陳光/文
RB211系英國羅爾斯·羅伊斯(簡稱羅·羅)公司生產的第1種高涵道比渦輪風扇發動機。為了滿足70年代巨型運輸機對發動機提出的:推力大、耗油率低、噪音和排氣汙染小以及維護方便等要求,RB211如同CF6與JT9D等大型渦輪風扇發動機一樣,採用了高涵道比、高增壓比與高渦輪前燃氣溫度,成為具有所謂“三高”指標的第二代渦輪風扇發動機。所不同之處是,RB211採用了獨特的三轉子結構。
發展簡況
羅·羅公司於1961年開始研製先進的運輸機發動機,並著手研究3軸方案。
在20世紀60年代中期,該公司先後研製了雙轉子的 RB178發動機,三轉子的RB203“特倫特”與 RB207 渦扇發動機。
這些發動機雖然由於各種原因最後停止發展,但卻為以後的 RB211的設計提供了經驗。
RB211 22型是在 RB211的最初型號 06(實際為 RB207的縮小型)基礎上發展來的,它於1968年3月被選作L 1011旅客機的動力裝置。
1968年8月,RB211首次試車,1969年6月在英國燃氣渦輪研究院完成初步的高空試驗計劃,1970年3月在改裝的 VC 10飛機上作首次飛行試驗,1972年4月正式投入航線使用。
表1、RB211系列發動機主要參數
最初投入航線使用的是 RB211 22C型,在大氣溫度為18.8 ℃時其額定起飛推力為
186.8kN。22C型的加大推力型 22B(在大氣溫度為28.9℃時,推力為186.8kN),於1973年2月開始交付,並於該年年底前替換掉全部 22C型。
隨後,羅·羅公司在RB21122B型的基礎上進行了以下三方面的發展工作:
(1)增加推力與降低耗油率,發展成 524型系列,524型於1977年投入使用;
(2)降低耗油率與提高熱天起飛推力;
(3)降低推力,但仍保持較低的耗油率,這就是推力較小的 535型系列。
在隨後的近40年時間中,發展了10餘種型號,推力範圍覆蓋了170~424kN,發動機各型號系列的發展情況如圖1所示,其主要數據見表1(未包括 RB211系列發動機的後繼機遄達系列)。
RB211系列發動機在大型發動機市場中,1983年擁有10%的份額,但是10年後的1993年已增至26%,說明RB211三轉子發動機的獨特的優點以及羅·羅公司的先進技術已被航空公司所認可。
圖1、RB211系列發動機發展簡圖
在RB211設計中,選擇了三轉子結構方案,如圖2所示,其主要特點如下:(1)級數和可調靜子葉片少,轉子剛性好。
3軸結構的突出優點是每個轉子均在各自最佳葉尖速度下工作,中壓與高壓壓氣機的效率高,使各轉子的級數減少。因此,轉子長度得以縮短,剛性好;支點數目也增加不多。
採用3軸結構後,還可以在工作中調節各轉子的轉速以擴大工作範圍,因此,只需1排中壓進口可調靜子葉片,此外,為了解決啟動和在低速下的加減速問題,在中壓壓氣機出口和高壓第 3級處分別設有兩個放氣活門。
RB211與另外兩種同一推力級的大涵道比發動機 CF6及JT9D 在級數與可調靜子葉片數等方面的比較見表2。
表2、三轉子發動機RB211與雙轉子發動機CF6和JT9D的比較
(2)啟動性能與加速性能好。
3軸結構中,由於高壓轉子級數少,啟動時所需的啟動功率可大大減小,或可縮短啟動時間。例如,三轉子 RB207發動機所需啟動功率與羅·羅公司的“康維”渦輪風扇發動機的相同,但其推力卻幾乎為“康維”的兩倍。
RB211啟動後的加速性也較好,它由飛行慢車加速到95%最大功率只需5s。
(3)高壓渦輪工作葉片的溫度較低。
在總壓比與渦輪前燃氣溫度一定的情況下,與JT9D和 CF6發動機的雙軸結構相比,RB211的高壓渦輪工作於較高的轉速下,使進入葉片的相對溫度要低。
圖2、三轉子高涵道比RB211發動機簡圖
據計算與分析,此溫度較雙軸方案的低27~55℃。因此,工作葉片可不採用特別好的耐高溫材料。
(4)可降低著陸進場時的噪聲。3軸結構發動機在著陸進場時,可以減小熱燃氣尾噴管的面積,使風扇轉速降低,從而減小風扇噪聲。在高涵道比發動機中,噪聲主要來自風扇。因此,通過降低風扇轉速辦法所減小的噪聲量,超過噴氣速度提高而增加的噴氣噪聲量,噪聲總量可降低約3dB;而推力的降低則可由提高了的熱燃氣排氣速度給予補償。
(5)結構複雜。
3軸發動機結構複雜,給轉子的支承、傳力與潤滑等帶來一系列的問題。這是3軸結構方案突出的缺陷。
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