом случае вы близки к истине.

В нашем примере переднее крепление использует четыре болта и два штифта, а заднее крепление использует четыре болта и штифт. Осевая нагрузка в основном воспринимается срезными штифтами, в то время как болты воспринимают вертикальные нагрузки (например, вес двигателя и крутящий момент) и обеспечивают общее позиционирование.

Для других комбинаций двигатель/самолет принцип тот же, части немного отличаются, например, это переднее крепление для CFM56-5B на Airbus A320:

^{Передняя установка CFM56-5B для A320. Источник}

Есть 4 болта и один срезной штифт (другой видимый штифт предназначен для центрирования и используется в качестве резервного срезного штифта).

Можно сказать, что основная сила передается крылу только с помощью 3 срезных штифтов, но не забывайте, что упорные звенья и болты, используемые для их крепления, также являются частью цепи.

Еще 8 болтов необходимы, чтобы справиться с другими нагрузками и чтобы все склеилось, а также чтобы срезные штифты оставались на месте.

Размер и прочность болтов

Насколько велики эти болты и из чего они сделаны?

Болты, используемые для CFM56-7B на B737 NG, имеют номер детали BACB30PN14-32M в номенклатуре Boeing. Этот болт имеет диаметр 22 мм (0,875 дюйма) и изготовлен из никелевого сплава 718, суперсплава, также известного как Inconel 718 .

Как выглядят болты, бочкообразные гайки и штифты:

^{Кормовая установка CFM56-7B. Источник}

Запас прочности на такой болт тоже был бы неплох!

Чтобы иметь представление о задействованных силах, полезно знать, что двигатель Boeing 737 NG имеет массу около 2000 кг, действующую на пилон в виде веса 20 кН (масса x ускорение свободного падения). Двигатель развивает тягу около 100 кН. Даже с учетом внезапных вертикальных ускорений и жестких приземлений (скажем, 3 G) тяга является основной силой, действующей на пилон, и срезные штифты испытывают большее напряжение, чем болты.

Никелевый сплав 718 имеет предел прочности при растяжении 180 Н на мм², что дает каждому болту общую прочность 70 кН. 8 болтов вместе могли выдержать 560 кН для сравнения с весом двигателя (20 кН) и тягой (100 кН).

Единственное событие, которое, казалось бы, может отделить двигатель от пилона, — это столкновение с землей или трение двигателя о землю. В этом случае двигатель действует как рычаг. Крутящий момент сломает болты, и тогда срезные штифты свободно выйдут из своих отверстий.

Актуальные фотографии

Обычно трудно увидеть крепления двигателей, когда двигатель находится на крыле, так как они глубоко утоплены в компонентах гондолы. Нажмите на изображение, чтобы увеличить.

Пример:

^{Крепления двигателя на CFM56-7B. Рисунок Костаса Макриса . Источник}

Детали крепления:

Пример 2

^{CFM56-7B. Источник}

Детали крепления:

Дополнительные сведения о креплениях CFM56-7B из руководства.

Переднее крепление:

^{Переднее крепление. Источник: Учебное пособие CFM56-7B (гондола).}

• Крепление подвески крепится к стойке четырьмя болтами, а два срезных штифта защищают болты от сдвигающих нагрузок.
• Фурнитура подвески крепится к фитингу корпуса вентилятора с помощью 3 шпилек.
• Фитинг корпуса вентилятора крепится 10 болтами к корпусу вентилятора.

Кормовое крепление:

^{Кормовое крепление. Источник: Учебное пособие CFM56-7B (гондола).}

• Фитинг подвески крепится к стойке с помощью 4 болтов и цилиндрических гаек, защищенных срезным штифтом.
• Подвеска крепится к скобам на раме турбины с помощью 4 звеньев и 4 болтов.

Два упорных звена передают тягу с рамы вентилятора на кормовую опору. На кормовой опоре есть ровная планка.

Вы правы, что двигатели крепятся к самолету всего несколькими болтами. Обычно двигатели крепятся на крыле в трех точках (чаще двух вперед и одной в корме) срезными (или предохранительными) штифтами, с одним или двумя болтами в каждой точке. У DC-10, например, 6 (позже 8 контактов), а у 747-200 их 6.

" Двигатель-пилон DC-10 ". Под лицензией Public Domain через Wikimedia Commons .

На следующем рисунке показана установка двигателя в A350 XWB, на которой хорошо видны задняя точка крепления и грузовые стойки (первая коробка), в которой двигатель крепится двумя болтами.

Изображение с сайта www.airliners.net.

Срезные штифты имеют сложное поперечное сечение и сконструированы таким образом, что в случае удара они срезаются. Например, на следующем рисунке показана конструкция (трех разных) срезных штифтов, используемых в Boeing 747.

Изображение из обзора FAA об аварии с участием израильских авиалиний FLT 1862.

Размер болта со срезным штифтом зависит от конкретного самолета и комбинации двигателей.

Что касается коэффициента запаса прочности, они предназначены для разрыва в случае, если нагрузка на них (сдвига) превысит определенный порог. Несущая конструкция двигателя к крылу предназначена для отключения двигателя при воздействии экстремальных сил, чтобы предотвратить любые структурные повреждения крыла, которые могут ухудшить способность самолета летать. Таким образом, их философия проектирования отличается от проектирования безопасной нагрузки и варьируется от самолета к самолету.

Случались инциденты, когда двигатель отделялся от самолета из-за воздействия больших сил.