獲英國女王頒發技術進步獎的羅·羅RB211發動機 設計特點解析

陳光/文

RB211-535E4是英國羅·羅公司為波音757雙發客機發展的三轉子高涵道比渦扇發動機,它是在羅·羅公司的 RB211系列發動機中-22B型的基礎上縮小風扇而成的。

RB211系列發動機為西方國家中唯一的民用三轉子高涵道比渦扇發動機,它的最初生產型號為 RB211-22B,其起飛推力為183.2kN,於1972年4月裝於洛克希德的 L1011三星式寬機身客機上投入使用,是世界上最早的三型高涵道比渦輪風扇發動機之一。

隨後,按兩條平行的途徑衍生髮展了推力增大型 524系列及推力縮小型 535系列。在衍生髮展過程中,由於不斷採用一些新設計、新材料和新工藝等,不僅使發動機的推力不斷加大,而且耗油率還大幅度下降,例如在RB211524系列中,1989年6月投入使用的RB211524G(裝于波音747400)及1990年2月投入使用的RB211 524H(裝于波音767 300)與1979年2月投入使用的 RB211524B2相比,推力分別提高了16%及21%,耗油率降低了13.6%。

RB211 535系列雖為 RB211-22B的推力縮小型,但它的後期發展型號的推力已大於RB211 22B的。

圖1、RB211 535E4發動機結構圖

RB211採用了三轉子結構,如圖1所示,使各轉子的葉片均能處於最恰當葉尖切線速度下工作,因此,在達到相同的增壓比下,壓氣機、渦輪的級數及葉片數會少許多。

表1列出了用于波音757飛機的兩種發動機即RB211535E4與PW2037的級數與葉片數的比較,PW2037為普惠公司為波音757研製的雙轉子高涵道比渦扇發動機。

表1、RB211-535E4與PW2037級數與葉片數的比較

在 RB211發動機家族發展過程中,RB211 535E4佔有非常顯著的地位,因為它採用了一些新型結構設計,例如寬弦無凸肩夾層風扇葉片,採用三元流設計的複合傾斜的高壓渦輪導向葉片,內外涵共用噴管,壓氣機葉片端部彎曲等,這些設計不僅為羅·羅公司後來的某些發動機採用,而且也為其他公司的一些發動機採用。

RB211-535系列中的第1個型號為535C,它是為滿足波音757的推力要求,將RB21122B的風扇縮小(直徑由2.154m減為1.859m),涵道比由4.8減小為4.4改型而成的,推力為166.57kN(37400lbf),於1979年4月進行首次試車,1981年9月取得適航證,1983年1月裝有 RB211-535C的波音757投入航線使用,它是波音公司大型飛機中第一次採用羅·羅公司的發動機。

用于波音757的另一種發動機是普惠公司的PW2037(代號後二位數字表示以100×lbf為單位的發動機推力值,37即表示發動機推力為37000lbf),裝有PW2037的波音757於1984年12月投入航線使用。

RB211-535E4是在RB211 535C的基礎上,加大風扇直徑(由1.859m增大為1.882m)與減小涵道比(由4.4減小為4.3)並採用了一些新技術進行改進後發展的,1982年5月進行首次試車,1983年11月,取得適航證,1984年10月裝于波音757上投入航線使用。

主要性能

表2列出了 RB211-535E4與 RB211-535C的主要性能參數

2 設計特點

2.1 風 扇

RB211 535E4風扇如圖2所示,第1次採用了寬弦、無凸肩和蜂窩夾層結構的風扇葉片,這種由羅·羅公司發展的獨特設計,不僅重量輕、效率高、耗油率比採用常規葉片的低2.5%,喘振裕度大,流通能力大,抗外物打擊的能力也較高,而且能起到減少外來物進入核心機的作用。

由圖3可以看出,由於風扇葉片較寬,與核心機進口間的縫隙較大,大部分外來物能在離心力的作用下甩到外涵道的氣流通道中去。因為RB211535E4在波音757使用的三種發動機中,由於外來物擊傷發動機內部造成的換髮率為最低(見表3),因此,這種設計已在羅·羅公司參與研製的發動機(如 RB211 524G/H、遄達、V2500等)上採用,而且還獲得以英國女王名義頒發的技術進步獎。

圖2、RB211-535E4風扇結構圖

圖3、寬弦風扇葉片能將外來物甩到外涵通道

表3、由於外來物擊傷發動機造成的換髮率(次/1000EFH)的比較

(投入使用後五年的數據)

傳統的帶凸肩葉片由於氣流流過凸肩時的分離,不僅導致壓力損失,使局部地區效率降低,而且也使氣流流通面積減小,如圖4所示。

風扇葉片採用寬弦設計後,葉片的剛度、強度大增,抗外物打擊能力與抗振動能力均提高很多,不需採用凸肩,提高了風扇效率與流通面積,為發動機帶來較好的效果。90年代以後研製的軍、民用渦輪風扇發動機均採用了無凸肩的寬弦風扇葉片。

圖4、常規帶凸肩風扇葉片使氣動損失加大、效率降低

風扇葉片燕尾形榫根不像在其他發動機中那樣做成直線形的,而是做成基本與葉身相符的圓弧形,相應風扇盤上固定葉片的燕尾形槽也做成圓弧形,這種設計能使在葉片數量一定時,盤直徑可以小些,可減小發動機重量與風扇機匣外徑,已成為羅·羅公司的一項獨特設計,並推廣到遄達系列發動機中。後來,在CFM567B發動機中也採用了這種設計。

風扇葉片的包容環是在鋁製的、帶有增加剛性的凸環與凸肋的圓環上,纏繞幾十層由Kevlar織成的條帶組成,這種結構包容能力強,重量輕,因而已在羅·羅公司後來發展的發動機如遄達等上採用。包容環內壁中嵌有蜂窩結構的易磨襯套(見圖2)。

風扇出口導向葉片距風扇葉片很遠,用以降低兩者干擾引起的雜訊,這是新型高涵道比渦扇發動機中,常採用的降低風扇雜訊的一種有效措施。風扇出口導向葉片還作為承力件將核心部分的負荷外傳到風扇機匣上,葉片由鈦合金做成空心的,空腔中填有輕質的減振材料。

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