陳光/文
RB199是為歐洲戰鬥機“狂風”研製的加力式三轉子渦扇發動機。 “狂風”屬於第三代戰鬥機,要求發動機推重比接近8.0一級。 由英國羅·羅公司、德國 MTU公司及義大利 FaitAviv公司組成的渦輪聯合(Turbo Union)公司專門研製RB199。
該公司在研製中廣泛利用了羅·羅公司民用高涵道比渦輪風扇發動機 RB211的設計技術及一些其他專案發展的先進技術,包括單晶渦輪葉片與 FADEC(在其後期型號上採用)等。
第1台 RB199於1971年9月進行地面試車,1973年裝在由“火神”四發轟炸機改裝的飛行試車臺上進行飛行試驗,隨後於1974年4月裝在“狂風”上進行飛行試驗,1978年11月通過150h定型試車,1979年開始批生產,1980年秋投入使用;在研製中,共生產了67台試驗用發動機,試驗時數達30000h。
RB199發動機採用了羅·羅公司獨特的三轉子設計(後來,蘇聯也研製了三轉子渦輪風扇發動機 D 36與 D 18T等),是軍用發動機中唯一採用三轉子結構的發動機。
由3級風扇、3級中壓壓氣機、6級高壓氣機、環形蒸發式燃燒室、單級高、中壓渦輪、2級低壓渦輪、加力燃燒室及可調收擴噴管等組成,如圖1所示。
另外,發動機上還裝有反推力裝置,以減小飛機著陸時的滑行距離,這在戰鬥機用發動機中是獨一無二的。 發動機的基本參數為:涵道比約為1.0,總增壓比大於23,渦輪前溫度約為1600K,加力比約為1.0。 發動機是全單元體結構設計,也是第一種完全按視情維修設計的戰鬥機發動機,允許在外場維修和更換單元體。
圖1、 RB119發動機結構簡圖
RB199的第一個生產型是 MK101,其起飛加力推力為71.75kN,用於“狂風”IDS型(對地攻擊型);在使用中出現一些故障,特別是有些關鍵零件使用壽命達不到設計要求,英空軍只得降低工況使用。
從第四批“狂風”IDS型起,改用了經過改進的 MK103型(包括滑油系統的改進,使其延長在負超載下的工作時間,以及對某些機械部件的改進)。
此後,MK101停產。 後來生產的有三種型別,即:MK103,用於代替 MK101而裝於“狂風”IDS型上;MK104,用於“狂風”ADV型(防空型);MK105,用於ECR型(電子戰/偵察型)。
表1是三種型別的主要技術資料。
MK104的推力稍大於 MK103,其尾噴管較長,因而“狂風”ADV 型將後機身加長以便能裝進發動機。 MK105是在 MK101基礎上發展的,主要差別在於採用了單晶高壓渦輪葉片和在 RB199改進計畫中獲得的62B風扇。
這種高壓比的風扇直徑由0.718m加大到0.751m,而使其進氣量增加了3%;另一項重大改進是使用了魯卡斯公司生產的全功能數位式發動機調節器(FADEC)。
2 總體結構設計特點
2.1 轉子支承方案
RB199有三個轉子(如圖2所示),共用7個支點支承,3個承力框架傳力,低、中、高壓轉子分別採用了0 3 0三支點、0 1 1二支點、1 0 1二支點支承方案,其中高壓轉子後支點即5號支點為仲介支點。
圖2、 RB199發動機轉子支承方案(1~7為支點號,A為圓弧端齒聯軸器)
2.1.1 低壓轉子支承方案
低壓轉子最長,因此採用了3支點支承方案。由於RB199採用了三轉子結構,有利於滿足飛機機動飛行對發動機快速回應的要求,也有利於降低耗油率,同時發動機有較大的喘振裕度和進氣道氣流畸變容限,因此風扇無可變彎度進口導流葉片,為此,在風扇前無軸承,風扇後設置了2個滾棒軸承,也即風扇是懸臂地支承著的。在絕大多數軍用發動機中,包括 F101、F110、F404、M88與F119等風扇均有可變彎度的進口導向葉片,因此均用可變彎度的進口導
向葉片前緣固定不動的部分作為傳遞軸承負荷的承力框架,而在風扇前設置1個支點。現有的軍用發動機中僅RB199與EJ200風扇前無支點(米格 29用的 RD 33發動機風扇雖無進口導向葉片,但也在風扇前設置了1個支點),它使整台發動機的承力框架少1個,相應的滑油油腔也少1個,因而零件數少,重量輕,為提高發動機的推重比能作出較大貢獻。
低壓轉子的後支點(7號)設在低壓渦輪輪盤前,使2級低壓渦輪轉子呈懸臂支承。這在軍用發動機中是罕見的,一般均將低壓轉子後支點設在低壓渦輪輪盤之後。RB199的這種安排是為了減少發動機承力框架數。因為在三轉子發動機中,肯定在渦輪級間有1個承力框架。
RB199在中壓與低壓渦輪間設置了渦輪級間承力框架;即利用低壓1級空心的導向葉片中的承力支座(如圖3所示)將軸承負荷外傳(RB211中是在高、中壓渦輪間設置承力框架);既然在中、低壓渦輪間有1承力框架,當然會將低壓轉子後支點設在輪盤前,利用該承力框架將7號軸承負荷外傳。
2.1.2 中壓、高壓轉子支承方案
由於高壓與中壓轉子長度相對短,因此均採用2支點支承方案,其中高壓轉子最短,採用 1 0 1支承方案;在中壓轉子中,為縮短2支點間距離,將前支點即3號支點置於中壓壓氣機之後,形成0 1 1支承方案。
2.2 承力框架
RB199採用了3個承力框架,即風扇與中壓壓氣機間承力框架、中壓壓氣機與高壓壓氣機間承力框架及中壓渦輪與低壓渦輪間承力框架。
圖3 、RB199中、低壓渦輪間承力框架
2.2.1 風扇與中壓壓氣機承力框架
風扇與中壓壓氣機承力框架如圖4所示,是通過風扇第3級導向葉片傳力的,導向葉片外緣焊在風扇出口機匣上,安裝1號、2號軸承的軸承座焊在承力輻板內緣上,承力輻板外緣則焊在導向葉片內緣上,組成了一個焊接的承力框架。
圖4、風扇與中壓壓氣機間承力框架
2.2.2 中壓壓氣機與高壓壓氣機間的承力框架
中壓壓氣機與高壓壓氣機間的承力框架如圖5所示,是鑄造的仲介機匣與焊接的軸承機匣、內涵通道組合的承力構件。內涵通道殼體由板料的外環、內環及介於內外環間的葉型支板焊接成一體,借外環後安裝邊用螺栓固定于鑄造的仲介機匣上,內外環前端則插入中壓壓氣機出口導向葉片環中,軸承機匣焊在內涵通道殼體內環上。
中高壓壓氣機間仲介機匣為發動機主承力件,發動機主安裝節、附件傳動機匣等均裝在此機匣上。
2.2.3 中壓渦輪與低壓渦輪間承力框架
中壓渦輪與低壓渦輪間承力框架(如圖3所示)的承力支座支板由低壓渦輪1級空心導向葉片中穿過,有冷卻空氣對其冷卻,導向葉片允許在軸向、徑向與周向自由膨脹。這是典型的將受力件與受熱件(與高溫燃氣接觸)分開的結構。
由於導向葉片中要穿過傳力的承力支座支板,導向葉片只得做得較厚與較長,不僅對低壓渦輪氣動效率有影響,而且也使發動機長度有所增加,在新型發動機中已很少採用這種承力框架;
但在三轉子發動機中,由於結構複雜,非得採用1個渦輪級間承力框架，RB211採用的是高、中壓渦輪級間承力框架。
圖5、中壓與高壓壓氣機間承力框架
2.3 聯軸器
2.3.1 低壓轉子聯軸器
低壓轉子為3支點支承方案,採用了柔性的套齒式聯軸器。低壓渦輪軸通過前端的外套齒(花鍵)與風扇後軸的內套齒相嚙合,嚙合間隙較大,允許低壓渦輪軸與風扇軸有一定的不同心度,成為柔性聯軸器。
2.3.2 中壓轉子聯軸器
中壓轉子為2支點支承方案,採用了剛性的套齒聯軸器,與低壓轉子聯軸器不同的
是套齒嚙合處前端有1定位面,如圖6所示 圖6 RB199中壓壓氣機及中央附件傳動裝置(一般是在套齒嚙合處前、後端均有定位
面)。
2.3.3 高壓轉子聯軸器
圖7 、RB199高壓壓氣機結構圖
高壓轉子採用了圓弧端齒聯軸器,高壓渦輪軸前端的圓弧端齒與高壓壓氣機後軸的圓弧端齒相嚙合,然後用帶自鎖螺母的螺栓將兩者固定,如圖7所示。
圓弧端齒聯軸器在歐洲的發動機公司研製的發動機中採用較多,相互嚙合的兩齒,—個齒面做成凸出的,另一個齒面做成凹面,嚙合的齒面做成圓弧形(見圖8),齒面是由專門的格裡森齒輪磨床磨出的。
圓弧端齒聯軸器具有傳遞扭矩大,能自動定心(特別是在高溫下的熱定心),拆裝容易,特別適合在單元體結構中採用。
圖8、RB199高壓轉子用圓弧端齒聯軸器
在發動機裝配中,主軸上的滾珠軸承較難裝拆。羅·羅公司研製的發動機包括 RB199均將滾珠軸承裝在單獨的短軸上,短軸再用圓弧端齒聯軸器與主軸連接;
在分解發動機時,只要將圓弧端齒聯軸器的螺栓擰下,壓氣機或渦輪轉子即與滾珠軸承脫離,壓氣機或渦輪轉子可由機匣中取出,而裝在短軸上的滾珠軸承與短軸留在機匣中,最後再將裝滾珠軸承的軸承座從機匣上卸下,使滾珠軸承的裝拆變得容易。
RB199的3個轉子中,每個轉子均有1個滾珠軸承,因此有3個圓弧端齒聯軸器,再加上高壓渦輪與高壓壓氣機轉子間的聯軸器,因此,RB199共採用了4個圓弧端齒聯軸器。
由圖6中可見中壓轉子的滾珠軸承是裝在中壓壓氣機後軸後的短軸上的;如圖7所示高壓轉子的滾珠軸承是裝在高壓壓氣機前軸前的前短軸上的。
圖9、RB199低壓渦輪轉子與裝滾珠軸承的前短軸的連接結構
圖9示出低壓渦輪轉子的結構圖,裝滾珠軸承的短軸用圓弧端齒聯軸器裝在低壓渦輪軸上。
圖2、 RB199發動機轉子支承方案(1~7為支點號,A為圓弧端齒聯軸器)
2.1.1 低壓轉子支承方案
低壓轉子最長,因此採用了3支點支承方案。由於RB199採用了三轉子結構,有利於滿足飛機機動飛行對發動機快速回應的要求,也有利於降低耗油率,同時發動機有較大的喘振裕度和進氣道氣流畸變容限,因此風扇無可變彎度進口導流葉片,為此,在風扇前無軸承,風扇後設置了2個滾棒軸承,也即風扇是懸臂地支承著的。在絕大多數軍用發動機中,包括 F101、F110、F404、M88與F119等風扇均有可變彎度的進口導向葉片,因此均用可變彎度的進口導
向葉片前緣固定不動的部分作為傳遞軸承負荷的承力框架,而在風扇前設置1個支點。現有的軍用發動機中僅RB199與EJ200風扇前無支點(米格 29用的 RD 33發動機風扇雖無進口導向葉片,但也在風扇前設置了1個支點),它使整台發動機的承力框架少1個,相應的滑油油腔也少1個,因而零件數少,重量輕,為提高發動機的推重比能作出較大貢獻。
低壓轉子的後支點(7號)設在低壓渦輪輪盤前,使2級低壓渦輪轉子呈懸臂支承。這在軍用發動機中是罕見的,一般均將低壓轉子後支點設在低壓渦輪輪盤之後。RB199的這種安排是為了減少發動機承力框架數。因為在三轉子發動機中,肯定在渦輪級間有1個承力框架。
RB199在中壓與低壓渦輪間設置了渦輪級間承力框架;即利用低壓1級空心的導向葉片中的承力支座(如圖3所示)將軸承負荷外傳(RB211中是在高、中壓渦輪間設置承力框架);既然在中、低壓渦輪間有1承力框架,當然會將低壓轉子後支點設在輪盤前,利用該承力框架將7號軸承負荷外傳。
2.1.2 中壓、高壓轉子支承方案
由於高壓與中壓轉子長度相對短,因此均採用2支點支承方案,其中高壓轉子最短,採用 1 0 1支承方案;在中壓轉子中,為縮短2支點間距離,將前支點即3號支點置於中壓壓氣機之後,形成0 1 1支承方案。
2.2 承力框架
RB199採用了3個承力框架,即風扇與中壓壓氣機間承力框架、中壓壓氣機與高壓壓氣機間承力框架及中壓渦輪與低壓渦輪間承力框架。
圖3 、RB199中、低壓渦輪間承力框架
2.2.1 風扇與中壓壓氣機承力框架
風扇與中壓壓氣機承力框架如圖4所示,是通過風扇第3級導向葉片傳力的,導向葉片外緣焊在風扇出口機匣上,安裝1號、2號軸承的軸承座焊在承力輻板內緣上,承力輻板外緣則焊在導向葉片內緣上,組成了一個焊接的承力框架。
圖4、風扇與中壓壓氣機間承力框架
2.2.2 中壓壓氣機與高壓壓氣機間的承力框架
中壓壓氣機與高壓壓氣機間的承力框架如圖5所示,是鑄造的仲介機匣與焊接的軸承機匣、內涵通道組合的承力構件。內涵通道殼體由板料的外環、內環及介於內外環間的葉型支板焊接成一體,借外環後安裝邊用螺栓固定于鑄造的仲介機匣上,內外環前端則插入中壓壓氣機出口導向葉片環中,軸承機匣焊在內涵通道殼體內環上。
中高壓壓氣機間仲介機匣為發動機主承力件,發動機主安裝節、附件傳動機匣等均裝在此機匣上。
2.2.3 中壓渦輪與低壓渦輪間承力框架
中壓渦輪與低壓渦輪間承力框架(如圖3所示)的承力支座支板由低壓渦輪1級空心導向葉片中穿過,有冷卻空氣對其冷卻,導向葉片允許在軸向、徑向與周向自由膨脹。這是典型的將受力件與受熱件(與高溫燃氣接觸)分開的結構。
由於導向葉片中要穿過傳力的承力支座支板,導向葉片只得做得較厚與較長,不僅對低壓渦輪氣動效率有影響,而且也使發動機長度有所增加,在新型發動機中已很少採用這種承力框架;
但在三轉子發動機中,由於結構複雜,非得採用1個渦輪級間承力框架，RB211採用的是高、中壓渦輪級間承力框架。
圖5、中壓與高壓壓氣機間承力框架
2.3 聯軸器
2.3.1 低壓轉子聯軸器
低壓轉子為3支點支承方案,採用了柔性的套齒式聯軸器。低壓渦輪軸通過前端的外套齒(花鍵)與風扇後軸的內套齒相嚙合,嚙合間隙較大,允許低壓渦輪軸與風扇軸有一定的不同心度,成為柔性聯軸器。
2.3.2 中壓轉子聯軸器
中壓轉子為2支點支承方案,採用了剛性的套齒聯軸器,與低壓轉子聯軸器不同的
是套齒嚙合處前端有1定位面,如圖6所示 圖6 RB199中壓壓氣機及中央附件傳動裝置(一般是在套齒嚙合處前、後端均有定位
面)。
2.3.3 高壓轉子聯軸器
圖7 、RB199高壓壓氣機結構圖
高壓轉子採用了圓弧端齒聯軸器,高壓渦輪軸前端的圓弧端齒與高壓壓氣機後軸的圓弧端齒相嚙合,然後用帶自鎖螺母的螺栓將兩者固定,如圖7所示。
圓弧端齒聯軸器在歐洲的發動機公司研製的發動機中採用較多,相互嚙合的兩齒,—個齒面做成凸出的,另一個齒面做成凹面,嚙合的齒面做成圓弧形(見圖8),齒面是由專門的格裡森齒輪磨床磨出的。
圓弧端齒聯軸器具有傳遞扭矩大,能自動定心(特別是在高溫下的熱定心),拆裝容易,特別適合在單元體結構中採用。
圖8、RB199高壓轉子用圓弧端齒聯軸器
在發動機裝配中,主軸上的滾珠軸承較難裝拆。羅·羅公司研製的發動機包括 RB199均將滾珠軸承裝在單獨的短軸上,短軸再用圓弧端齒聯軸器與主軸連接;
在分解發動機時,只要將圓弧端齒聯軸器的螺栓擰下,壓氣機或渦輪轉子即與滾珠軸承脫離,壓氣機或渦輪轉子可由機匣中取出,而裝在短軸上的滾珠軸承與短軸留在機匣中,最後再將裝滾珠軸承的軸承座從機匣上卸下,使滾珠軸承的裝拆變得容易。
RB199的3個轉子中,每個轉子均有1個滾珠軸承,因此有3個圓弧端齒聯軸器,再加上高壓渦輪與高壓壓氣機轉子間的聯軸器,因此,RB199共採用了4個圓弧端齒聯軸器。
由圖6中可見中壓轉子的滾珠軸承是裝在中壓壓氣機後軸後的短軸上的;如圖7所示高壓轉子的滾珠軸承是裝在高壓壓氣機前軸前的前短軸上的。
圖9、RB199低壓渦輪轉子與裝滾珠軸承的前短軸的連接結構
圖9示出低壓渦輪轉子的結構圖,裝滾珠軸承的短軸用圓弧端齒聯軸器裝在低壓渦輪軸上。