勞斯萊斯RB211
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| RB211 | |
|---|---|
| File:Rolls-RoyceRB211.JPG 勞斯萊斯RB211-22C型渦扇發動機 | |
| 概況 | |
| 類型 | 渦扇發動機 |
| 原產國 | 英國 |
| 製造商 | 勞斯萊斯 |
| 使用機種 | L-1011 波音747 波音757 波音767 Tu-204 |
| 歷史 | |
| 首次運轉 | 1969年 |
| 發展為 | 勞斯萊斯特倫特 |
勞斯萊斯RB211（Rolls-Royce RB211）是一個由勞斯萊斯生產、推力介於37,400至60,600磅（166-270千牛頓）之間的高旁通比渦輪扇發動機家族。
最初發展的目的是用作洛歇L-1011（三星飛機）的動力裝置，從1972年開始隨着三星飛機的投入使用而開始服務，並且是該型飛機唯一的動力來源。研究RB211所花去的巨額資金使得勞斯萊斯有限公司在1971年破產，而之後被英國政府國有化使得公司能夠生存下來。
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發動機被更名為特倫特（特倫特）。從1990年代後，RB211設計概念的繼承者特倫特系列發動機（特倫特）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。
歷史[編輯]
背景[編輯]
在1966年，美國航空宣佈它們需要一款有效座位里程成本（Cost per Available Seat Mile）更低的新型雙發中短程客機。而飛機製造商們希望能再有至少一家航空公司贊同這種主意，他們才進行開發。恰好美國東方航空對此也有興趣，不過他們希望這種新飛機擁有更長的航程，而在那個時代，對於這種長航程客機的必須使用三發動機符合安全航空法規需求。其他航空公司也還是對三發的客機感興趣。洛歇和麥克唐納-道格拉斯公司各自推出了自己的新型飛機：L-1011三星飛機和DC-10。這兩款飛機都是300座級三發寬體雙通道，能橫跨美洲大陸的中遠程客機。
這些新型飛機都需要新發動機。而這個時期發動機技術取得了極大的進步，即從低旁通改為高旁通。這使得發動機可以提供更大的推力，並且更加省油，更加安靜。
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，國產飛機中三叉戟飛機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，勞斯萊斯宣佈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是用來取代斯貝發動機。在1967年，洛歇對外發佈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巴士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巴士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電氣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，驅動三組不同轉速的壓縮機，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，勞斯萊斯向洛歇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]
設計完成[編輯]
在1967年6月23日，勞斯萊斯向洛歇公司提供了為L-1011三星飛機設計的RB211-06型發動機的設計。這種新發動機可以提供33260磅（147.9千牛）的額定推力，並且使用了很多發動機的新技術：源自RB207的可以提供大功率的高旁通比設計，以及源自RB203的三軸設計。[4]除此之外，也有一些全新的技術。風扇就是使用全新的，被稱作「海菲爾（hyfil）」碳纖維複合材料製成。這樣的節省的重量和全用金屬製成的風扇相當，從而增大了發動機的推重比，這是一個很大的優勢。勞斯萊斯公司承諾在1971年將RB211投入使用，儘管他們知道要在這麼短的時間內增添這麼多新技術是一項挑戰。[5]
洛歇公司認為這種新發動機的使用會讓L-1011與DC-10相比具有很大的優勢。然而，麥道公司在1967年10月也同樣收到了勞斯萊斯請求讓DC-10裝上推力為34000磅（157千牛）的RB211-10型發動機的建議。緊隨其後的就是一場場激烈的談判，既在飛機製造商洛歇公司和麥道公司之間，也在發動機提供方勞斯萊斯、GE和普惠之間，還在美國的各大航空公司之間。在這期間，價格越談越低，推力越報越高。在1968年年初的時候，勞斯萊斯能提供推力40600磅（181千牛）的RB211-18。而最後1968年3月29日，在收到94架L-1011訂單之後，洛歇公司決定選用勞斯萊斯公司的RB211-22發動機，並訂購了150對。[5][6]
開發和測試[編輯]
RB211的複雜使得它的開發和測試耗時很長。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，在努力滿足性能要求的情況下，勞斯萊斯不得不承認，發動機推力不足，並且超重，而且油耗過高。這種情況還在進一步惡化。1970年5月，在對海菲爾製成的風扇進行的測試中，沒有通過鳥擊測試[7]。幸好勞斯萊斯為了研究了一種鈦葉片，作為海菲力的替代品。不過這意味着額外的成本和更大的重量。這也帶來了技術上的問題。人們發現這些鈦坯料只有一面的質量滿足風扇葉片的製造要求。[8]
到了1970年9月，勞斯萊斯向英國政府報告，RB211的開發已經花掉1.703億英鎊——幾乎是原計劃的兩倍。此外，RB211的製造成本預估已經超過230375英鎊[5]該項目正在進入危機。 [9]
破產和低迷[編輯]
在1971年1月，勞斯萊斯已經資不抵債。由於當時勞斯萊斯底下軍用發動機部門正執行着為龍捲風攻擊機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愛德華·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歇公司。
由於當時的洛歇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歇也被捲入破產，與勞斯萊斯的生死坐在同一條船上的洛歇請求英國政府協助游說美國政府出面提供洛歇公司借貸，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對的聲音[10]，美國政府仍出面提供洛歇公司貸款。
1971年5月，由英國政府出資成立一間被稱叫作「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，並且和洛歇簽訂了一份新合同。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。
被任命來搶救勞斯萊斯的董事會新主席，肯尼斯·基思，說服斯坦雷·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）。在比原計劃延遲了大約一年的1972年4月14日，發動機取得了型號合格證。[12]在當月26日，美國東方航空第一架L-1011投入商業運營。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，初期交付給洛歇的版本為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，但由於L-1011銷量低迷，選用搭載RB211的波音747銷量有限，因此勞斯萊斯在1970年代的航空發動機市佔率低迷不振。
挽救與接替[編輯]
1980年，波音757正式宣佈將默認搭載RB211（搭載普惠PW2000的版本於後來才發佈）。而搭載RB211的757最終賣出的733架（而搭載PW2000的757僅賣出316架）。這一大賣最終拯救了RB211項目，勞斯萊斯也迎來了自1971年後首次盈利。
1989年，隨着普惠PW4000系列發佈，設計已經逐漸老舊的RB211已經無法再適應市場趨勢。為此勞斯萊斯正式宣佈放棄RB211計劃，轉而發展效率更高的特倫特系列。
RB211-524系列[編輯]
雖然RB211最初是為L-1011-1設計的，但是勞斯萊斯知道，它還有進一步開發以獲取更大推力的潛力。通過對風扇葉片葉型和中壓壓縮機進口環的修改，胡克的團隊使得的新發動機的推力提高到50000磅（220千牛）。這種新型號被命名為RB211-524，它可以為新型L-1011以及波音747提供動力。
勞斯萊斯在60年代的時候試着讓RB211賣給波音，不過失敗了。但是新型的-524系列在性能和效率上有了顯著提高，超過了波音747原來的動力裝置普惠JT9D。在1973年10月波音同意將RB211-524裝在747-200上，而英國航空訂購了首架並在1977年交付使用。勞斯萊斯繼續改進-524，將它的推力提高到51500磅（229千牛），是為-524C。在1981年又將推力提高到了53000磅（240千牛），是為-524D。著名的航空公司，諸如澳洲航空、國泰航空、盧森堡貨運航空、南非航空、新西蘭航空都是-524系列的顧客。當波音開始更大型的747-400計劃時，對推力又有了更大的要求，勞斯萊斯推出 了推力為58000磅（260千牛）的-524G，以及推力為60600（270千牛）的-524H，這些都是最早裝上全權限數字電子控制器（FADEC）[13]。-524H也是波音767的三種可選發動機之一。第一架裝有-524H的767客戶是英國航空，在1990年2月投入運營。
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後來，勞斯萊斯發展下一代的特倫特發動機時發現，特倫特700先進的高壓系統（高壓壓縮機和高壓渦輪）安裝在-524G和-524H上非常合適，不但降低了發動機重量，而且有節能減排的功效。[14] 這就分別誕生了兩種新型號：-524G-T和-524H-T。也可以對現有的-524G/H發動機進行升級。[15]
隨着-524系列的發展，它的可靠性日益增加。[16] 在1993年，767和-524H的組合通過了ETOPS-180分鐘認證。
RB211-524L系列[編輯]
RB211-524L系列發動機於1988年6月起研發。後來，此系列冠名為「勞斯萊斯特倫特」，並於1990年首次運轉，為RB211的後續型號。
RB211-535系列[編輯]
在20世紀70年代中期，波音着手設計取代非常成功的727系列的新型雙發飛機。這個級別的客機提供150到200個座位。勞斯萊斯認識到，將RB211減小風扇直徑並且去掉第一級中壓壓縮機，能提供37400磅（166千牛）推力的新型號對此非常適合。這種新型號就是RB211-535系列。在1978年8月31日，美國東方航空和英國航空宣佈訂購採用RB211-535C發動機的新波音757飛機。他們在1983年一月投入服務，這是勞斯萊斯第一次為波音的飛機提供發動機。
然而在1979年，普惠推出了PW2000系列發動機，聲稱其中的PW2037型比-535C型的燃油效率提高了8％。於是波音向勞斯萊斯施加壓力，要求為757提供一種更具競爭力的發動機，並且使用更加先進的-534系列的核心機作為基礎。這種新型號發動機RB211-535E4能提供40100磅（178千牛）的推力，在1984年10月投入服務。這依然沒有PW2037的效率高，不過它更可靠和安靜。這也是第一種使用空心寬弦風扇的發動機，這是一種可以提高效率、較少噪音，並對異物的傷害提供保護的新設計。事實上，這種新技術之前已經使用在部分-535C上。
最為重要的-535E型發動機的訂單可能是1988年美國航空訂購的50架安裝-535E4的757。讓美國航空選擇-535E4的一個很重要的原因就是它的噪音低。這是勞斯萊斯在三星飛機項目之後，從美國的航空公司那兒得到的最有意義的訂單，因為他導致隨後-535E4發動機在757飛機的市場上取得了主導權。一則刊登在《Air International》上的段子說，美國航空是先選擇了-535E4，後選擇了波音757。不過這對於勞斯萊斯和波音來說都是個好消息。
在安裝在757上之後，-535E4又在1992年安裝在了俄羅斯圖波列夫圖-204-120上。這是俄制飛機第一次使用西方發動機[17]。-535E4也作為一種波音公司的B-52H替代發動機，可以用四台取代八台TF33（JT3D的軍用版），但相關方案最後未有實踐。對於-535E4進一步的升級是在90年代，用特倫特700的技術提升了它的排氣性能。[18]
-535E4是一種可靠性非常高的發動機。[19] 在1990年，757和-535E4的組合通過了ETOPS-180分鐘認證。
工業用RB211[編輯]
當勞斯萊斯在開發-22系列的時候，就意識到它可以發展成一種燃氣渦輪發動機，並在1974年開始了工業用RB211項目。當-524系列開發完成不久，它上面的新技術又被用來改進這種燃氣輪機，是為RB211-24。這種發電機在隨後幾年繼續發展，[20]而今天，它已經可以提供25.2-32兆瓦功率的電力[21] 。這一系列的許多衍生型號也被用在石油天然氣行業。[22]
輪船用WR-21[編輯]
由其發展來的，25兆瓦級的WR-21是一種船用間冷回熱（ICR）燃氣輪機[23]。
規格[編輯]
RB211家族誕生了以下三個系列的發動機：
RB211-22系列[編輯]
- 三軸
- 5.0的高旁通比
- 單級寬弦風扇
- 七級中壓壓縮機
- 六級高壓壓縮機
- 18噴嘴的單環形燃燒室
- 單級高壓渦輪
- 單級中壓渦輪
- 三級低壓渦輪
RB211-524系列[編輯]
- 三軸
- 4.1 - 4.3的高旁通比
- 單級寬弦風扇
- 七級中壓壓縮機
- 六級高壓壓縮機
- 18（G/H-T是24）噴嘴的單環形燃燒室
- 單級高壓渦輪
- 單級中壓渦輪
- 三級低壓渦輪
RB211-535系列[編輯]
- 三軸
- 4.3-4.4的高旁通比
- 單級寬弦風扇
- 六級中壓壓縮機
- 六級高壓壓縮機
- 18（新版本E4是24）噴嘴的單環形燃燒室
- 單級高壓渦輪
- 單級中壓渦輪
- 三級低壓渦輪
-535E4不但使用了新型中壓壓縮機，而且率先使用了寬弦無凸肩（凸台）空心葉片，這使得風扇氣動效率有所提高，並降低了生產成本。[24]除此之外，它也使用了許多新材料，比如使用在高壓壓縮機和風扇上的鈦合金，使用在發動機短艙上的碳纖維複合材料。而其後的發動機又配備了一些來自-524系列的新功能，比如FADEC。
主要性能參數[編輯]
| 型號 | 靜止推力 | 基本重量 | 長度 | 風扇直徑 | 開始使用年 | 使用機種 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 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 | 洛歇L-1011-1, 洛歇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 | 洛歇L-1011-250, 洛歇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, 圖波列夫Tu-204 |
參見[編輯]
參考[編輯]
- 註釋
- ^ 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]. （原始內容存檔於2006-10-16）.
- ^ 5.0 5.1 5.2 Pugh, Peter. The Magic of a Name. Icon Books. 2001. ISBN 1840462841.
- ^ 麥道公司的DC-10和它的啟動客戶美國航空和聯合航空最終選擇了GE的CF6，而普惠公司的JT9D安裝在之後的改進型上。
- ^ FAA要求的一項測試，用高速運動的雞撞擊風扇葉片來模擬飛行時鳥進入發動機
- ^ Hooker, 1985.
- ^ Red Ink at Rolls-Royce. 時代雜誌. November 23, 1970 [2007-01-06]. （原始內容存檔於2013-08-22）.
- ^ New Life for TriStar. 時代雜誌. May 17, 1971 [2007-01-06]. （原始內容存檔於2011-12-20）.
- ^ 當時已退休的勞斯萊斯發動機工程師
- ^ Type Certificate Data Sheet A23WE, Revision 18 (PDF). FAA. 25 October 2001 [2007-01-14]. （原始內容 (PDF)存檔於2008-03-09）.
- ^ 稍後也裝在了GE和普惠的發動機上
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- ^ Cathay will re-engine entire 747-400 fleet. Flight International. August 27, 1997 [2007-01-20]. （原始內容存檔於2011-07-21）.
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- ^ 間冷回熱循環( ICR) 燃氣輪機是在簡單循環的基礎上，增加壓縮空氣中間冷卻器和排氣回熱器組成的複雜循環燃氣輪機，由於加入了中間冷卻和回熱過程，使得其效率較簡單循環燃氣輪機得到提升。
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- ^ Rolls-Royce media pack (PDF), Rolls-Royce, [2008-01-26], （原始內容 (PDF)存檔於2007-10-23）
- ^ 英文版中為53000，但由上下文得知此處應該沒有變化。
- 參考書目
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- Keith, Hayward. Government and British civil aerospace: a case study in post-war technology. 1983. ISBN 9780719008771