陈光/文
RB211系英国罗尔斯·罗伊斯(简称罗·罗)公司生产的第1种高涵道比涡轮风扇发动机。为了满足70年代巨型运输机对发动机提出的:推力大、耗油率低、噪音和排气污染小以及维护方便等要求,RB211如同CF6与JT9D等大型涡轮风扇发动机一样,采用了高涵道比、高增压比与高涡轮前燃气温度,成为具有所谓“三高”指标的第二代涡轮风扇发动机。所不同之处是,RB211采用了独特的三转子结构。
发展简况
罗·罗公司于1961年开始研制先进的运输机发动机,并着手研究3轴方案。
在20世纪60年代中期,该公司先后研制了双转子的 RB178发动机,三转子的RB203“特伦特”与 RB207 涡扇发动机。
这些发动机虽然由于各种原因最后停止发展,但却为以后的 RB211的设计提供了经验。
RB211 22型是在 RB211的最初型号 06(实际为 RB207的缩小型)基础上发展来的,它于1968年3月被选作L 1011旅客机的动力装置。
1968年8月,RB211首次试车,1969年6月在英国燃气涡轮研究院完成初步的高空试验计划,1970年3月在改装的 VC 10飞机上作首次飞行试验,1972年4月正式投入航线使用。
表1、RB211系列发动机主要参数
最初投入航线使用的是 RB211 22C型,在大气温度为18.8 ℃时其额定起飞推力为
186.8kN。22C型的加大推力型 22B(在大气温度为28.9℃时,推力为186.8kN),于1973年2月开始交付,并于该年年底前替换掉全部 22C型。
随后,罗·罗公司在RB21122B型的基础上进行了以下三方面的发展工作:
(1)增加推力与降低耗油率,发展成 524型系列,524型于1977年投入使用;
(2)降低耗油率与提高热天起飞推力;
(3)降低推力,但仍保持较低的耗油率,这就是推力较小的 535型系列。
在随后的近40年时间中,发展了10余种型号,推力范围覆盖了170~424kN,发动机各型号系列的发展情况如图1所示,其主要数据见表1(未包括 RB211系列发动机的后继机遄达系列)。
RB211系列发动机在大型发动机市场中,1983年拥有10%的份额,但是10年后的1993年已增至26%,说明RB211三转子发动机的独特的优点以及罗·罗公司的先进技术已被航空公司所认可。
图1、RB211系列发动机发展简图
在RB211设计中,选择了三转子结构方案,如图2所示,其主要特点如下:(1)级数和可调静子叶片少,转子刚性好。
3轴结构的突出优点是每个转子均在各自最佳叶尖速度下工作,中压与高压压气机的效率高,使各转子的级数减少。因此,转子长度得以缩短,刚性好;支点数目也增加不多。
采用3轴结构后,还可以在工作中调节各转子的转速以扩大工作范围,因此,只需1排中压进口可调静子叶片,此外,为了解决启动和在低速下的加减速问题,在中压压气机出口和高压第 3级处分别设有两个放气活门。
RB211与另外两种同一推力级的大涵道比发动机 CF6及JT9D 在级数与可调静子叶片数等方面的比较见表2。
表2、三转子发动机RB211与双转子发动机CF6和JT9D的比较
(2)启动性能与加速性能好。
3轴结构中,由于高压转子级数少,启动时所需的启动功率可大大减小,或可缩短启动时间。例如,三转子 RB207发动机所需启动功率与罗·罗公司的“康维”涡轮风扇发动机的相同,但其推力却几乎为“康维”的两倍。
RB211启动后的加速性也较好,它由飞行慢车加速到95%最大功率只需5s。
(3)高压涡轮工作叶片的温度较低。
在总压比与涡轮前燃气温度一定的情况下,与JT9D和 CF6发动机的双轴结构相比,RB211的高压涡轮工作于较高的转速下,使进入叶片的相对温度要低。
图2、三转子高涵道比RB211发动机简图
据计算与分析,此温度较双轴方案的低27~55℃。因此,工作叶片可不采用特别好的耐高温材料。
(4)可降低着陆进场时的噪声。3轴结构发动机在着陆进场时,可以减小热燃气尾喷管的面积,使风扇转速降低,从而减小风扇噪声。在高涵道比发动机中,噪声主要来自风扇。因此,通过降低风扇转速办法所减小的噪声量,超过喷气速度提高而增加的喷气噪声量,噪声总量可降低约3dB;而推力的降低则可由提高了的热燃气排气速度给予补偿。
(5)结构复杂。
3轴发动机结构复杂,给转子的支承、传力与润滑等带来一系列的问题。这是3轴结构方案突出的缺陷。