RB211發(fā)動機

RB211采用一級跨聲速風扇,無進口導(dǎo)流葉片,增壓比為1.5。風扇轉(zhuǎn)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處有減振凸臺。

風扇轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為3860r/min,每個葉片產(chǎn)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(fā)動機中是少有的,RB211以后的系列發(fā)動機已將樅樹形榫根改為燕尾形榫根。

由于發(fā)動機的涵道比大,風扇約產(chǎn)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(zhuǎn)子前端有一個推力環(huán),以承受全部葉片的向前推力。

在研制 RB211之初,風扇葉片采用復(fù)合材料來做。復(fù)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(yōu)點,但是在進行鳥撞擊試驗中,復(fù)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(guī)定的要求,不得不重新設(shè)計制造鈦合金的風扇葉片,延誤了研制周期。

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

由于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(fā)動機中,此處均為滾珠軸承),因而在風扇轉(zhuǎn)子的傳動軸內(nèi),設(shè)有一套應(yīng)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后,它起到不讓風扇轉(zhuǎn)子甩出發(fā)動機的作用,但是,在后來使用中,1981年曾出現(xiàn)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(fā)動機內(nèi)的嚴重事件,事后,對保持軸做了較大的改進。

風扇部件設(shè)計中,除保持軸外,還采取了防止葉片折斷后擊穿機匣與損壞軸承的安全設(shè)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(huán),如圖6所示,它是在較厚的鋼制機匣內(nèi)嵌有較厚的鋁制蜂窩層,蜂窩內(nèi)環(huán)上再嵌上抗磨蜂窩層。當風扇葉片折斷后,其斷片以很大的撞擊力撞到包容環(huán)的鋁制蜂窩層上,由于它厚度大,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,葉片已無力打穿鋼制機匣,因而能將葉片斷片包容住。

為了不使斷片由進口處 飛出,鋼制的包容機匣前端做成1環(huán)向后的環(huán)鉤。在RB211 22B以后的改型遄達發(fā)動機中,已改用在鋁制機匣上纏繞多層 Kevelar復(fù)合材料的包容環(huán),其重量比 22B的輕很多,且包容能力也大。

另外,為了使風扇轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子采用了大型擠壓油膜滾棒軸承,從而能在短時間內(nèi)承受這種沖擊而不致使發(fā)動機遭到嚴重損壞。

風扇轉(zhuǎn)子無進口導(dǎo)流葉片,這可以大大減小風扇的噪聲,據(jù)稱可降低10dB。風扇后端有一排(68片)做成承力結(jié)構(gòu)的出口導(dǎo)流葉片,出口導(dǎo)向葉片與風扇葉片間的軸向距離做得很大,這也是為降低風扇噪聲的一種措施,也為其他高涵道比渦扇發(fā)動機采用。

中壓與高壓壓氣機

7級中壓壓氣機的壓比為3.5,轉(zhuǎn)速為6700r/min,氣流通道是等內(nèi)徑的。全部工作葉片和前5級盤都是用鈦合金制作的,后兩級盤是鋼做的。前5級盤和后兩級盤分別用電子束焊接成兩個轉(zhuǎn)子,然后用螺栓將兩者聯(lián)成一體。

RB211- 22B以后的攻型 524型中,除第6,7級盤焊成一體外,其余各盤均做成單個的,然后用螺栓連接。進口處有兩排進口導(dǎo)流葉片,前排鋼葉片是不可調(diào)的,作為軸承座承力結(jié)構(gòu),后排鈦合金葉片是可轉(zhuǎn)動的,用于調(diào)節(jié)。可轉(zhuǎn)進口導(dǎo)流葉片的調(diào)節(jié)范圍為37.5°~-7.5°。當高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于76%時,葉片處于關(guān)閉狀態(tài)(+37.5°);當轉(zhuǎn)速由76%增大到95%時,葉片逐漸打開并達到全開狀態(tài)(-7.5°)。

6級高壓壓氣機的壓比為5.0,轉(zhuǎn)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,然后用螺栓將三者連接成一個轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子上的短軸都是固定于中間級的輪盤上,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(cè)的放氣活門是在啟動時放氣,接近慢車轉(zhuǎn)速時關(guān)閉。另外3個是在低轉(zhuǎn)速時放氣:發(fā)動機加速時,當高壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速達到最大轉(zhuǎn)速的79%時,放氣活門關(guān)閉;減速時,當轉(zhuǎn)速降到78%時,放氣活門打開。

RB211的3個轉(zhuǎn)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(fā)動機轉(zhuǎn)子支承簡圖。

圖3、RB211發(fā)動機轉(zhuǎn)子支承簡圖

由圖3可見:高壓轉(zhuǎn)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),在高壓渦輪后有1滾棒軸承(6號);

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

低壓轉(zhuǎn)子支承方案為02 1的3支點支承方案,即在風扇盤后有1個大型滾棒軸承(1號,位于風扇輪盤之后)和1個滾珠軸承(3號,位于中壓壓氣機出口處)支承。

此滾珠軸承的外環(huán)裝在中壓壓氣機后軸內(nèi),是一個中介軸承。低壓渦輪后支承在1個滾棒軸承(8號)上。

圖4示出了 RB211發(fā)動機承力結(jié)構(gòu)圖。1號與2號支點支承于前軸承機匣上,軸承負荷通過中壓壓氣機進口導(dǎo)流葉片前不動的葉片,再通過風扇出口導(dǎo)流葉片傳至風扇機匣。

3個轉(zhuǎn)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(dǎo)向葉片中的承力輻條外傳,這種通過渦輪間導(dǎo)向器傳力的結(jié)構(gòu)在其他發(fā)動機采用較少,但在三轉(zhuǎn)子發(fā)動機中必定要采用。

8號支點的負荷通過渦輪后軸承機匣外傳,這是很多發(fā)動機采用的承力機匣。

圖4、RB211發(fā)動機承力結(jié)構(gòu)圖

由于高壓轉(zhuǎn)子尺寸短,以及采用了短環(huán)形燃燒室等原因,整臺發(fā)動機只用了8個軸承,比較簡單地實現(xiàn)了三轉(zhuǎn)子的支承。此外,其他轉(zhuǎn)子也安排得比較緊湊,剛性較好。因此,RB211的所有轉(zhuǎn)子的1階臨界轉(zhuǎn)速均高于工作轉(zhuǎn)速。

所有滾棒軸承均采用了擠壓油膜減振器。據(jù)稱,在核心機上測得的振幅值僅為0.025mm。全部軸承均采取了環(huán)下供油的潤滑方式。除中介軸承的油腔系用動壓式封嚴外,其余則采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(fā)動機比較突出的特點。雙層機匣中,外層作為承力結(jié)構(gòu),內(nèi)層機匣作為氣流通道的包容環(huán),僅承受氣動負荷。

由于內(nèi)層機匣不參與承力系統(tǒng),發(fā)動機工作中在受到各種負荷的作用后,外層機匣可能發(fā)生變形,但內(nèi)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(dǎo)流葉片、鑄造的中壓/高壓中介機匣、中壓渦輪空心導(dǎo)流葉片內(nèi)的承力輻條和后軸承機匣的承力輻板,將負荷傳到核心發(fā)動機的外承力機匣上,然后通過風扇出口導(dǎo)流葉片及位于其后的“A”型承力框架與風扇機匣相連,如圖4所示。

發(fā)動機共有兩個安裝節(jié):前安裝節(jié)位于風扇機匣上,它傳遞發(fā)動機的推力、垂直及側(cè)向負荷;后安裝節(jié)位于核心機的后軸承機匣上,它傳遞發(fā)動機的垂直、側(cè)向及扭矩負荷。

圖6、RB211-22B的風扇包容環(huán)