三轉子渦輪風扇發動機的濫觴：羅·羅RB211風扇結構簡介

RB211採用一級跨聲速風扇,無進口導流葉片,增壓比為1.5。風扇轉子由33片鈦合金葉片、鈦合金輪盤、傳動軸與保持軸等組成,重約380kg,外徑2.16m,葉片長0.7m,在葉高2/3處有減振凸台。

風扇轉子轉速為3860r/min,每個葉片產生的離心力約為550kN,用樅樹形榫根與輪盤相連,這在高涵道比渦輪風扇發動機中是少有的,RB211以後的系列發動機已將樅樹形榫根改為燕尾形榫根。

由於發動機的涵道比大,風扇約產生全部推力的3/4,即每個葉片上作用有441daN的向前推力,因此在轉子前端有一個推力環,以承受全部葉片的向前推力。

在研製 RB211之初,風扇葉片採用複合材料來做。複合材料具有比重小、抗振動特性與抗顫振特性好等的突出優點,但是在進行鳥撞擊試驗中,複合材料做的風扇葉片承受不了大鳥的撞擊,滿足不了適航條令 FAR33部規定的要求,不得不重新設計製造鈦合金的風扇葉片,延誤了研製周期。

因此,RB211是同期研製的3種高涵道比渦扇發動機中最後投入航線使用的發動機(1972年2月取得適航證,1972年4月投入使用),另兩型發動機中,JI9D與 CF6分別於1970年1月與1970年9月取得適航證。

由於緊靠風扇盤的軸承是不能承受軸向負荷的滾棒軸承(在其他高涵道比渦扇發動機中,此處均為滾珠軸承),因而在風扇轉子的傳動軸內,設有一套應急用的稱為保持軸的防護裝置。

保持軸在正常工作時不傳遞負荷;當風扇傳動軸一旦損壞折斷後,它起到不讓風扇轉子甩出發動機的作用,但是,在後來使用中,1981年曾出現過4次風扇傳動軸在工作中折斷而保持軸未能將風扇輪盤保持在發動機內的嚴重事件,事後,對保持軸做了較大的改進。

風扇部件設計中,除保持軸外,還採取了防止葉片折斷後擊穿機匣與損壞軸承的安全設計,即將包住風扇葉片的機匣做成具有包容折斷葉片能力的包容環,如圖6所示,它是在較厚的鋼製機匣內嵌有較厚的鋁製蜂窩層,蜂窩內環上再嵌上抗磨蜂窩層。當風扇葉片折斷後,其斷片以很大的撞擊力撞到包容環的鋁製蜂窩層上,由於它厚度大,在葉片撞到它時使它受到壓縮變形,在變形過程中,吸收了葉片大部分撞擊能量,葉片已無力打穿鋼製機匣,因而能將葉片斷片包容住。

為了不使斷片由進口處 飛出,鋼製的包容機匣前端做成1環向後的環鉤。在RB211 22B以後的改型遄達發動機中,已改用在鋁製機匣上纏繞多層 Kevelar複合材料的包容環,其重量比 22B的輕很多,且包容能力也大。

另外,為了使風扇轉子能承受因葉片折斷或脫落所引起的不平衡離心力(約50kN),風扇轉子採用了大型擠壓油膜滾棒軸承,從而能在短時間內承受這種衝擊而不致使發動機遭到嚴重損壞。

風扇轉子無進口導流葉片,這可以大大減小風扇的雜訊,據稱可降低10dB。風扇後端有一排(68片)做成承力結構的出口導流葉片,出口導向葉片與風扇葉片間的軸向距離做得很大,這也是為降低風扇雜訊的一種措施,也為其他高涵道比渦扇發動機採用。

中壓與高壓壓氣機

7級中壓壓氣機的壓比為3.5,轉速為6700r/min,氣流通道是等內徑的。全部工作葉片和前5級盤都是用鈦合金製作的,後兩級盤是鋼做的。前5級盤和後兩級盤分別用電子束焊接成兩個轉子,然後用螺栓將兩者聯成一體。

RB211- 22B以後的攻型 524型中,除第6,7級盤焊成一體外,其餘各盤均做成單個的,然後用螺栓連接。進口處有兩排進口導流葉片,前排鋼葉片是不可調的,作為軸承座承力結構,後排鈦合金葉片是可轉動的,用於調節。可轉進口導流葉片的調節範圍為37.5°~-7.5°。當高壓轉子的轉速低於76%時,葉片處於關閉狀態(+37.5°);當轉速由76%增大到95%時,葉片逐漸打開並達到全開狀態(-7.5°)。

6級高壓壓氣機的壓比為5.0,轉速為10152r/min,氣流通道是等外徑的。工作葉片的材料:第1~3級為鈦合金,第4級為鋼,第5~6級為鎳基合金。

第1,2級鈦合金盤用電子束焊接成一體,第3級鋼盤是單個的,第4~6級鎳基合金盤也焊接成一體,然後用螺栓將三者連接成一個轉子,再用大鼓軸與渦輪盤相接。

中壓壓氣機與高壓壓氣機的轉子上的短軸都是固定於中間級的輪盤上,以縮短支點距離。

在中壓壓氣機出口處和高壓壓氣機第3級處各有兩個放氣活門。其中高壓左側的放氣活門是在啟動時放氣,接近慢車轉速時關閉。另外3個是在低轉速時放氣:發動機加速時,當高壓轉子的轉速達到最大轉速的79%時,放氣活門關閉;減速時,當轉速降到78%時,放氣活門打開。

RB211的3個轉子同心套在一起,共有8個軸承(其中有1個中介軸承),分別由4個承力框架將軸承負荷外傳。圖3示出了發動機轉子支承簡圖。

圖3、RB211發動機轉子支承簡圖

由圖3可見:高壓轉子支承方案為10 1的2支點方案,即在高壓壓氣機前有1滾珠軸承(5號),在高壓渦輪後有1滾棒軸承(6號);

中壓轉子支承方案為11 1的3支點方案,在中壓壓氣機前後分別用一個滾棒(2號)和滾珠(4號)軸承支承,在中壓渦輪盤後的軸上有1個滾棒軸承(7號)作為支點;

低壓轉子支承方案為02 1的3支點支承方案,即在風扇盤後有1個大型滾棒軸承(1號,位於風扇輪盤之後)和1個滾珠軸承(3號,位於中壓壓氣機出口處)支承。

此滾珠軸承的外環裝在中壓壓氣機後軸內,是一個中介軸承。低壓渦輪後支承在1個滾棒軸承(8號)上。

圖4示出了 RB211發動機承力結構圖。1號與2號支點支承於前軸承機匣上,軸承負荷通過中壓壓氣機進口導流葉片前不動的葉片,再通過風扇出口導流葉片傳至風扇機匣。

3個轉子的滾珠軸承即3號、4號與5號支點的負荷通過中壓與高壓壓氣機間的中介機匣外傳。

6號與7號支點的負荷通過高壓與中壓渦輪間的裝在中壓渦輪導向葉片中的承力輻條外傳,這種通過渦輪間導向器傳力的結構在其他發動機採用較少,但在三轉子發動機中必定要採用。

8號支點的負荷通過渦輪後軸承機匣外傳,這是很多發動機採用的承力機匣。

圖4、RB211發動機承力結構圖

由於高壓轉子尺寸短,以及採用了短環形燃燒室等原因,整台發動機只用了8個軸承,比較簡單地實現了三轉子的支承。此外,其他轉子也安排得比較緊湊,剛性較好。因此,RB211的所有轉子的1階臨界轉速均高於工作轉速。

所有滾棒軸承均採用了擠壓油膜減振器。據稱,在核心機上測得的振幅值僅為0.025mm。全部軸承均採取了環下供油的潤滑方式。除中介軸承的油腔系用動壓式封嚴外,其餘則採用一般的空氣篦齒式封嚴。

整個核心機的機匣做成雙層,這是 RB211系列發動機比較突出的特點。雙層機匣中,外層作為承力結構,內層機匣作為氣流通道的包容環,僅承受氣動負荷。

由於內層機匣不參與承力系統,發動機工作中在受到各種負荷的作用後,外層機匣可能發生變形,但內層機匣不會受到影響,始終保持圓度,因而能保持核心機中高壓壓氣機與高壓渦輪的葉尖間隙不會變化,性能保持較好,如圖5所示。

圖5、雙層機匣工作特點

4個軸承座分別通過中壓壓氣機固定的進口導流葉片、鑄造的中壓/高壓中介機匣、中壓渦輪空心導流葉片內的承力輻條和後軸承機匣的承力輻板,將負荷傳到核心發動機的外承力機匣上,然後通過風扇出口導流葉片及位於其後的「A」型承力框架與風扇機匣相連,如圖4所示。

發動機共有兩個安裝節:前安裝節位於風扇機匣上,它傳遞發動機的推力、垂直及側向負荷;後安裝節位於核心機的後軸承機匣上,它傳遞發動機的垂直、側向及扭矩負荷。

圖6、RB211-22B的風扇包容環

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