罗·罗RB211发动机的中压、高压压气机和燃烧室介绍

陈光/文

中压、高压压气机及燃烧室

2.2.1 中压压气机

中压压气机叶片采用了性能较好、叶片数目较少、抗砂尘磨蚀能力较强的可控扩散叶形,这是20世纪80年代发展的一种新型叶片,已为多种发动机采用。中压压气机六级轮盘通过鼓筒用电子束焊接成一整体转子。

2.2.2 高压压气机

高压压气机工作叶片与静子叶片均采用了端部弯曲设计(简称端弯叶片)以减小气流在端壁处的附面层影响,提高效率与喘振裕度,图5示出了端弯叶片的外形,RB211 535E4是第1种采用端弯叶片的发动机。

除第3级轮盘采用钢外,其他各级盘均采用钛合金,前两级盘通过鼓环焊接成一体,后三级与后轴焊为一体,在第3级处用短螺栓连接组成转子。

由于压气机出口处气流温度较高,在其他发动机中,后几级的轮盘均采用镍基高温合金,而在RB211 -535E4中,采用了能承受550℃的高温钛合金IMI829,因而使转子的重量降低了约30%。

图5、采用端部弯曲的叶片

2.2.3 燃烧室

RB211 535E4采用了全环形、带18个气动式喷嘴的燃烧室,火焰筒与燃气接触的内壁上,喷涂了隔热涂层,以降低火焰筒壁的温度,延长其寿命,火焰筒还设计成具有高的可修复性,便于采用常规的方法进行修理。

据称,这种火焰筒使用寿命可达15000h,经过修理寿命可达到30000h。

2.3 涡轮及喷口

2.3.1 涡轮

高压涡轮有36片镍基高温合金铸造的导向叶片,如图6所示,每两片铸成一体,叶片是按三元流设计成复合倾斜式的,即沿轴向、径向均做成曲线状,而不像常规叶片做成直线的,以减少端壁损失。

叶身做成空心的,以通过冷却空气对叶片进行冷却。为提高冷却效果,内腔设计得很复杂。叶片上下平台与燃气接触的表面上喷涂有耐热涂层。导向叶片的使用寿命(不经修理)可达17000h。

高压涡轮工作叶片采用定向结晶的镍基合金精铸而成,内腔做得比较复杂以通过冷却空气对叶片进行冷却,如图7所示。

图6、535E4高压涡轮导向叶片

叶片带冠,冠上除带有两道封严齿外,还沿轴向有一导流片,两片叶冠的导流片形成收敛通道,冷却叶片的空气部分由叶冠流出时,在收敛通道中膨胀,可回收一部分功,以提高效率,叶身内腔做成具有横肋条的多通道冷却设计,使冷却效果更好。

工作叶片在使用中已达到了15000h的使用寿命。高压涡轮工作叶片带冠,能提高涡轮效率,但带来较大的强度问题,迄今仍只有罗·罗公司的发动机采用。

图7、535E4高压涡轮工作叶片

单级中压涡轮导向叶片也采用了复合倾斜的三元流设计,其内腔有冷却空气流过,为提高冷却效果,内腔中有许多横向肋条及凸点群。带冠的中压涡轮工作叶片做成非冷却的,但仍然是空心的,以减轻重量,采用定向结晶的镍基合金精铸而成。

低压涡轮为3级,所有的导向叶片与工作叶片均做成实心的结构,工作叶片均有带封严齿的叶冠。

涡轮外环与封严齿相对应的环形带上喷涂有易磨涂层,各级导向叶片与工作叶片的数目均按尽量减小由于相互干扰产生的噪声来选用的,这也是高涵道比涡扇发动机中常采用的降低发动机噪声的一种措施。

2.3.2 喷口

在RB211-535E4以前的高涵道比涡扇发动机中,外涵冷气流与内涵热燃气均用各自的喷口喷出,即所谓的平行流喷口,如图8所示。

在RB211-535E4上第一次采用了类似低涵道比涡扇发动机的共用式喷口(或整体式喷口),即外涵冷气流由四周先流向中心,与由内涵(即核心机)流出的燃气掺混后,由喷口流出,如图9所示。

图8/内、外涵气流平行流出的平行流喷口

这种整体式喷口具有推进效率高、耗油率低(可低2%)、噪声低以及开反推器时反推力大(可大40%),并能提高风扇效率等显著特点,因而为以后的一些发动机采用。采用共用式喷口后,虽可降低耗油率,但发动机重量也有增加,因此,共用式喷口在长航程的飞机上才显示出优越性,一般不宜用于短航程的客机上。

图9/内、外气流混合后流出的共用式喷口

2.4 转子支承及承力框架

2.4.1 转子支承方案

RB211-535E4有低压、中压与高压三个转子,共用8个轴承支承于4 个承力框架上,图10示出其支承简图。低压转子为0-2-1的3支点支承方案,中压转子为1-1-1的3支点支承方案,高压转子为1-0-1的2支点支承方案。

低压转子的止推轴承(3号)为中介轴承,其外环固定于中压轴内,内环固定于低压轴上。所有滚棒轴承均装有挤压油膜减振器,以降低发动机振动。

图10、RB211-535E4发动机转子支承简图

罗·罗公司发展的RB211与遄达两个系列发动机中,低压转子的止推轴承不像其他高涵道比涡扇发动机置于风扇盘之后,而是安排在风扇轴的后端,紧靠风扇盘的是滚棒轴承。

其他发动机将滚珠轴承安排在风扇盘之后,是考虑万一风扇轴在工作中折断(概率很小,但有可能发生),风扇盘仍会被滚珠轴承保持在发动机中。由于罗·罗公司的发动机紧靠轮盘的是滚棒轴承,当风扇轴折断时,风扇盘在向前的气动力作用下会甩出发动机。

为避免出现风扇盘甩出发动机,在风扇轴内专门设置一个保持轴(见图2),保持轴前端扣在风扇盘的凸边上,后端固定于风扇轴后端的滚珠轴承处,当风扇轴折断后,风扇盘会被保持轴拉住而不会甩出发动机。

但是,在RB211实际使用中,曾多次出现过由于风扇轴折断风扇盘甩出发动机的严重故障(参见“RB211 22B再次出现风扇盘甩出的故障”),说明保持轴仍不能将风扇盘保持在发动机内。

罗·罗公司采用的这种设计,主要考虑三转子发动机中,风扇与中压压气机间的传力结构比较单薄,承受不了风扇转子大的轴向力。

另外,将三个转子的止推轴承(即3,4,5号滚珠轴承)集中设在刚性较好的中压与高压压气机间的中介机匣处,能方便地将三个转子的轴向负荷由中介机匣外传。