RB211采用一级跨声速风扇,无进口导流叶片,增压比为1.5。风扇转子由33片钛合金叶片、钛合金轮盘、传动轴与保持轴等组成,重约380kg,外径2.16m,叶片长0.7m,在叶高2/3处有减振凸台。
风扇转子转速为3860r/min,每个叶片产生的离心力约为550kN,用枞树形榫根与轮盘相连,这在高涵道比涡轮风扇发动机中是少有的,RB211以后的系列发动机已将枞树形榫根改为燕尾形榫根。
由于发动机的涵道比大,风扇约产生全部推力的3/4,即每个叶片上作用有441daN的向前推力,因此在转子前端有一个推力环,以承受全部叶片的向前推力。
在研制 RB211之初,风扇叶片采用复合材料来做。复合材料具有比重小、抗振动特性与抗颤振特性好等的突出优点,但是在进行鸟撞击试验中,复合材料做的风扇叶片承受不了大鸟的撞击,满足不了适航条令 FAR33部规定的要求,不得不重新设计制造钛合金的风扇叶片,延误了研制周期。
因此,RB211是同期研制的3种高涵道比涡扇发动机中最后投入航线使用的发动机(1972年2月取得适航证,1972年4月投入使用),另两型发动机中,JI9D与 CF6分别于1970年1月与1970年9月取得适航证。
由于紧靠风扇盘的轴承是不能承受轴向负荷的滚棒轴承(在其他高涵道比涡扇发动机中,此处均为滚珠轴承),因而在风扇转子的传动轴内,设有一套应急用的称为保持轴的防护装置。
保持轴在正常工作时不传递负荷;当风扇传动轴一旦损坏折断后,它起到不让风扇转子甩出发动机的作用,但是,在后来使用中,1981年曾出现过4次风扇传动轴在工作中折断而保持轴未能将风扇轮盘保持在发动机内的严重事件,事后,对保持轴做了较大的改进。
风扇部件设计中,除保持轴外,还采取了防止叶片折断后击穿机匣与损坏轴承的安全设计,即将包住风扇叶片的机匣做成具有包容折断叶片能力的包容环,如图6所示,它是在较厚的钢制机匣内嵌有较厚的铝制蜂窝层,蜂窝内环上再嵌上抗磨蜂窝层。当风扇叶片折断后,其断片以很大的撞击力撞到包容环的铝制蜂窝层上,由于它厚度大,在叶片撞到它时使它受到压缩变形,在变形过程中,吸收了叶片大部分撞击能量,叶片已无力打穿钢制机匣,因而能将叶片断片包容住。
为了不使断片由进口处 飞出,钢制的包容机匣前端做成1环向后的环钩。在RB211 22B以后的改型遄达发动机中,已改用在铝制机匣上缠绕多层 Kevelar复合材料的包容环,其重量比 22B的轻很多,且包容能力也大。
另外,为了使风扇转子能承受因叶片折断或脱落所引起的不平衡离心力(约50kN),风扇转子采用了大型挤压油膜滚棒轴承,从而能在短时间内承受这种冲击而不致使发动机遭到严重损坏。
风扇转子无进口导流叶片,这可以大大减小风扇的噪声,据称可降低10dB。风扇后端有一排(68片)做成承力结构的出口导流叶片,出口导向叶片与风扇叶片间的轴向距离做得很大,这也是为降低风扇噪声的一种措施,也为其他高涵道比涡扇发动机采用。
中压与高压压气机
7级中压压气机的压比为3.5,转速为6700r/min,气流通道是等内径的。全部工作叶片和前5级盘都是用钛合金制作的,后两级盘是钢做的。前5级盘和后两级盘分别用电子束焊接成两个转子,然后用螺栓将两者联成一体。
RB211- 22B以后的攻型 524型中,除第6,7级盘焊成一体外,其余各盘均做成单个的,然后用螺栓连接。进口处有两排进口导流叶片,前排钢叶片是不可调的,作为轴承座承力结构,后排钛合金叶片是可转动的,用于调节。可转进口导流叶片的调节范围为37.5°~-7.5°。当高压转子的转速低于76%时,叶片处于关闭状态(+37.5°);当转速由76%增大到95%时,叶片逐渐打开并达到全开状态(-7.5°)。
6级高压压气机的压比为5.0,转速为10152r/min,气流通道是等外径的。工作叶片的材料:第1~3级为钛合金,第4级为钢,第5~6级为镍基合金。
第1,2级钛合金盘用电子束焊接成一体,第3级钢盘是单个的,第4~6级镍基合金盘也焊接成一体,然后用螺栓将三者连接成一个转子,再用大鼓轴与涡轮盘相接。
中压压气机与高压压气机的转子上的短轴都是固定于中间级的轮盘上,以缩短支点距离。
在中压压气机出口处和高压压气机第3级处各有两个放气活门。其中高压左侧的放气活门是在启动时放气,接近慢车转速时关闭。另外3个是在低转速时放气:发动机加速时,当高压转子的转速达到最大转速的79%时,放气活门关闭;减速时,当转速降到78%时,放气活门打开。
RB211的3个转子同心套在一起,共有8个轴承(其中有1个中介轴承),分别由4个承力框架将轴承负荷外传。图3示出了发动机转子支承简图。
图3、RB211发动机转子支承简图
由图3可见:高压转子支承方案为10 1的2支点方案,即在高压压气机前有1滚珠轴承(5号),在高压涡轮后有1滚棒轴承(6号);
中压转子支承方案为11 1的3支点方案,在中压压气机前后分别用一个滚棒(2号)和滚珠(4号)轴承支承,在中压涡轮盘后的轴上有1个滚棒轴承(7号)作为支点;
低压转子支承方案为02 1的3支点支承方案,即在风扇盘后有1个大型滚棒轴承(1号,位于风扇轮盘之后)和1个滚珠轴承(3号,位于中压压气机出口处)支承。
此滚珠轴承的外环装在中压压气机后轴内,是一个中介轴承。低压涡轮后支承在1个滚棒轴承(8号)上。
图4示出了 RB211发动机承力结构图。1号与2号支点支承于前轴承机匣上,轴承负荷通过中压压气机进口导流叶片前不动的叶片,再通过风扇出口导流叶片传至风扇机匣。
3个转子的滚珠轴承即3号、4号与5号支点的负荷通过中压与高压压气机间的中介机匣外传。
6号与7号支点的负荷通过高压与中压涡轮间的装在中压涡轮导向叶片中的承力辐条外传,这种通过涡轮间导向器传力的结构在其他发动机采用较少,但在三转子发动机中必定要采用。
8号支点的负荷通过涡轮后轴承机匣外传,这是很多发动机采用的承力机匣。
图4、RB211发动机承力结构图
由于高压转子尺寸短,以及采用了短环形燃烧室等原因,整台发动机只用了8个轴承,比较简单地实现了三转子的支承。此外,其他转子也安排得比较紧凑,刚性较好。因此,RB211的所有转子的1阶临界转速均高于工作转速。
所有滚棒轴承均采用了挤压油膜减振器。据称,在核心机上测得的振幅值仅为0.025mm。全部轴承均采取了环下供油的润滑方式。除中介轴承的油腔系用动压式封严外,其余则采用一般的空气篦齿式封严。
整个核心机的机匣做成双层,这是 RB211系列发动机比较突出的特点。双层机匣中,外层作为承力结构,内层机匣作为气流通道的包容环,仅承受气动负荷。
由于内层机匣不参与承力系统,发动机工作中在受到各种负荷的作用后,外层机匣可能发生变形,但内层机匣不会受到影响,始终保持圆度,因而能保持核心机中高压压气机与高压涡轮的叶尖间隙不会变化,性能保持较好,如图5所示。
图5、双层机匣工作特点
4个轴承座分别通过中压压气机固定的进口导流叶片、铸造的中压/高压中介机匣、中压涡轮空心导流叶片内的承力辐条和后轴承机匣的承力辐板,将负荷传到核心发动机的外承力机匣上,然后通过风扇出口导流叶片及位于其后的“A”型承力框架与风扇机匣相连,如图4所示。
发动机共有两个安装节:前安装节位于风扇机匣上,它传递发动机的推力、垂直及侧向负荷;后安装节位于核心机的后轴承机匣上,它传递发动机的垂直、侧向及扭矩负荷。
图6、RB211-22B的风扇包容环
