宝石发动机

　　宝石 (Gem,RS360) “宝石”涡轮轴发动机 牌 号 “宝石” 用 途 军用涡轴发动机 国 家 英国 厂 商 罗尔斯罗伊斯公司 生产现状 批生产 装机对象 “宝石”2 “山猫”。 “宝石”41 “山猫”和W30。 “宝石”42 “山猫”。 “宝石”60 “山猫”和W30。 “宝石

　　宝石

　　(Gem,RS360)


　　“宝石”涡轮轴发动机

　　牌　　号　“宝石”

　　用　　途　军用涡轴发动机

　　国　　家　英国

　　厂　　商　罗尔斯罗伊斯公司

　　生产现状　批生产

　　装机对象　“宝石”2　　 “山猫”。

　　“宝石”41　　“山猫”和W30。

　　“宝石”42　　“山猫”。

　　“宝石”60　　“山猫”和W30。

　　“宝石”1004 　A129。

　　研制情况　　“宝石”发动机是英国原布里斯托尔西德利公司研制的双转子涡轮轴发动机。在罗尔斯罗伊斯公司吞并布里斯托尔西德利公司之前，英、法签订协议时命名为RS.360。1968年1月开始研制。1969年7月燃气发生器首次运转。1970年9月验证机首次运转，1971年3月装在“山猫”直升机上首次飞行。1973年1月生产型发动机开始作150h耐久试验，1976年10月“宝石”41生产型发动机开始交付。1979年12月“宝石”41获英国民用航空局(BCAA)适航证。1981年5月首批“宝石”41交付使用。1982年2月“宝石”60首次运转。1982年11月“宝石”60开始交付，1983年11月获英国民用航空管理局适航证。

　　“宝石”发动机开始是针对“山猫”中型多用途军用直升机的需要发展的，1980年又用于民用运输直升机。在“山猫”直升机设计时，本来有现成的美国涡轮发动机可供选用。但英、法两国政府为保护自身利益，确定由布里斯托尔西德利公司研制一种新发动机，并负责大部分工作，法国透博梅卡公司承担25%的工作量。

　　“宝石”发动机的研制和工装费当时约2000万英镑(4696.2万美元)。

　　“宝石”发动机的设计强调在多发应用条件下安全、可靠、维护方便、耗油率低。为了避免发动机重量大、结构复杂和技术上的风险，选用了保守的应力和热负荷，采用了成熟的设计和制造技术，吸取了许多种发动机经验。如达特发动机的长寿命涡轮导向器叶片的设计；诺姆和宁巴斯的防盐水腐蚀的经验；苔茵的双转子燃气发生器的设计技术以及齿轮的强度设计经验；威派尔的蒸发式喷嘴；T.112的回流式燃烧室；宁巴斯的防尘沙装置和相位测扭计。

　　“宝石”发动机共分7个单元体。各单元体装拆和更换时间长短不等，复杂的需要22人时，简单的只需0.5人时。更换旋转件不需要重新平衡，也不需要进行调整运转，因而节省时间和燃油，也提高了有效利用率。

　　压气机和涡轮机匣采用了双层结构，以加强刚性和对叶片的包容作用。内机匣不承力并采用松孔镀铝结构。外机匣承受轴向和径向力并将力传递给飞机。在内外机匣之间引入少量热燃气对叶尖间隙进行控制，以便使间隙在各种工作状态都保持最小，从而提高压气机效率。

　　挤压油膜轴承的采用使减振效率达60%。挤压油膜厚度为0.102～0.152mm，供油压力为345～414kPa。减振效果好。还采用了大量的状态监控设备：如监控磁性材料转动部件的磁堵；监视非磁性材料转动部件工作状态的光谱仪；检查叶片、燃烧室和转子有无裂纹和损伤的孔探仪；监控发动机振动状况的测振仪和监视总性能水平的扭矩仪。

　　“宝石”发动机由于采用了上述新技术和新设备，各部件各单元体翻修寿命迅速提高，目前，主减速器和附件传动齿轮传动装置已实现视情维护。进气装置、低压压气机、高压转子、燃烧室和低压涡轮的翻修寿命已达到1000h，自由涡轮已达到1200h。今后，经过努力发动机热端部件的最低翻修寿命将可达2000h，冷端部件的翻修寿命可达4000h。

　　“宝石”发动机工作泼辣，能经受猛烈操作，有较大的喘振裕度。空中起动可靠。

　　“宝石”发动机投入使用之前进行了大量的试验。包括结构完整性试验、吸入试验、飞行试验、关键转动部件和结构的疲劳试验，总运转时数超过40000h，使用了50台发动机作试验研究。为了满足军民用直升机市场日益扩大的需要，罗罗公司在“宝石”2的基础上发展的各型别如下：

　　“宝石”Mk1001　“宝石”系列的第一种生产型发动机。

　　“宝石”2　“宝石”Mk1001的出口型，性能和尺寸与Mk1001相同。该发动机与其他宝石发动机的差别是用直接传动单元体代替与自由涡轮转速输出匹配的减速齿轮箱。1979年12月取得适航证。

　　RR1004　“宝石”2的改型，为意大利的A129直升机发展的，并在意大利按专利许可证进行生产。1986年研制成功。

　　“宝石”41系　包括军用型和民用型两种。Mk2010为军用型，其中包括“宝石”41-1和“宝石”41-2两个型别。“宝石”41的民用型有“宝石”Mk1014和“宝石”Mk510。军用型和民用型的性能和尺寸皆相同。“宝石”41系是在“宝石”2的基础上发展的较大功率型。与“宝石”2相比，其内部结构有许多变化：改进了游星齿轮的润滑系统；空气流量从3.13kg/s增加到3.56kg/s；重新调整了第1、2级低压压气机叶片的扭转角度；第1级高压涡轮叶片采用定向凝固叶片，使涡轮进口温度提高到1148℃，第2级高压涡轮材料也作了更改，并采用包容环，“宝石”41系于1975年4月首次运转，1978年7月定型试验，1979年8月首批生产型发动机交付，1979年12月获得英国民用航空管理局许可证。1981年12月获得美联邦航空局许可证。

　　“宝石”42系列　是“宝石”2和“宝石”41的改型。其功率与“宝石”41的相同，提高了可靠性和性能保持能力。1986年取得适航证。

　　“宝石”43　是“宝石”41的改型，也称“宝石”43-1。其主要改进是采用数字式电子控制系统代替机械液压系统。此外，取消了中间级的放气活门，并降低了生产成本。1983年交付使用。

　　“宝石”60　“宝石”41的加大功率型。其主要改进有：采用新的燃油总管和新的低压压气机；提高压气机效率；空气流量比“宝石”41/43增加16.5%；采用汉密尔顿标准公司的全数字式控制系统。1983年取得合格证。

　　“宝石”Mk530/Mk531　“宝石”60的民用型，性能和尺寸与“宝石”60的相同。

　　目前“宝石”发动机为12个国家、13个军队用户的直升机提供动力。最新型的“宝石”-42于2000年应用在德国海军的山猫MK88A直升机上。截止2003年已经生产了1100多台发动机。在27年的服役期内，总累积300多万飞行小时。


　　“宝石”涡轮轴发动机结构

　　结构和系统

　　(“宝石”2)

　　进气装置　环形。整体式机匣。减速器装在进气锥内。无进口导流叶片。采用压气机热空气防冰。设有粒子分离器，外机匣上装有附件和安装节。

　　减 速 器　减速比0.2222，输入转速27000r/min，输出转速6000r/min。采用游星人字齿轮。人字齿轮是由两个斜齿轮用电子束焊接而成，工作平稳、振动小，轴向力互相抵消。由太阳轮输入，经固定整体式游星架输出。3个游星齿轮用滑动轴承支承，轴颈采用巴氏合金铸造而成。

　　低压压气机　4级轴流式。整体机匣。转子安装在低压涡轮的中传动轴前端。第1级为跨音速，进口M数叶尖为1.15，叶根处为0.8～0.85，其余3级为亚音速。4级转子叶片均为In718合金。转子为钛合金电子束焊接的盘鼓结构。平均级压比为1.375，效率为0.865。在起动和低转速时可保证15～20%的喘振裕度。“宝石”41第1级和第2级压气机叶片的扭转角重新调整，使空气流量增加，提高了功率。

　　高压压气机　1级离心式。整体机匣。带19片叶片的离心叶轮安装在高压涡轮轴上。转速为40000r/min。工作轮和导风轮组成一体。叶轮轮缘处气流速度为音速。效率为0.807。叶轮用高强度耐热合金锻制，由数控机床加工而成。

　　燃 烧 室　回流环形燃烧室。17个“L”型气动喷嘴。对碳氢燃料最高燃烧温度可达2000～2200℃，但火焰筒壁温不超过600～90℃。使用各种代用燃料对性能和可靠性均无影响。火焰筒材料为Stellite C263合金材料。

　　高压涡轮　单级轴流式。气冷式导向器叶片。驱动高压压气机转子。高压涡轮叶片不带冠，枞树形榫头，用渗铝MAR246耐热合金铸造而成。涡轮盘用Ince 718合金。气冷导向器叶片材料为渗铝C242合金。涡轮膨胀比为2.831，效率为0.855。“宝石”41第1级高压涡轮叶片采用定向凝固叶片，此外，第2级高压涡轮材料也作了更改，并采用包容环。

　　低压涡轮　单级轴流式。带冠转子叶片。冠上有封严齿以减少漏气损失。枞树形榫头，采用渗铝MAR-M-246合金材料。轮盘是用Nimonic 90高温合金锻造的。膨胀比为1.74，效率为0.875。

　　自由涡轮　2级轴流式。装在减速器内轴的后端。转子叶片带冠，采用Stellite合金钢。各级导向器叶片用CROWN合金。盘用Nimonic 90合金钢。

　　排气装置　固定面积喷管。4个径向支板支撑内锥体。用不锈钢18/8铸造而成。

　　控制系统　“宝石”2系列和“宝石”41系列都采用机械液压控制系统。“宝石”43/60都采用全权数字式电子控制系统。

　　燃油系统　采用普莱赛公司FS200燃油系统。燃油泵的供油压力为4118kPa使用JP-4、JP-5和Jet A-1燃油。

　　滑油系统　自给式滑油系统。1级增压泵(只有1个)，3级回油泵(每级2个)。在回油路上装有6个磁性铁屑检查堵头监视磁性旋转部件的磨损情况，并装有应急报警指示红灯。

　　起动系统　航空设备公司84534-003起动发电机。

　　点火系统　用罗塔克斯公司NB10001高能点火系统。2个高能电嘴，能量为2焦尔。4个火炬式汽化器。可在-54℃的温度点火。

　　技术数据

　　“宝石”发动机各状态的功率

　　状 态

　　型 别

　　一台发动机不工作

　　两台发动机正常工作

　　应 急

　　20s

　　(kW)

　　应 急

　　2.5 min

　　(kW)

　　应 急

　　60 min

　　(kW)

　　最大起飞

　　30 min

　　(kW)

　　最大起飞

　　5 min

　　(kW)

　　最大连续

　　(kW)

　　“宝石”2, Mk1001

　　“宝石”2-3

　　“宝石”41-1, Mk1014

　　“宝石”42, Mk1017

　　“宝石”60-3/1, Mk530

　　“宝石”60-3/3, Mk531

　　RR1004

　　-

　　772

　　-

　　-

　　-

　　-

　　759

　　671

　　716

　　835

　　835

　　897

　　897

　　704

　　619

　　667

　　791

　　791

　　844

　　844

　　657

　　-

　　667

　　-

　　-

　　-

　　-

　　657

　　619

　　-

　　746

　　746

　　844

　　822

　　-

　　559

　　604

　　664

　　664

　　822

　　822

　　615

　　起飞耗油率[kg/(kWh)]

　　“宝石”2，Mk1001　　　　　0.322

　　“宝石”41，Mk51D　　　　　0.295

　　“宝石”60　　　　　　　　 0.371

　　功重比(5min起飞状态，kW/daN)

　　“宝石”2，Mk1001　　　　　4.6

　　“宝石”2-3　　　　　　　　5.2

　　“宝石”41，42　　　　　　 5.5

　　“宝石”60　　　　　　　　 5.9

　　空气流量(kg/s)

　　“宝石”2，Mk1001　　　　　3.1

　　“宝石”41　　　　　　　　 3.6

　　“宝石”60　　　　　　　　 4.2

　　总增压比

　　“宝石”2，Mk1001　　　　　12

　　“宝石”41，Mk510　　　　　12

　　涡轮进口温度(℃)

　　“宝石”2，Mk1001　　　　　968

　　“宝石”41　　　　　　　　 1148

　　长度(mm)　　　　　　　　　　　 1099

　　宽度(mm)　　　　　　　　　　　 575

　　高度(mm)　　　　　　　　　　　 596

　　质量(kg)

　　“宝石”2，Mk1001　　　　　150

　　“宝石”41，Mk510　　　　　156

　　“宝石”2-3　　　　　　　　140

　　“宝石”60　　　　　　　　 155