陈光/文
RB211-535E4是英国罗·罗公司为波音757双发客机发展的三转子高涵道比涡扇发动机,它是在罗·罗公司的 RB211系列发动机中-22B型的基础上缩小风扇而成的。
RB211系列发动机为西方国家中唯一的民用三转子高涵道比涡扇发动机,它的最初生产型号为 RB211-22B,其起飞推力为183.2kN,于1972年4月装于洛克希德的 L1011三星式宽机身客机上投入使用,是世界上最早的三型高涵道比涡轮风扇发动机之一。
随后,按两条平行的途径衍生发展了推力增大型 524系列及推力缩小型 535系列。在衍生发展过程中,由于不断采用一些新设计、新材料和新工艺等,不仅使发动机的推力不断加大,而且耗油率还大幅度下降,例如在RB211524系列中,1989年6月投入使用的RB211524G(装于波音747400)及1990年2月投入使用的RB211 524H(装于波音767 300)与1979年2月投入使用的 RB211524B2相比,推力分别提高了16%及21%,耗油率降低了13.6%。
RB211 535系列虽为 RB211-22B的推力缩小型,但它的后期发展型号的推力已大于RB211 22B的。
图1、RB211 535E4发动机结构图
RB211采用了三转子结构,如图1所示,使各转子的叶片均能处于最恰当叶尖切线速度下工作,因此,在达到相同的增压比下,压气机、涡轮的级数及叶片数会少许多。
表1列出了用于波音757飞机的两种发动机即RB211535E4与PW2037的级数与叶片数的比较,PW2037为普惠公司为波音757研制的双转子高涵道比涡扇发动机。
表1、RB211-535E4与PW2037级数与叶片数的比较
在 RB211发动机家族发展过程中,RB211 535E4占有非常显著的地位,因为它采用了一些新型结构设计,例如宽弦无凸肩夹层风扇叶片,采用三元流设计的复合倾斜的高压涡轮导向叶片,内外涵共用喷管,压气机叶片端部弯曲等,这些设计不仅为罗·罗公司后来的某些发动机采用,而且也为其他公司的一些发动机采用。
RB211-535系列中的第1个型号为535C,它是为满足波音757的推力要求,将RB21122B的风扇缩小(直径由2.154m减为1.859m),涵道比由4.8减小为4.4改型而成的,推力为166.57kN(37400lbf),于1979年4月进行首次试车,1981年9月取得适航证,1983年1月装有 RB211-535C的波音757投入航线使用,它是波音公司大型飞机中第一次采用罗·罗公司的发动机。
用于波音757的另一种发动机是普惠公司的PW2037(代号后二位数字表示以100×lbf为单位的发动机推力值,37即表示发动机推力为37000lbf),装有PW2037的波音757于1984年12月投入航线使用。
RB211-535E4是在RB211 535C的基础上,加大风扇直径(由1.859m增大为1.882m)与减小涵道比(由4.4减小为4.3)并采用了一些新技术进行改进后发展的,1982年5月进行首次试车,1983年11月,取得适航证,1984年10月装于波音757上投入航线使用。
主要性能
表2列出了 RB211-535E4与 RB211-535C的主要性能参数
2 设计特点
2.1 风 扇
RB211 535E4风扇如图2所示,第1次采用了宽弦、无凸肩和蜂窝夹层结构的风扇叶片,这种由罗·罗公司发展的独特设计,不仅重量轻、效率高、耗油率比采用常规叶片的低2.5%,喘振裕度大,流通能力大,抗外物打击的能力也较高,而且能起到减少外来物进入核心机的作用。
由图3可以看出,由于风扇叶片较宽,与核心机进口间的缝隙较大,大部分外来物能在离心力的作用下甩到外涵道的气流通道中去。因为RB211535E4在波音757使用的三种发动机中,由于外来物击伤发动机内部造成的换发率为最低(见表3),因此,这种设计已在罗·罗公司参与研制的发动机(如 RB211 524G/H、遄达、V2500等)上采用,而且还获得以英国女王名义颁发的技术进步奖。
图2、RB211-535E4风扇结构图
图3、宽弦风扇叶片能将外来物甩到外涵通道
表3、由于外来物击伤发动机造成的换发率(次/1000EFH)的比较
(投入使用后五年的数据)
传统的带凸肩叶片由于气流流过凸肩时的分离,不仅导致压力损失,使局部地区效率降低,而且也使气流流通面积减小,如图4所示。
风扇叶片采用宽弦设计后,叶片的刚度、强度大增,抗外物打击能力与抗振动能力均提高很多,不需采用凸肩,提高了风扇效率与流通面积,为发动机带来较好的效果。90年代以后研制的军、民用涡轮风扇发动机均采用了无凸肩的宽弦风扇叶片。
图4、常规带凸肩风扇叶片使气动损失加大、效率降低
风扇叶片燕尾形榫根不像在其他发动机中那样做成直线形的,而是做成基本与叶身相符的圆弧形,相应风扇盘上固定叶片的燕尾形槽也做成圆弧形,这种设计能使在叶片数量一定时,盘直径可以小些,可减小发动机重量与风扇机匣外径,已成为罗·罗公司的一项独特设计,并推广到遄达系列发动机中。后来,在CFM567B发动机中也采用了这种设计。
风扇叶片的包容环是在铝制的、带有增加刚性的凸环与凸肋的圆环上,缠绕几十层由Kevlar织成的条带组成,这种结构包容能力强,重量轻,因而已在罗·罗公司后来发展的发动机如遄达等上采用。包容环内壁中嵌有蜂窝结构的易磨衬套(见图2)。
风扇出口导向叶片距风扇叶片很远,用以降低两者干扰引起的噪声,这是新型高涵道比涡扇发动机中,常采用的降低风扇噪声的一种有效措施。风扇出口导向叶片还作为承力件将核心部分的负荷外传到风扇机匣上,叶片由钛合金做成空心的,空腔中填有轻质的减振材料。
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