勞斯萊斯RB211
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| RB211 | |
|---|---|
 勞斯萊斯RB211-22C型涡轮风扇发动机 | |
| 概况 | |
| 类型 | 涡轮风扇发动机 |
| 原产国 | 英國 |
| 制造商 | 勞斯萊斯 |
| 使用机种 | L-1011 波音747 波音757 波音767 Tu-204 |
| 历史 | |
| 首次运转 | 1969年 |
| 发展为 | 勞斯萊斯遄达 |
勞斯萊斯RB211（Rolls-Royce RB211）是一個由勞斯萊斯生产、推力介于37,400至60,600磅（166-270千牛頓）之间的高涵道比渦輪扇發動機家族。
最初发展的目的是用作洛克希德L-1011（三星飞机）的动力装置，从1972年开始随着三星飞机的投入使用而开始服务，并且是该型飞机唯一的动力来源。研究RB211所花去的巨额资金使得勞斯萊斯有限公司在1971年破產，而之后被英国政府國有化使得公司能够生存下来。
1970年代初，勞斯萊斯認為以RB211為基礎萌芽的三轉子渦輪噴射發動機可以有50年的發展潛能，[1][2]1989年，RB.211-524L發動機被更名為遄达（Trent）。從1990年代後，RB211設計概念的继承者遄达系列发动机（Trent）繼承RB211的遺產並取代RB211成為勞斯萊斯三轉子渦輪扇發動機的象徵，成為了業界最領先的發動機之一。
历史
[编辑]背景
[编辑]在1966年，美國航空宣布它们需要一款有效座位里程成本（Cost per Available Seat Mile）更低的新型双发中短程客机。而飞机制造商们希望能再有至少一家航空公司赞同这种主意，他们才进行开发。恰好美国东方航空对此也有兴趣，不过他们希望这种新飞机拥有更长的航程，而在那个时代，对于这种长航程客机的必须使用三發動機符合安全航空法規需求。其他航空公司也还是对三发的客机感兴趣。洛克希德和麦克唐纳-道格拉斯公司各自推出了自己的新型飞机：L-1011三星飞机和DC-10。这两款飞机都是300座级三发宽体双通道，能横跨美洲大陆的中远程客机。
这些新型飞机都需要新发动机。而这个时期发动机技术取得了极大的进步，即从低涵道改为高涵道。这使得发动机可以提供更大的推力，并且更加省油，更加安静。
1960年代的英國航空業仍然有發展新客機的需求與資本，1964至1967年間，霍克希德利研究英國歐洲航空提出的需求時，提出了160人座的HS.132與185人座的HS.134構型，兩款機型將預計較現役噴射民航機有效座位里程成本降低25-30%，為此霍克希德利需要勞斯萊斯提供的新發動機，這款發動機名稱為RB.178，推力30,000磅級（130仟牛頓）。RB.178發展始於1961年7月，由勞斯萊斯工程師亞德里安·隆巴德（Adrian Lombard）執掌計劃，初期名稱為「超級康威」，研發成本使用了260萬英鎊，該計劃初期是以勞斯萊斯康威發動機為基礎升級架構，讓康威發動機成為雙轉子傳動軸、發動機旁通比達1：6的高旁通比渦輪扇發動機，取代當時服役中的勞斯萊斯康威發動機。
1963年末，RB.178得到英國政府提供資金打造原型驗證機。1966年7月，RB.178發動機進行地面試俥，雖然在性能表現上達成目標，但是在進入實機測試時英國人卻發現未來無法找到適配機型，國產飛機中三叉戟飞机並不打算更換發動機，維克斯VC10因為缺乏額外訂單也只能放棄後續升級計劃。此外勞斯萊斯在開發RB.178初期曾寄望美國的波音747接受選配此款引擎，但波音最後拒絕。在1966年波音拒絕RB.178後，該專案被迫叫停。
1966年9月，勞斯萊斯宣布將啟動先進發動機系列計劃（ATE），打造推力10,000磅級（44仟牛頓）的RB.203與最大推力60,000磅級（270仟牛頓）的RB.207。為了滿足性能，ATE系列發動機將使用三轉子傳動軸、環形燃燒室、一體化結構發動機等。RB.203是用来取代斯贝发动机。在1967年，洛克希德對外發布三星式客機之前已經確定選用勞斯萊斯的三轉子發動機，代號RB.211。英國航空部在1967年7月28日提供勞斯萊斯ATE系列中的RB.207與RB.211研發啟動資金。其中，RB.207是為了歐洲第一款寬體客機空中客车A300所打造，它的技術由RB.178繼續研製，為了A300而配備的RB.207推力47,500磅（211仟牛頓）。然而英國政府在1969年4月16日退出多國協作的空中巴士合作案，使得勞斯萊斯發動機進軍空中客车A300項目的夢想破滅，空中巴士與史奈克碼最後決定投資在通用电气CF6合作生產案，勞斯萊斯的民航發動機項目至1960年代後期僅剩RB.211仍然繼續下去。
從1960年代中期RB.178項目之後，勞斯萊斯對於航空噴射發動機未來的發想進行研究，在1965年，勞斯萊斯團隊相信三轉子傳動軸發動機是發動機的未來，工程師認為這是在恆定轉速下降低油耗最簡單、成本最低的方案。三轉子傳動軸的結構是將三組不同轉速的驅動軸以同心圓方式包覆在發動機主傳動軸中，驅動三组不同轉速的压气机，這讓發動機工程師可以設定三組應對不同工作環境需求的壓縮渦輪轉速，讓不同壓力階段區間的壓縮機在最佳轉速階段下運作，可以降低壓縮機段數需求，讓發動機整體結構更緊湊堅固。但是這款發動機的挑戰也很直觀，便是成功打造出三轉子傳動軸結構，並且維護發動機難度也會增加。
在1967年，勞斯萊斯向洛克希德提出的開發期程是在1970年12月底完成測試認證，每具發動機造價511,000美元。[3]
设计完成
[编辑]在1967年6月23日，勞斯萊斯向洛克希德公司提供了为L-1011三星飞机设计的RB211-06型发动机的设计。这种新发动机可以提供33260磅（147.9千牛）的额定推力，并且使用了很多发动机的新技术：源自RB207的可以提供大功率的高涵道比设计，以及源自RB203的三转子设计。[4]除此之外，也有一些全新的技术。风扇就是使用全新的，被称作“海菲尔（hyfil）”碳纤维复合材料制成。这样的节省的重量和全用金属制成的风扇相当，从而增大了发动机的推重比，这是一个很大的优势。勞斯萊斯公司承诺在1971年将RB211投入使用，尽管他们知道要在这么短的时间内增添这么多新技术是一项挑战。[5]
洛克希德公司认为这种新发动机的使用会让L-1011与DC-10相比具有很大的优势。然而，麦道公司在1967年10月也同样收到了勞斯萊斯请求让DC-10装上推力为34000磅（157千牛）的RB211-10型发动机的建议。紧随其后的就是一场场激烈的谈判，既在飞机制造商洛克希德公司和麦道公司之间，也在发动机提供方勞斯萊斯、GE和普惠之间，还在美国的各大航空公司之间。在这期间，价格越谈越低，推力越报越高。在1968年年初的时候，勞斯萊斯能提供推力40600磅（181千牛）的RB211-18。而最后1968年3月29日，在收到94架L-1011订单之后，洛克希德公司决定选用勞斯萊斯公司的RB211-22发动机，并订购了150对。[5][6]
开发和测试
[编辑]RB211的复杂使得它的开发和测试耗时很长。雖然RB211早於1969年已裝上維克斯VC-10試飛平台並進行試飛，但在同年秋天，在努力满足性能要求的情况下，勞斯萊斯不得不承认，发动机推力不足，并且超重，而且油耗过高。这种情况还在进一步恶化。1970年5月，在对海菲尔制成的风扇进行的测试中，没有通过鸟击测试[7]。幸好勞斯萊斯为了研究了一种钛叶片，作为海菲力的替代品。不过这意味着额外的成本和更大的重量。这也带来了技术上的问题。人们发现这些钛坯料只有一面的质量满足风扇叶片的制造要求。[8]
到了1970年9月，勞斯萊斯向英国政府报告，RB211的开发已经花掉1.703亿英镑——几乎是原计划的两倍。此外，RB211的制造成本预估已经超过230375英镑[5]该项目正在进入危机。 [9]
破产和低迷
[编辑]在1971年1月，勞斯萊斯已经资不抵债。由於當時勞斯萊斯底下軍用發動機部門正執行著為龍捲風攻擊機RB199渦輪扇發動機研發任務，該機型的戰略重要性不容許英國政府作視勞斯萊斯陷入危機，因此即便是政策偏向小政府導向的保守黨爱德华·希思政府內閣，仍然在1971年2月4日決定採取國家介入解決勞斯萊斯債務問題，並將公司國有化確保完成RB211研發。雖然開發得以延續，但延宕的工程進度影響到了洛克希德公司。
由於當時的洛克希德公司財務狀況並不寬裕，延宕的工程進度導致L-1011客機必須延遲交機，違約損失可能會導致洛克希德也被捲入破產，與勞斯萊斯的生死坐在同一條船上的洛克希德請求英國政府協助游說美國政府出面提供洛克希德公司借貸，保障L-1011客機可以成功產出，這也可以保證RB211不會失去市場。儘管美國國內有一些反对的声音[10]，美国政府仍出面提供洛克希德公司貸款。
1971年5月，由英國政府出資成立一間被称叫作“勞斯萊斯有限公司”（Rolls-Royce (1971) Ltd）的新公司，這些新公司收購的原勞斯萊斯公司的債務與資產，并且和洛克希德签订了一份新合同。新合約取消了RB211延遲交機的違約金，並且讓每顆發動機的採購單價提高11萬英鎊。
被任命来抢救勞斯萊斯的董事会新主席，肯尼斯·基思，说服斯坦雷·胡克[11]出任勞斯萊斯公司的技術總監，拯救RB211計劃。胡克又勸說幾位退休的資深勞斯萊斯引擎工程師歸隊組團解決RB-211-22發動機的問題，這批工程師較廣受人知者包括梅林發動機之父西里爾·羅弗西（Cyril Lovesey）與噴射發動機先驅亞瑟·魯布拉（Arthur Rubbra）。在比原计划延迟了大约一年的1972年4月14日，发动机取得了型号合格证。[12]在当月26日，美国东方航空第一架L-1011投入商业运营。挽救了勞斯萊斯的胡克在1974年被授予了爵士（Sir）爵位。胡克團隊的工作重點是確保RB211的運轉功率合乎需求，因此初期版本的RB211在妥善可靠率上不如原先預期，初期交付給洛克希德的版本為RB211-22C，比後續交貨的RB211-22B表現更差；但是在勞斯萊斯工程團隊持續的改進下，發動機的推進性能與可靠度都顯著提升。
儘管RB211成功問世，但由于L-1011銷量低迷，選用搭载RB211的波音747销量有限，因此勞斯萊斯在1970年代的航空發動機市占率低迷不振。
挽救与接替
[编辑]1980年，波音757正式宣布将默认搭载RB211（搭载普惠PW2000的版本于后来才发布）。而搭载RB211的757最终卖出的733架（而搭载PW2000的757仅卖出316架）。这一大卖最终拯救了RB211项目，劳斯莱斯也迎来了自1971年后首次盈利。
1989年，随着普惠PW4000系列发布，设计已经逐渐老旧的RB211已经无法再适应市场趋势。为此劳斯莱斯正式宣布放弃RB211计划，转而发展效率更高的Trent系列。
RB211-524系列
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虽然RB211最初是为L-1011-1设计的，但是勞斯萊斯知道，它还有进一步开发以获取更大推力的潜力。通过对风扇叶片叶型和中压压气机进口环的修改，胡克的团队使得的新发动机的推力提高到50000磅（220千牛）。这种新型号被命名为RB211-524，它可以为新型L-1011以及波音747提供动力。
勞斯萊斯在60年代的时候试着让RB211卖给波音，不过失败了。但是新型的-524系列在性能和效率上有了显著提高，超过了波音747原来的动力装置普惠JT9D。在1973年10月波音同意将RB211-524装在747-200上，而英国航空订购了首架并在1977年交付使用。勞斯萊斯继续改进-524，将它的推力提高到51500磅（229千牛），是为-524C。在1981年又将推力提高到了53000磅（240千牛），是为-524D。著名的航空公司，诸如澳洲航空、國泰航空、盧森堡貨運航空、南非航空、新西蘭航空都是-524系列的顾客。当波音开始更大型的747-400计划时，对推力又有了更大的要求，勞斯萊斯推出 了推力为58000磅（260千牛）的-524G，以及推力为60600（270千牛）的-524H，这些都是最早装上全权限数字电子控制器（FADEC）[13]。-524H也是波音767的三种可选发动机之一。第一架装有-524H的767客户是英国航空，在1990年2月投入运营。
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后来，勞斯萊斯发展下一代的遄达发动机时发现，遄达700先进的高压系统（高压压气机和高压涡轮）安装在-524G和-524H上非常合适，不但降低了发动机重量，而且有节能减排的功效。[14] 这就分别诞生了两种新型号：-524G-T和-524H-T。也可以对现有的-524G/H发动机进行升级。[15]
随着-524系列的发展，它的可靠性日益增加。[16] 在1993年，767和-524H的组合通过了ETOPS-180分钟认证。
RB211-524L系列
[编辑]RB211-524L系列发动机於1988年6月起研發。後來，此系列冠名為「劳斯莱斯遄达」，並於1990年首次運轉，為RB211的後續型號。
RB211-535系列
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在20世纪70年代中期，波音着手设计取代非常成功的727系列的新型双发飞机。这个级别的客机提供150到200个座位。勞斯萊斯认识到，将RB211减小风扇直径并且去掉第一级中压压气机，能提供37400磅（166千牛）推力的新型号对此非常适合。这种新型号就是RB211-535系列。在1978年8月31日，美国东方航空和英国航空宣布订购采用RB211-535C发动机的新波音757飞机。他们在1983年一月投入服务，这是勞斯萊斯第一次为波音的飞机提供发动机。
然而在1979年，普惠推出了PW2000系列发动机，声称其中的PW2037型比-535C型的燃油效率提高了8％。于是波音向勞斯萊斯施加压力，要求为757提供一种更具竞争力的发动机，并且使用更加先进的-534系列的核心机作为基础。这种新型号发动机RB211-535E4能提供40100磅（178千牛）的推力，在1984年10月投入服务。这依然没有PW2037的效率高，不过它更可靠和安静。这也是第一种使用空心宽弦风扇的发动机，这是一种可以提高效率、较少噪音，并对异物的伤害提供保护的新设计。事实上，这种新技术之前已经使用在部分-535C上。
最为重要的-535E型发动机的订单可能是1988年美国航空订购的50架安装-535E4的757。让美国航空选择-535E4的一个很重要的原因就是它的噪音低。这是勞斯萊斯在三星飞机项目之后，从美国的航空公司那儿得到的最有意义的订单，因为他导致随后-535E4发动机在757飞机的市场上取得了主导权。一则刊登在《Air International》上的段子说，美国航空是先选择了-535E4，后选择了波音757。不过这对于勞斯萊斯和波音来说都是个好消息。
在安装在757上之后，-535E4又在1992年安装在了俄罗斯图波列夫图-204-120上。这是俄制飞机第一次使用西方发动机[17]。-535E4也作为一种波音公司的B-52H替代发动机，可以用四台取代八台TF33（JT3D的军用版），但相關方案最後未有實踐。对于-535E4进一步的升级是在90年代，用遄达700的技术提升了它的排气性能。[18]
-535E4是一种可靠性非常高的发动机。[19] 在1990年，757和-535E4的组合通过了ETOPS-180分钟认证。
工业用RB211
[编辑]当勞斯萊斯在开发-22系列的时候，就意识到它可以发展成一种燃氣渦輪發動機，并在1974年开始了工业用RB211项目。当-524系列开发完成不久，它上面的新技术又被用来改进这种燃气轮机，是为RB211-24。这种发电机在随后几年继续发展，[20]而今天，它已经可以提供25.2-32兆瓦功率的电力[21] 。这一系列的许多衍生型号也被用在石油天然气行业。[22]
轮船用WR-21
[编辑]由其发展来的，25兆瓦级的WR-21是一种船用间冷回热（ICR）燃气轮机[23]。
规格
[编辑]RB211家族诞生了以下三个系列的发动机：
RB211-22系列
[编辑]- 三转子
- 5.0的高涵道比
- 单级宽弦风扇
- 七级中压压气机
- 六级高压压气机
- 18喷嘴的单环形燃烧室
- 单级高压涡轮
- 单级中压涡轮
- 三级低压涡轮
RB211-524系列
[编辑]- 三转子
- 4.1 - 4.3的高涵道比
- 单级宽弦风扇
- 七级中压压气机
- 六级高压压气机
- 18（G/H-T是24）喷嘴的单环形燃烧室
- 单级高压涡轮
- 单级中压涡轮
- 三级低压涡轮
RB211-535系列
[编辑]- 三转子
- 4.3-4.4的高涵道比
- 单级宽弦风扇
- 六级中压压气机
- 六级高压压气机
- 18（新版本E4是24）喷嘴的单环形燃烧室
- 单级高压涡轮
- 单级中压涡轮
- 三级低压涡轮
-535E4不但使用了新型中压压气机，而且率先使用了宽弦无凸肩（凸台）空心叶片，这使得风扇气动效率有所提高，并降低了生产成本。[24]除此之外，它也使用了许多新材料，比如使用在高压压气机和风扇上的钛合金，使用在发动机短舱上的碳纤维复合材料。而其后的发动机又配备了一些来自-524系列的新功能，比如FADEC。
主要性能参数
[编辑]| 型号 | 静止推力 | 基本重量 | 长度 | 风扇直径 | 开始使用年 | 使用机种 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| RB211-22B | 42,000 lbf（190 kN） | 9,195磅（4,171公斤） | 119.4英寸（303 cm） | 84.8英寸（215 cm） | 1972 | 洛克希德L-1011-1, 洛克希德L-1011-100 |
| RB211-524B2 | 50,000 lbf（220 kN） | 9,814磅（4,452公斤） | 119.4英寸（303 cm） | 84.8英寸（215 cm） | 1977 | 波音747-100, 波音747-200, 波音747SP |
| RB211-524B4 | 50,000 lbf（220 kN） [26] | 9,814磅（4,452公斤） | 122.3英寸（311 cm） | 85.8英寸（218 cm） | 1981 | 洛克希德L-1011-250, 洛克希德L-1011-500 |
| RB211-524C2 | 51,500 lbf（229 kN） | 9,859磅（4,472公斤） | 119.4英寸（303 cm） | 84.8英寸（215 cm） | 1980 | 波音747-200, 波音747SP |
| RB211-524D4 | 53,000 lbf（240 kN） | 9,874磅（4,479公斤） | 122.3英寸（311 cm） | 85.8英寸（218 cm） | 1981 | 波音747-200, 波音747-300, 波音747SP |
| RB211-524D4-B | 53,000 lbf（240 kN） | 9,874磅（4,479公斤） | 122.3英寸（311 cm） | 85.8英寸（218 cm） | 1981 | 波音747-200, 波音747-300, |
| RB211-524G | 58,000 lbf（260 kN） | 9,670磅（4,390公斤） | 125英寸（320 cm） | 86.3英寸（219 cm） | 1989 | 波音747-400 |
| RB211-524H | 60,600 lbf（270 kN） | 9,670磅（4,390公斤） | 125英寸（320 cm） | 86.3英寸（219 cm） | 1990 | 波音747-400, 波音767-300 |
| RB211-524G-T | 58,000 lbf（260 kN） | 9,470磅（4,300公斤） | 125英寸（320 cm） | 86.3英寸（219 cm） | 1998 | 波音747-400, 波音747-400F |
| RB211-524H-T | 60,600 lbf（270 kN） | 9,470磅（4,300公斤） | 125英寸（320 cm） | 86.3英寸（219 cm） | 1998 | 波音747-400, 波音747-400F, 波音767-300 |
| RB211-535C | 37,400 lbf（166 kN） | 7,294磅（3,309公斤） | 118.5英寸（301 cm） | 73.2英寸（186 cm） | 1983 | 波音757-200 |
| RB211-535E4 | 40,100 lbf（178 kN） | 7,264磅（3,295公斤） | 117.9英寸（299 cm） | 74.1英寸（188 cm） | 1984 | 波音757-200, 波音757-300, Tupolev Tu-204 |
| RB211-535E4B | 43,100 lbf（192 kN） | 7,264磅（3,295公斤） | 117.9英寸（299 cm） | 74.1英寸（188 cm） | 1989 | 波音757-200, 波音757-300, 图波列夫Tu-204 |
參見
[编辑]参考
[编辑]- 注释
- ^ How to Build a Jet Engine (Television production). BBC. 2010.
- ^ William Lazonick and Andrea Prencipe, "Dynamic Capabilities and Sustained Innovation: Strategic Control and Financial Commitment at Rolls-Royce plc," Industrial and Corporate Change, 14, 3, 2005: 1–42.
- ^ 1967 | 2159 | Flight Archive. Flightglobal.com (9 November 1967). Retrieved on 16 August 2013.
- ^ Rolls-Royce. Three Shaft Engine Design. [2007-01-07]. （原始内容存档于2006-10-16）.
- ^ 5.0 5.1 5.2 Pugh, Peter. The Magic of a Name. Icon Books. 2001. ISBN 1840462841.
- ^ 麦道公司的DC-10和它的启动客户美國航空和聯合航空最终选择了GE的CF6，而普惠公司的JT9D安装在之后的改进型上。
- ^ FAA要求的一项测试，用高速运动的鸡撞击风扇叶片来模拟飞行时鸟进入发动机
- ^ Hooker, 1985.
- ^ Red Ink at Rolls-Royce. 時代雜誌. November 23, 1970 [2007-01-06]. （原始内容存档于2013-08-22）.
- ^ New Life for TriStar. 時代雜誌. May 17, 1971 [2007-01-06]. （原始内容存档于2011-12-20）.
- ^ 当时已退休的勞斯萊斯发动机工程师
- ^ Type Certificate Data Sheet A23WE, Revision 18 (PDF). FAA. 25 October 2001 [2007-01-14]. （原始内容 (PDF)存档于2008-03-09）.
- ^ 稍后也装在了GE和普惠的发动机上
- ^ Rolls-Royce standardises on hybrid RB211 after entry success. Flight International. May 6, 1998 [2007-01-20]. （原始内容存档于2011-07-21）.
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- ^ 侯冠群. 宽弦空心风扇叶片制造工艺的发展. 航空制造工程. 1994, (5): 6–8. ISSN 1672-0989.
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- 参考书目
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