陈光/文

RB199是为欧洲战斗机“狂风”研制的加力式三转子涡扇发动机。“狂风”属于第三代战斗机,要求发动机推重比接近8.0一级。由英国罗·罗公司r18t、德国 MTU公司及意大利 FaitAviv公司组成的涡轮联合(Turbo Union)公司专门研制RB199。该公司成立于1969年。

该公司在研制中广泛利用了罗·罗公司民用高涵道比涡轮风扇发动机 RB211的设计技术及一些其他项目发展的先进技术,包括单晶涡轮叶片与 FADEC(在其后期型号上采用)等r18t。

第1台 RB199于1971年9月进行地面试车,1973年装在由“火神”四发轰炸机改装的飞行试车台上进行飞行试验,随后于1974年4月装在“狂风”上进行飞行试验,1978年11月通过150h定型试车,1979年开始批生产,1980年秋投入使用;在研制中,共生产了67台试验用发动机,试验时数达30000hr18t。

RB199发动机采用了罗·罗公司独特的三转子设计(后来,苏联也研制了三转子涡轮风扇发动机 D 36与 D 18T等),是军用发动机中唯一采用三转子结构的发动机。

由3级风扇、3级中压压气机、6级高压气机、环形蒸发式燃烧室、单级高、中压涡轮、2级低压涡轮、加力燃烧室及可调收扩喷管等组成,如图1所示。

另外,发动机上还装有反推力装置,以减小飞机着陆时的滑行距离,这在战斗机用发动机中是独一无二的。发动机的基本参数为:涵道比约为1.0,总增压比大于23,涡轮前温度约为1600K,加力比约为1.0。发动机是全单元体结构设计,也是第一种完全按视情维修设计的战斗机发动机,允许在外场维修和更换单元体。

图1、 RB119发动机结构简图

RB199的第一个生产型是 MK101,其起飞加力推力为71.75kN,用于“狂风”IDS型(对地攻击型);在使用中出现一些故障,特别是有些关键零件使用寿命达不到设计要求,英空军只得降低工况使用。

从第四批“狂风”IDS型起,改用了经过改进的 MK103型(包括滑油系统的改进,使其延长在负过载下的工作时间,以及对某些机械部件的改进)。

此后,MK101停产。后来生产的有三种型别,即:MK103,用于代替 MK101而装于“狂风”IDS型上;MK104,用于“狂风”ADV型(防空型);MK105,用于ECR型(电子战/侦察型)。

表1是三种型别的主要技术数据。

MK104的推力稍大于 MK103,其尾喷管较长,因而“狂风”ADV 型将后机身加长以便能装进发动机。MK105是在 MK101基础上发展的,主要差别在于采用了单晶高压涡轮叶片和在 RB199改进计划中获得的62B风扇。

这种高压比的风扇直径由0.718m加大到0.751m,而使其进气量增加了3%;另一项重大改进是使用了鲁卡斯公司生产的全功能数字式发动机调节器(FADEC)。装 MK105的“狂风”ECR型于1990年装备联邦德国空军。

2 总体结构设计特点

2.1 转子支承方案

RB199有三个转子(如图2所示),共用7个支点支承,3个承力框架传力,低、中、高压转子分别采用了0 3 0三支点、0 1 1二支点、1 0 1二支点支承方案,其中高压转子后支点即5号支点为中介支点。

图2、 RB199发动机转子支承方案(1~7为支点号,A为圆弧端齿联轴器)

2.1.1 低压转子支承方案

低压转子最长,因此采用了3支点支承方案。由于RB199采用了三转子结构,有利于满足飞机机动飞行对发动机快速响应的要求,也有利于降低耗油率,同时发动机有较大的喘振裕度和进气道气流畸变容限,因此风扇无可变弯度进口导流叶片,为此,在风扇前无轴承,风扇后设置了2个滚棒轴承,也即风扇是悬臂地支承着的。在绝大多数军用发动机中,包括 F101、F110、F404、M88与F119等风扇均有可变弯度的进口导向叶片,因此均用可变弯度的进口导

向叶片前缘固定不动的部分作为传递轴承负荷的承力框架,而在风扇前设置1个支点。现有的军用发动机中仅RB199与EJ200风扇前无支点(米格 29用的 RD 33发动机风扇虽无进口导向叶片,但也在风扇前设置了1个支点),它使整台发动机的承力框架少1个,相应的滑油油腔也少1个,因而零件数少,重量轻,为提高发动机的推重比能作出较大贡献。

低压转子的后支点(7号)设在低压涡轮轮盘前,使2级低压涡轮转子呈悬臂支承。这在军用发动机中是罕见的,一般均将低压转子后支点设在低压涡轮轮盘之后。RB199的这种安排是为了减少发动机承力框架数。因为在三转子发动机中,肯定在涡轮级间有1个承力框架。

RB199在中压与低压涡轮间设置了涡轮级间承力框架;即利用低压1级空心的导向叶片中的承力支座(如图3所示)将轴承负荷外传(RB211中是在高、中压涡轮间设置承力框架);既然在中、低压涡轮间有1承力框架,当然会将低压转子后支点设在轮盘前,利用该承力框架将7号轴承负荷外传。

2.1.2 中压、高压转子支承方案

由于高压与中压转子长度相对短,因此均采用2支点支承方案,其中高压转子最短,采用 1 0 1支承方案;在中压转子中,为缩短2支点间距离,将前支点即3号支点置于中压压气机之后,形成0 1 1支承方案。

2.2 承力框架

RB199采用了3个承力框架,即风扇与中压压气机间承力框架、中压压气机与高压压气机间承力框架及中压涡轮与低压涡轮间承力框架。

图3 、RB199中、低压涡轮间承力框架

2.2.1 风扇与中压压气机承力框架

风扇与中压压气机承力框架如图4所示,是通过风扇第3级导向叶片传力的,导向叶片外缘焊在风扇出口机匣上,安装1号、2号轴承的轴承座焊在承力辐板内缘上,承力辐板外缘则焊在导向叶片内缘上,组成了一个焊接的承力框架。

图4、风扇与中压压气机间承力框架

2.2.2 中压压气机与高压压气机间的承力框架

中压压气机与高压压气机间的承力框架如图5所示,是铸造的中介机匣与焊接的轴承机匣、内涵通道组合的承力构件。内涵通道壳体由板料的外环、内环及介于内外环间的叶型支板焊接成一体,借外环后安装边用螺栓固定于铸造的中介机匣上,内外环前端则插入中压压气机出口导向叶片环中,轴承机匣焊在内涵通道壳体内环上。

中高压压气机间中介机匣为发动机主承力件,发动机主安装节、附件传动机匣等均装在此机匣上。

2.2.3 中压涡轮与低压涡轮间承力框架

中压涡轮与低压涡轮间承力框架(如图3所示)的承力支座支板由低压涡轮1级空心导向叶片中穿过,有冷却空气对其冷却,导向叶片允许在轴向、径向与周向自由膨胀。这是典型的将受力件与受热件(与高温燃气接触)分开的结构。

由于导向叶片中要穿过传力的承力支座支板,导向叶片只得做得较厚与较长,不仅对低压涡轮气动效率有影响,而且也使发动机长度有所增加,在新型发动机中已很少采用这种承力框架;

但在三转子发动机中,由于结构复杂,非得采用1个涡轮级间承力框架，RB211采用的是高、中压涡轮级间承力框架。

图5、中压与高压压气机间承力框架

2.3 联轴器

2.3.1 低压转子联轴器

低压转子为3支点支承方案,采用了柔性的套齿式联轴器。低压涡轮轴通过前端的外套齿(花键)与风扇后轴的内套齿相啮合,啮合间隙较大,允许低压涡轮轴与风扇轴有一定的不同心度,成为柔性联轴器。

2.3.2 中压转子联轴器

中压转子为2支点支承方案,采用了刚性的套齿联轴器,与低压转子联轴器不同的

是套齿啮合处前端有1定位面,如图6所示 图6 RB199中压压气机及中央附件传动装置(一般是在套齿啮合处前、后端均有定位

面)。

2.3.3 高压转子联轴器

图7 、RB199高压压气机结构图

高压转子采用了圆弧端齿联轴器,高压涡轮轴前端的圆弧端齿与高压压气机后轴的圆弧端齿相啮合,然后用带自锁螺母的螺栓将两者固定,如图7所示。

圆弧端齿联轴器在欧洲的发动机公司研制的发动机中采用较多,相互啮合的两齿,—个齿面做成凸出的,另一个齿面做成凹面,啮合的齿面做成圆弧形(见图8),齿面是由专门的格里森齿轮磨床磨出的。

圆弧端齿联轴器具有传递扭矩大,能自动定心(特别是在高温下的热定心),拆装容易,特别适合在单元体结构中采用。

图8、RB199高压转子用圆弧端齿联轴器

在发动机装配中,主轴上的滚珠轴承较难装拆。罗·罗公司研制的发动机包括 RB199均将滚珠轴承装在单独的短轴上,短轴再用圆弧端齿联轴器与主轴连接;

在分解发动机时,只要将圆弧端齿联轴器的螺栓拧下,压气机或涡轮转子即与滚珠轴承脱离,压气机或涡轮转子可由机匣中取出,而装在短轴上的滚珠轴承与短轴留在机匣中,最后再将装滚珠轴承的轴承座从机匣上卸下,使滚珠轴承的装拆变得容易。

RB199的3个转子中,每个转子均有1个滚珠轴承,因此有3个圆弧端齿联轴器,再加上高压涡轮与高压压气机转子间的联轴器,因此,RB199共采用了4个圆弧端齿联轴器。

由图6中可见中压转子的滚珠轴承是装在中压压气机后轴后的短轴上的;如图7所示高压转子的滚珠轴承是装在高压压气机前轴前的前短轴上的。

图9、RB199低压涡轮转子与装滚珠轴承的前短轴的连接结构

图9示出低压涡轮转子的结构图,装滚珠轴承的短轴用圆弧端齿联轴器装在低压涡轮轴上。