三轉子渦輪風扇發動機羅·羅RB211設計特點有哪些？

陳光/文

RB211-22B發動機的設計特點大致可概括為以下幾點:

1、留有較大的裕度

為了提高發動機的使用壽命與可靠性,實際使用中的渦輪前燃氣溫度限制較低。例如在22B型發動機上,定型時的溫度為1297℃,而最大使用溫度限制為1227℃,正常工作溫度為1177℃,留有120℃的裕度。這種留有較大溫度裕度的做法,也是現代航空發動機為提高可靠性普遍採用的措施。

2、耗油率低

這是高涵道比渦扇發動機共同的特點之一,是由於採用了高的涵道比與高的總壓比以及採用高效率的風扇、壓氣機與渦輪所獲得的。

3、性能衰減小

為了防止發動機性能隨著使用時間的增長而衰減,羅·羅公司採取了下列主要措施:

全部機匣為雙層結構

如前所述,內層機匣僅承受葉片的氣動負荷,外層機匣則承受並傳遞結構負荷,因而能使內層機匣與轉子保持同心,以保證均勻的葉尖間隙。另外,高壓壓氣機內層機匣上還增加了幾道環形加強肋以增大剛性。

用被動間隙控制技術

葉尖間隙隨工況的改變會變化,對發動機性能影響較大,為此,很多發動機採用主動間隙控制技術,即在發動機工況發生變化時,主動調節對機匣的冷卻空氣量,以維持葉尖間隙盡量少變。在 RB211發動機中採用了被動間隙控制技術,其措施有:

(1)為了防止工況改變時渦輪轉子與靜子由於膨脹不一致造成葉尖間隙變化過大,在內層機匣的外壁面做有較厚的調整環,利用它儲熱量大的特點以控制葉尖間隙的變化。在高壓壓氣機上也有這種調整環;

(2)渦輪外層機匣外壁上有通以空氣進行冷卻的環腔,盡量減小機匣工作中的變形,同時在機匣上還復有隔熱塗層;

(3)各級渦輪盤與止推軸承的間距小,工作中渦輪葉片的軸向位移變化小,這有助於減少葉尖間隙的變化。這是因為在RB211發動機的渦輪工作葉片均帶斜冠(前小後大),相應機匣內壁也做成斜的。在這種設計中,葉片有軸向移動就會影響葉尖間隙;

(4)所有渦輪工作葉片的葉冠上均作有封嚴翅;

(5)轉子短,且只有風扇為懸臂結構,故工作中轉子變形小。

圖、3種發動機性能衰退的比較

由於採取了以上措施,羅·羅公司聲稱,它能夠保證 RB21122B發動機使用五年後其耗油率的增加不超過2%,否則將賠償用戶的損失。圖12示出了與RB211-22B同時代的另兩型發動機(JT9D與 CF6)與 RB211發動機性能衰減的情況,由圖12可看出 RB211性能衰退比其他兩型發動機慢。

結構完整性較好

在 RB211發動機設計中主要採取了以下提高結構完整性的措施:

(1)在3.3節中曾提到風扇包容環前緣做有環形鉤,它能使斷裂的葉片碎片不致倒飛出去;

(2)壓氣機的工作葉片是用鈦合金製造的,靜止葉片與機匣是用鋼製造的,這就避免了過去全部採用鈦合金材料時由於相互摩擦而造成鈦著火的問題;

(3)由於機匣為雙層結構,一旦機匣內著火,可防止火焰外傳;

(4)風扇轉子軸做成雙層的,其內軸為保持軸,當外軸、軸承等出現故障時,風扇也不致甩出;

(5)所有附件均裝在溫度較低的風扇機匣四周,使其處於較低的環境溫度下。

據報道,RB211 22B使用1年後的1978年1~8月間,RB211發動機只出現過1次未能包容的機械事故,事故率為0.003次/1000EFH。

抗外物撞擊能力強

這主要是採取了以下措施:

(1)風扇葉片強度高;例如,在一次以300km/h起飛的過程中,發動機曾吸入一隻重2.0~2.5kg的大鳥,但風扇葉片無1片折斷,只有8片被打歪。據稱,在250萬飛行小時中,共更換過風扇葉片388片,其中純屬外物打壞而更換的只有88片。

(2)核心發動機的葉片都是寬葉型的;

(3)雙層機匣可減輕外物吸入造成的二次損傷;

(4)風扇與中壓壓氣機的間距大,減少了外物吸入核心發動機的可能性;

(5)軸短,剛性好,可防止外物吸入後造成轉子彎曲。

當然,為了滿足上述設計要求,在結構複雜性和重量方面付出了相應的代價。例如,為改善性能和減緩性能的衰減,重量增加了約100kg;為提高結構完整性,重量增加了約95kg;為獲得高的抗外物撞擊能力,重量增加了158kg;為降低維護費用,重量增加了68kg。

這樣,重量總共增加421kg,約佔推進系統總重6.350kg的6.6%。

RB211推進系統主要包括進氣道、發動機、冷氣流反推器與熱氣流阻流器等。

反推器是在風扇通道上裝有20塊導流葉柵板,外部罩有一個可前後移動的整流罩,內有14套可摺疊的堵塞片。正常工作時,整流罩擋住葉柵的出口,堵塞片蓋住葉柵的內面,外涵通道的冷氣流直接向後流出,產生正推力。打開反推器時,操縱絲杠將整流罩後移,打開了葉柵的出口;與此同時,堵塞片向後摺疊將通道堵住,氣流則經葉柵折向斜前方流出,產生反推力。

阻流器裝在內涵熱氣流尾噴管中,它由兩塊盾狀活動擋板和操縱絲杠組成。正常工作時,絲杠將擋板拉向前方套在尾噴管外面;當風扇產生反推力時,絲杠將擋板推向後方並折轉90°,使熱氣流向兩側排出,不產生正推力與反推力。

由於發動機總推力的75%是由風扇氣流產生的,飛機著陸滑跑時,由外涵的反推器產生的反推力足夠將飛機在較短的距離中減速至所希望的速度,而裝於內涵道的阻流器處於高溫燃氣的包圍中,工作條件惡劣,壽命短,因而後來取消了阻流器。自此以後,所有的高涵道比渦扇發動機均不採用阻流器。

噪 聲

裝有3台 RB211-22B發動機的L 1011旅客機的雜訊低於當年FAR36部所要求的數量,如表3所示。

圖、裝3台RB211-22B發動機的L1011的雜訊值（dB）

RB211 22B主要採取了以下措施以降低雜訊:首先,盡量降低葉片特別是風扇葉片的雜訊。因為在高涵道比渦扇發動機中,雜訊主要來自風扇。例如採用了無進口導流葉片的單級風扇,使雜訊降低約10dB;又如風扇葉片與出口導流葉片、中壓壓氣機進口導流葉片與轉子葉片以及低壓3級渦輪導向器葉片與工作葉片間的間距安排合適(間距大)而且相對葉片數也按聲學原理選擇恰當。

其次,在風扇進氣口機匣、外涵通道以及熱燃氣尾噴管內與氣流接觸的表面上,裝有夾心結構的吸聲襯套,其面積達21m2。吸聲襯套由多孔蒙皮、蜂窩夾層和底層所組成。蒙皮上的小孔對雜訊起黏性減弱作用,蜂窩的空穴對雜訊的某些聲調進行調諧衰減,使外傳雜訊減小。

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