出師未捷身先死的羅·羅遄達600：因波音764ER推遲而下馬的發動機

羅·羅公司於上世紀60年代後期發展了西方民用發動機中唯一採用三轉子的高涵道比渦扇發動機RB211,它的最初生產型 RB211-22B(推力186.5kN)於1972年4月裝L1011三發客機投入航線使用。

早期,羅·羅公司研製的發動機均以英國的河流名稱命名,例如:康維、達特、奧林普斯、威派爾和斯貝等,但從 RB211開始羅·羅公司就不採用河流名稱命名發動機名了,這可能是由於當時羅·羅公司合併了英國另一家發動機公司———布利斯托爾公司,因之將合併以後研製的發動機以兩公司第1個字母 R、B組合成 RB,其後緊跟數字,即 RB211與RB199(狂風戰鬥機用的發動機)。

在RB211投入使用後,羅·羅公司平行衍生研製了 RB211的推力增大型 524型和推力縮小型 535型等系列發動機。

圖1示出了RB211系列發動機衍生髮展的過程。在推力縮小型中有:535C(推力166.3kN)、535E4(推力178.3kN)和 535E4B(推力191.7kN);在推力增大型中主要有:524B4(推力222.4kN)、524C2(推力229kN)、524D4(235.7kN)、524G(258.3kN)和 524H(270kN)等,其中524G於1989年裝于波音747 400、525H於1990年裝于波音767-300及波音747400飛機上投入使用,524G與524H兩型發動機結構設計完全一樣,是在 524D4的基礎上做了較大改進發展而成的,其差別只是使用的推力略有不同而已。

圖·1、RB211系列發動機衍生髮展過程

1988年,為了滿足MD -11以及後來波音公司提出發展B747-400X的需要,羅·羅公

司又提出在 524G/H的基礎上發展推力加大型的 RB211 524L(推力285.7~302.6kN)。

1990年羅·羅公司恢復以英國河流命名發動機的做法,將 RB211-524L改名遄達600,如圖2所示,從此開創了遄達系列發動機的發展,先後發展了用於 A330的遄達700（推力300.6~316kN，1995年投入使用），用于波音777的遄達800（推力333.6~423kN，1996年投入使用），用於A340-500/600的遄達500（推力236~250kN，2002年投入使用），用於A380的遄達900（推力311~340kN，2008年投入使用）以及用于波音787的遄達1000（推力245~312kN）。

用於MD-11、波音747-400X先後取消，2001年2月由波音公司和羅·羅公司宣布遄達600將用于波音767-400ER，但後來波音767-400ER又被推遲，因而羅·羅停止了遄達600的發展工作，從2002年以後，羅·羅公司產品目錄中已無遄達600這一型號了，但由於它是遄達系列發動機的基礎，因此了解它的設計特點，能幫助了解遄達700/800以及1000的特點。

2 遄達系列發動機

遄達600、遄達700和遄達800是遄達系列中最初的三個型號,它們分別是用于波音 767-400ER、A330和波音777等客機要求而研製的,每個型號中又有若干個推力級不同的發動機,例如遄達600中有665、668二序列發動機,該序列號的後兩位數字表示其推力為兩位數×103lbf,例如遄達665,其推力為65000lbf。表1為此三系列中不同序列發動機的主要技術數據。

3 遄達600設計特點

遄達600是在RB211524G/H基礎上,通過加大風扇直徑、增加1級中壓壓氣機、1級低壓渦輪和採用一些其他新技術而發展的,其耗油率比 524G/H低4%,比早期的 524B2低17.6%。以下對它的主要特點分別加以介紹。

3.1 三轉子結構

三轉子結構與美國採用的雙轉子結構相比有許多優點,主要有:

(1)級數少、葉片少。三轉子分別在最佳轉速下工作,轉子數、葉片數和可調葉片數減少。

(2)性能衰退率低。由於轉子級數少,轉子較短,使轉子剛性好和性能衰退率低。

(3)冷卻渦輪的空氣量少。雙轉子發動機的高壓渦輪一般為2級,第2級處於高轉速下(與三轉子相比)工作,需要冷卻工作葉片,而三轉子的中壓渦輪在較低轉速下工作,不需冷卻,渦輪冷卻空氣量少,可使發動機耗油率降低1.5%。

(4)轉子支承較複雜。三轉子發動機的轉子支承較為複雜,滾珠軸承安排也比較複雜,但RB211的轉子採用了圓弧端齒聯軸器,使發動機裝配和分解比不用圓弧端齒聯軸器的雙轉子發動機簡單。

圖3、三種空心風扇葉片結構比較

3.2 風扇葉片

(1)寬弦夾芯葉片。採用了羅·羅公司第三代寬弦無凸肩結構設計。圖3示出了三種寬弦空心風扇葉片的結構比較圖,羅·羅公司第一代寬弦風扇葉片是實心的,第二代為帶蜂窩芯的夾層空心葉片,即圖3中最上的結構,用於 RB211535E4及 V2500,第三代是圖3中的中間結構,它的芯部採用了桁條結構,先用擴散連接將二面板與芯板連接在一起,然後用超塑性成型方法將芯板如圖3所示的波紋形桁條,這種稱為擴散連接/超塑性成形(DB/SPF)製造帶晶元的空心風扇葉片是羅·羅公司的獨創,還未被其他公司採用,據稱其重量較第二代的輕15%。

圖4、圓弧形榫根與榫槽

(2)圓弧形榫根。

風扇葉片的燕尾形榫根沿弦向成圓弧形,如圖4所示,即榫根的外形基本與葉片在根部處的葉型一致,這也是羅·羅公司獨創的一種設計。

這種設計使榫根寬度小,在葉片數目相同情況下,可使輪盤外徑較小,從而減小了輪轂比,在相同的外徑下,可增大空氣流通量。但是不論是葉片的榫根還是輪盤的榫槽,加工均較困難。CFM56 7發動機的風扇輪盤也採用了這種形式的榫槽。

(3)Kevlar包容環。

採用 535E4、524G/H 上的包容環,即在鋁合金機匣上銑出許多縱橫交錯的深槽,在這種稱為「等格柵鋁環」上纏上多層由 Kevlar織成的條帶,然後用環氧樹脂包住,形成重量輕、厚度大和韌性好的包容環。

當風扇葉片從根部斷裂甩出時,撞擊到包容環的能量相當於以時速48km/h行駛的小汽車撞到障礙物上的能量,鋁環會被擊穿,而 Kerlar條帶被拉伸而凸出,但不會破裂,在向外凸出的過程中,將撞擊能量吸收而將碎片包在機匣內。

圖5、遄達600的中壓壓氣機

3.3 中壓壓氣機

與 RB211 524G/H相比,中壓壓氣機做了以下修改,如圖5所示:

(1)增加了空氣流量。

(2)增加1級,用8級取代原來的7級,以減少級負荷和提高效率。

(3)可調靜葉增加2排,用3排可調靜葉代替了在RB211 524G/H 中1排可調靜葉。

(4)全鈦轉子,整個轉子用鈦合金焊成一體,第1級輪盤盤心處向前伸出一段,形成與前軸頸相連的短軸(524G/H的前軸頸用螺栓與1,2級盤鼓連接)。

(5)正交葉片,後2級轉子葉片採用與氣流方向垂直的設計。這種稱為「正交」的葉片,工作時雖然在根部會產生附加的彎矩,但效率較高。

3.4 高壓壓氣機

(1)全鈦轉子。轉子為鈦合金整體焊接結構,前軸頸用圓弧端齒聯軸器與第1級盤盤心處的斜輪轂相連。採用的鈦合金為英國1983年研究成功的、能承受600℃溫度的IMI834(Ti5.8Al 4Sn 3.5Zr0.7Nb 0.5Mo 0.35Si 0.06C)。

(2)被動間隙控制。高壓壓氣機靜子葉片外環與機匣間的環形腔中裝有隔熱材料,以控制機匣溫度,提高被動間隙控制能力,使葉尖間隙在工況瞬變中變化不大。

3.5 高壓渦輪

(1)複合傾斜導向葉片。導向器葉片採用三元流複合傾斜設計,可減小附面層損失。所謂複合傾斜是指導向葉片在直徑方向與在軸線方向均是彎曲而不是直的。

(2)工作葉片帶冠。由 MARM002定向凝固材料鑄造的工作葉片帶冠,如圖6所示(其他公司的發動機高壓渦輪很少採用帶冠葉片)。葉冠製成平行四邊形,冠上除前緣處有兩道封嚴齒外,後緣沿軸向還有一翅形板,冷卻空氣由冠頂漏出時,在兩葉片的翅形板間稍有膨脹,能回收一部分能量,這是遄達發動機的又一特殊設計。葉根的緣板處裝有阻尼器,以減小葉片振動。

圖6、「遄達」高壓渦輪工作葉片

(3)葉片冷卻空氣分高、低壓。進入葉片的冷卻空氣有低壓和高壓兩路,因此葉片內的冷卻通道也有高、低壓2路。低壓通道僅在葉片前緣有1道且未經轉折直接由葉冠上的小孔逸出;而高壓通道則轉折多次,且通道上做有加強散熱的肋條等,由多個氣膜孔、狹縫流出。

這種複雜但冷卻效果較好的冷卻葉片目前只有羅·羅公司的遄達、泰和RB211 524G/H等發動機上採用。高壓空氣直接來自燃燒室的二股氣流,低壓空氣來自輪盤前緣葉根處2封嚴篦齒間向內泄漏出的空氣。

3.6 中壓渦輪

(1)複合傾斜導向葉片。如高壓渦輪導向葉片一樣,26片導向葉片寬而厚,是按三元流複合傾斜設計的,採用 MARM002定向凝固材料鑄造的。

(2)可控渦變功量工作葉片。工作葉片按可控渦變功量設計,由於不冷卻,而採用單晶材料SRR99鑄造。

3.7 低壓渦輪

(1)葉片按三元流設計。遄達600、700系列為4級,800系列為5級。在三型發動機中,所有葉片全部按三元流設計。

(2)正交葉片。工作葉片也是按正交原理設計的,因而葉片呈彎曲狀,如圖7所示。這在其他發動機上未採用過,顯然這種設計可提高氣動效率,但帶來一些強度問題。

(3)整體鑄造後軸承機匣。渦輪後軸承機匣是發動機中的重要承力結構,由帶軸承座的內環、外環及葉型支板鑄成—個整體件。

圖7、遄達600低壓渦輪

3.8 整體式噴管

大多數高涵道比渦輪風扇發動機中,外涵氣流與內涵氣流互不干擾平行地流出發動機,但遄達系列發動機中採用外涵氣流通過摻混器流入內涵與內涵氣流混合後流出發動機,這種噴管稱為整體式噴管,由於外涵冷空氣流過摻混器對摻混器起到強制的冷卻。

強製冷卻的整體式噴管最初用於 RB211 535E4、泰、V2500等中等推力的發動機。第一種採用整體式噴管的大推力高涵道比渦扇發動機為RB211-524G/H,遄達是採用這種整體式噴管的第2種大推力發動機。採用整體式噴管可提高推進效率與風扇效率,從而降低耗油率與雜訊,另外還能增加反推推力等,但重量有所增加,因而適於遠程客機。

3.9 其他特點

遄達發動機部件壽命較長,如壓氣機轉子與靜子壽命達40000~70000h,低壓渦輪導向葉片與工作葉片為70000h,中、高壓渦輪導向葉片與工作葉片的為25000~40000h,燃燒室經修理後可達40000h,各輪盤與軸為20000循環。另外它的雜訊比FAR36部第三階段規定的低15dB,污染低於要求值。

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