文/陳光
RB199的7個軸承中,4個軸承採用了擠壓油膜減振器,低壓轉子的滾珠軸承置於渦輪盤處,較為特殊。
2.4.1 擠壓油膜減振器
除風扇後的2個滾棒軸承(1號、2號)和高壓渦輪後的仲介軸承(5號)外,其他4個軸承包括3個滾珠軸承及中壓渦輪後滾棒軸承採用了擠壓油膜減振器,這是滾珠軸承採用擠壓油膜最多的發動機。
1號、2號軸承未採用擠壓油膜可能是由於兩支點間間距短,轉速相對較低,振動問題較小。 5號軸承為仲介軸承,當然不好用擠壓油膜。
2.4.2 仲介軸承
高壓渦輪後軸通過仲介軸承(5號)支承於中壓渦輪軸上。 這種將高轉速的轉子通過仲介軸承支承於轉速較低的轉子支承方案用得較多。
但大多數的發動機中,將仲介軸承的外環固定於轉速較高的軸內,而將軸承內環固定於轉速較低的軸上;在工作中,軸承的遊隙會增大,易引起仲介軸承滑蹭損傷。
在RB199中,與其他發動機做得不同,將仲介軸承內環固定在轉速較高的轉軸上,而將外環固定於轉速較低的轉軸上;工作中,仲介軸承的遊隙是減小的,不易引發軸承打滑。
2.4.3 7號滾珠軸承
發動機工作中,滾棒軸承僅承受徑向負荷;但滾珠軸承除承受徑向負荷外,還要承受很大的軸向負荷,即滾珠軸承的工作條件比滾棒軸承要惡劣得多,因此,一般不將滾珠軸承置於渦輪前後。
但RB199卻將低壓轉子的滾珠軸承置於中壓渦輪與低壓渦輪間的承力框架中(見圖9),這是當今唯一的一型將滾珠軸承置於渦輪附近的發動機。
3 中央附件傳動裝置
在多數發動機的中央附件傳動裝置中,直接將主動錐齒固定在高壓壓氣機前軸上,通過插在從動錐齒的傳動杆將功率輸到外置的附件傳動機匣;但 RB199卻沒有採用這種傳統的設計。
在RB199中,高壓壓氣機前短軸最前端作有正齒輪(如圖6所示),與一個具有內齒輪的內齒圈嚙合,內齒圈的中心與高壓壓氣機前短軸的中心是錯開的,如圖10所示。
主動錐齒輪裝在內齒圈上,也即傳到主動錐齒的轉速,已不是高壓壓氣機轉速,而是經過內嚙合的齒輪偶減速後的轉速,大大低於高壓壓氣機轉子轉速。 這種結構的中央傳動裝置也是罕見的。
圖10、中央傳動裝置示意圖
4 風扇、中高壓壓氣機
4.1 風 扇
RB199風扇(圖11)為3級,壓比為2.5,無可變彎度進口導葉。
4.1.1 無可變彎度進口導葉
在戰鬥機用發動機中,RB199是少有的無可變彎度進口導葉的發動機之一(另兩型為EJ200與 RD 33),這是因為 RB199為三轉子發動機且風扇平均級壓比低(1.357)。
風扇無可變彎度進口導葉不僅結構簡單、零件數少和重量輕,而且固有可靠性也高。
4.1.2 焊接轉子
3級鈦合金制的輪盤與鼓環是焊接成一體的,風扇後軸焊接到2級盤後。焊接轉子是現代發動機廣泛採用的結構。
4.1.3 整體葉盤
早期,風扇葉片是單個做成的,用燕尾形榫根與輪盤連接,如圖11所示。但據近期的報導,3級葉片已改為單獨做成後,是用電子束焊焊到輪盤上的,即3級均為整體葉盤且相互間又焊接成一整體,還發展了一套修補整體葉盤葉片的方法。
圖11、RB199風扇結構圖
4.2 中壓壓氣機
中壓壓氣機為3級,如圖6所示。
為便於安裝2級葉片,2級盤通過2級與3級間鼓環與3級盤焊接成一整體,1級盤與1級、2級間鼓環及後軸焊為一體,2級輪盤中心處做有帶波紋環的安裝邊,通過安裝邊用螺栓將2級、3級轉子連接到1級盤上。
採用波紋環的作用是使兩個轉子既在中心處,也在外緣處互相抵緊,以增加轉子縱向剛性,這種設計在其他發動機上還從未見到過。
後軸與安裝滾珠軸承(3號)的後短軸通過圓弧端齒聯軸器連接成一體。
4.3 高壓壓氣機
高壓壓氣機為6級,1級、2級盤與葉片採用鈦合金,3級盤採用高溫合金鋼,葉片採用鎳鉻系合金,4~6級盤和葉片均採用鎳基合金。
4.3.1 轉 子
高壓壓氣機1級、2級盤均採用鈦合金,因此,1級、2級盤通過兩盤間的內鼓環焊接成一體;3,4,5,6級盤分別與2級、3級間,3級、4級間,4級、5級間,5級、6級間內鼓環焊為一體,然後各級盤通過前端的內鼓環與前一級盤用短螺栓相連,組成了焊接與短螺栓連接的混合型轉子。
第3級盤前端焊有高壓壓氣機前軸,第6級盤焊有高壓壓氣機後軸,前後軸均用圓弧端齒聯軸器分別與前短軸、高壓壓氣機大鼓軸相連。
4.3.2 靜 子
高壓壓氣機機匣做成1級1個整環,共5個機匣,相互間用短螺栓相連,並由3級後的隔環連接到外涵通道的內機匣上。除6級靜子葉片環焊在燃燒室擴壓器前端外,各級靜子葉片均焊到各級的機匣上。
5 燃燒室與渦輪
5.1 燃燒室
RB199採用了帶蒸發管的短環形燃燒室,如圖12所示。
5.1.1突擴式擴壓器
RB199採用了突擴式擴壓器,由壓氣機流出的空氣在很短的一段環形擴壓段流出後,通道面積突然擴大到充滿燃燒室腔室,氣流速度急速下降,達到能組織燃燒所需的低速度。
這種擴壓器長度很短,但氣動損失較大,用於戰鬥機的發動機還是可以的,RB199是最早採用突擴式擴壓器的發動機。
5.1.2 蒸發管式噴油裝置
圖12、RB199燃燒室結構圖
採用蒸發管式噴油裝置會使燃油霧化非常好,燃燒區很短,而且高空性能好。RB199的燃燒室長僅250mm、火焰筒長僅200mm,是燃燒室長度最小的發動機之—,這與它採用了蒸發管式噴油裝置是不可分的。
5.1.3 電化學加工的火焰筒
RB199火焰筒是由鎳基合金鍛造坯料用電化學加工ECM 方法加工出來的。
早期發動機的火焰筒基本都是用板料焊接而成的,由於板料焊接的火焰筒易出現變形與裂紋等故障,壽命較短,因此在現在一些新研製的發動機中,很少採用了。
電化學加工方法是常用的一種方法。它加工出的火焰筒能完全滿足所要求的型面,既有足夠的剛性,又有長的壽命。
5.2 渦 輪
RB199高壓、中壓渦輪各為1級,低壓渦輪為2級。其中,高壓渦輪的工作葉片和導向葉片以及中壓渦輪工作葉片是冷卻的,其他葉片不冷卻。
高壓、中壓渦輪及兩級低壓渦輪的工作葉片均帶冠。高壓渦輪工作葉片帶冠是羅·羅公司慣用的設計,它研製的斯貝、RB211系列、遄達系列發動機的高壓渦輪工作葉片均帶冠。
帶冠能提高渦輪效率,特別是高壓渦輪葉片最短,其效果會更好些;但高壓渦輪工作葉片處於最高的溫度條件下,帶冠後,對葉片、輪盤的強度均會帶來較多的問題,因此,其他公司研製的軍、民發動機中,很少在高壓渦輪工作葉片上帶冠。
圖10、中央傳動裝置示意圖
4 風扇、中高壓壓氣機
4.1 風 扇
RB199風扇(圖11)為3級,壓比為2.5,無可變彎度進口導葉。
4.1.1 無可變彎度進口導葉
在戰鬥機用發動機中,RB199是少有的無可變彎度進口導葉的發動機之一(另兩型為EJ200與 RD 33),這是因為 RB199為三轉子發動機且風扇平均級壓比低(1.357)。
風扇無可變彎度進口導葉不僅結構簡單、零件數少和重量輕,而且固有可靠性也高。
4.1.2 焊接轉子
3級鈦合金制的輪盤與鼓環是焊接成一體的,風扇後軸焊接到2級盤後。焊接轉子是現代發動機廣泛採用的結構。
4.1.3 整體葉盤
早期,風扇葉片是單個做成的,用燕尾形榫根與輪盤連接,如圖11所示。但據近期的報導,3級葉片已改為單獨做成後,是用電子束焊焊到輪盤上的,即3級均為整體葉盤且相互間又焊接成一整體,還發展了一套修補整體葉盤葉片的方法。
圖11、RB199風扇結構圖
4.2 中壓壓氣機
中壓壓氣機為3級,如圖6所示。
為便於安裝2級葉片,2級盤通過2級與3級間鼓環與3級盤焊接成一整體,1級盤與1級、2級間鼓環及後軸焊為一體,2級輪盤中心處做有帶波紋環的安裝邊,通過安裝邊用螺栓將2級、3級轉子連接到1級盤上。
採用波紋環的作用是使兩個轉子既在中心處,也在外緣處互相抵緊,以增加轉子縱向剛性,這種設計在其他發動機上還從未見到過。
後軸與安裝滾珠軸承(3號)的後短軸通過圓弧端齒聯軸器連接成一體。
4.3 高壓壓氣機
高壓壓氣機為6級,1級、2級盤與葉片採用鈦合金,3級盤採用高溫合金鋼,葉片採用鎳鉻系合金,4~6級盤和葉片均採用鎳基合金。
4.3.1 轉 子
高壓壓氣機1級、2級盤均採用鈦合金,因此,1級、2級盤通過兩盤間的內鼓環焊接成一體;3,4,5,6級盤分別與2級、3級間,3級、4級間,4級、5級間,5級、6級間內鼓環焊為一體,然後各級盤通過前端的內鼓環與前一級盤用短螺栓相連,組成了焊接與短螺栓連接的混合型轉子。
第3級盤前端焊有高壓壓氣機前軸,第6級盤焊有高壓壓氣機後軸,前後軸均用圓弧端齒聯軸器分別與前短軸、高壓壓氣機大鼓軸相連。
4.3.2 靜 子
高壓壓氣機機匣做成1級1個整環,共5個機匣,相互間用短螺栓相連,並由3級後的隔環連接到外涵通道的內機匣上。除6級靜子葉片環焊在燃燒室擴壓器前端外,各級靜子葉片均焊到各級的機匣上。
5 燃燒室與渦輪
5.1 燃燒室
RB199採用了帶蒸發管的短環形燃燒室,如圖12所示。
5.1.1突擴式擴壓器
RB199採用了突擴式擴壓器,由壓氣機流出的空氣在很短的一段環形擴壓段流出後,通道面積突然擴大到充滿燃燒室腔室,氣流速度急速下降,達到能組織燃燒所需的低速度。
這種擴壓器長度很短,但氣動損失較大,用於戰鬥機的發動機還是可以的,RB199是最早採用突擴式擴壓器的發動機。
5.1.2 蒸發管式噴油裝置
圖12、RB199燃燒室結構圖
採用蒸發管式噴油裝置會使燃油霧化非常好,燃燒區很短,而且高空性能好。RB199的燃燒室長僅250mm、火焰筒長僅200mm,是燃燒室長度最小的發動機之—,這與它採用了蒸發管式噴油裝置是不可分的。
5.1.3 電化學加工的火焰筒
RB199火焰筒是由鎳基合金鍛造坯料用電化學加工ECM 方法加工出來的。
早期發動機的火焰筒基本都是用板料焊接而成的,由於板料焊接的火焰筒易出現變形與裂紋等故障,壽命較短,因此在現在一些新研製的發動機中,很少採用了。
電化學加工方法是常用的一種方法。它加工出的火焰筒能完全滿足所要求的型面,既有足夠的剛性,又有長的壽命。
5.2 渦 輪
RB199高壓、中壓渦輪各為1級,低壓渦輪為2級。其中,高壓渦輪的工作葉片和導向葉片以及中壓渦輪工作葉片是冷卻的,其他葉片不冷卻。
高壓、中壓渦輪及兩級低壓渦輪的工作葉片均帶冠。高壓渦輪工作葉片帶冠是羅·羅公司慣用的設計,它研製的斯貝、RB211系列、遄達系列發動機的高壓渦輪工作葉片均帶冠。
帶冠能提高渦輪效率,特別是高壓渦輪葉片最短,其效果會更好些;但高壓渦輪工作葉片處於最高的溫度條件下,帶冠後,對葉片、輪盤的強度均會帶來較多的問題,因此,其他公司研製的軍、民發動機中,很少在高壓渦輪工作葉片上帶冠。