羅·羅RB211發動機的中壓、高壓和燃燒室介紹：陳光談航發163

陳光/文

中壓、高壓壓氣機及燃燒室

2.2.1 中壓壓氣機

中壓壓氣機葉片採用了性能較好、葉片數目較少、抗砂塵磨蝕能力較強的可控擴散葉形,這是20世紀80年代發展的一種新型葉片,已為多種發動機採用。中壓壓氣機六級輪盤通過鼓筒用電子束焊接成一整體轉子。

2.2.2 高壓壓氣機

高壓壓氣機工作葉片與靜子葉片均採用了端部彎曲設計(簡稱端彎葉片)以減小氣流在端壁處的附面層影響,提高效率與喘振裕度,圖5示出了端彎葉片的外形,RB211 535E4是第1種採用端彎葉片的發動機。

除第3級輪盤採用鋼外,其他各級盤均採用鈦合金,前兩級盤通過鼓環焊接成一體,後三級與後軸焊為一體,在第3級處用短螺栓連接組成轉子。

由於壓氣機出口處氣流溫度較高,在其他發動機中,後幾級的輪盤均採用鎳基高溫合金,而在 RB211 -535E4中,採用了能承受550℃的高溫鈦合金IMI829,因而使轉子的重量降低了約30%。

圖5、採用端部彎曲的葉片

2.2.3 燃燒室

RB211 535E4採用了全環形、帶18個氣動式噴嘴的燃燒室,火焰筒與燃氣接觸的內壁上,噴塗了隔熱塗層,以降低火焰筒壁的溫度,延長其壽命,火焰筒還設計成具有高的可修復性,便於採用常規的方法進行修理。

據稱,這種火焰筒使用壽命可達15000h,經過修理壽命可達到30000h。

2.3 渦輪及噴口

2.3.1 渦 輪

高壓渦輪有36片鎳基高溫合金鑄造的導向葉片,如圖6所示,每兩片鑄成一體,葉片是按三元流設計成複合傾斜式的,即沿軸向、徑向均做成曲線狀,而不像常規葉片做成直線的,以減少端壁損失。

葉身做成空心的,以通過冷卻空氣對葉片進行冷卻。為提高冷卻效果,內腔設計得很複雜。葉片上下平台與燃氣接觸的表面上噴塗有耐熱塗層。導向葉片的使用壽命(不經修理)可達17000h。

高壓渦輪工作葉片採用定向結晶的鎳基合金精鑄而成,內腔做得比較複雜以通過冷卻空氣對葉片進行冷卻,如圖7所示。

圖6、535E4高壓渦輪導向葉片

葉片帶冠,冠上除帶有兩道封嚴齒外,還沿軸向有一導流片,兩片葉冠的導流片形成收斂通道,冷卻葉片的空氣部分由葉冠流出時,在收斂通道中膨脹,可回收一部分功,以提高效率,葉身內腔做成具有橫肋條的多通道冷卻設計,使冷卻效果更好。

工作葉片在使用中已達到了15000h的使用壽命。高壓渦輪工作葉片帶冠,能提高渦輪效率,但帶來較大的強度問題,迄今仍只有羅·羅公司的發動機採用。

圖7、535E4高壓渦輪工作葉片

單級中壓渦輪導向葉片也採用了複合傾斜的三元流設計,其內腔有冷卻空氣流過,為提高冷卻效果,內腔中有許多橫向肋條及凸點群。帶冠的中壓渦輪工作葉片做成非冷卻的,但仍然是空心的,以減輕重量,採用定向結晶的鎳基合金精鑄而成。

低壓渦輪為3級,所有的導向葉片與工作葉片均做成實心的結構,工作葉片均有帶封嚴齒的葉冠。

渦輪外環與封嚴齒相對應的環形帶上噴塗有易磨塗層,各級導向葉片與工作葉片的數目均按盡量減小由於相互干擾產生的雜訊來選用的,這也是高涵道比渦扇發動機中常採用的降低發動機雜訊的一種措施。

2.3.2 噴 口

在 RB211-535E4以前的高涵道比渦扇發動機中,外涵冷氣流與內涵熱燃氣均用各自的噴口噴出,即所謂的平行流噴口,如圖8所示。

在 RB211-535E4上第一次採用了類似低涵道比渦扇發動機的共用式噴口(或整體式噴口),即外涵冷氣流由四周先流向中心,與由內涵(即核心機)流出的燃氣摻混後,由噴口流出,如圖9所示。

圖8/內、外涵氣流平行流出的平行流噴口

這種整體式噴口具有推進效率高、耗油率低(可低2%)、雜訊低以及開反推器時反推力大(可大 40%),並能提高風扇效率等顯著特點,因而為以後的一些發動機採用。採用共用式噴口後,雖可降低耗油率,但發動機重量也有增加,因此,共用式噴口在長航程的飛機上才顯示出優越性,一般不宜用於短航程的客機上。

圖9/內、外氣流混合後流出的共用式噴口

2.4 轉子支承及承力框架

2.4.1 轉子支承方案

RB211-535E4有低壓、中壓與高壓三個轉子,共用8個軸承支承於4個承力框架上,圖10示出其支承簡圖。低壓轉子為0-2-1的3支點支承方案,中壓轉子為1-1-1的3支點支承方案,高壓轉子為1-0-1的2支點支承方案。

低壓轉子的止推軸承(3號)為中介軸承,其外環固定於中壓軸內,內環固定於低壓軸上。所有滾棒軸承均裝有擠壓油膜減振器,以降低發動機振動。

圖10、RB211-535E4發動機轉子支承簡圖

羅·羅公司發展的 RB211與遄達兩個系列發動機中,低壓轉子的止推軸承不像其他高涵道比渦扇發動機置於風扇盤之後,而是安排在風扇軸的後端,緊靠風扇盤的是滾棒軸承。

其他發動機將滾珠軸承安排在風扇盤之後,是考慮萬一風扇軸在工作中折斷(概率很小,但有可能發生),風扇盤仍會被滾珠軸承保持在發動機中。由於羅·羅公司的發動機緊靠輪盤的是滾棒軸承,當風扇軸折斷時,風扇盤在向前的氣動力作用下會甩出發動機。

為避免出現風扇盤甩出發動機,在風扇軸內專門設置一個保持軸(見圖2),保持軸前端扣在風扇盤的凸邊上,後端固定於風扇軸後端的滾珠軸承處,當風扇軸折斷後,風扇盤會被保持軸拉住而不會甩出發動機。

但是,在 RB211實際使用中,曾多次出現過由於風扇軸折斷風扇盤甩出發動機的嚴重故障(參見「RB211 22B再次出現風扇盤甩出的故障」),說明保持軸仍不能將風扇盤保持在發動機內。

羅·羅公司採用的這種設計,主要考慮三轉子發動機中,風扇與中壓壓氣機間的傳力結構比較單薄,承受不了風扇轉子大的軸向力。

另外,將三個轉子的止推軸承(即3,4,5號滾珠軸承)集中設在剛性較好的中壓與高壓壓氣機間的中介機匣處,能方便地將三個轉子的軸向負荷由中介機匣外傳。

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