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勞斯萊斯RB211

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RB211
勞斯萊斯RB211-22C型渦扇發動機
類型 渦扇發動機
原產國 英國
製造商 勞斯萊斯
首次運轉 1969年
使用機種 L-1011
波音747
波音757
波音767
Tu-204
後繼型 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)之間的高旁通比渦扇發動機家族。

最初發展的目的是做洛歇公司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。

RB211在1990年代被其概念的繼承者遄達系列發動機(Trent)所取代。

歷史

背景

在1966年,美國航空宣佈他們需要一種座英里成本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來滿足冗餘度的需求。其他航空公司也還是對三發的客機感興趣。洛歇公司道格拉斯公司各自推出了自己的新型飛機:L-1011三星飛機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。

安裝在L-1011上的RB211
安裝在L-1011上的RB211

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。勞斯萊斯曾經想發展一種推力為45000磅(200千牛)的新型發動機來用在升級版的三叉戟飛機上,即RB178,不過失敗了。這項計劃在後來又發展為為空巴A300提供動力的,推力為47500磅(211千牛)RB207,不過後來取消了。於是勞斯萊斯就專心進行它的RB211研發計劃。

於此同時,勞斯萊斯還在進行它的三軸渦輪發動機的研究。這種發動機被認為可以提供更高的工作效率。這種配置下,渦輪發動機中有三組不同的渦輪,分別驅動三組不同的壓縮機,以不同的速度旋轉。這種情況下,不同的壓縮機都可以工作在最佳轉速。不過三軸的設計雖然更加緊湊和堅固,但是其複雜的結構也增加了製造維護的難度。這時有好幾種三軸的設計正在進行,包括用來取代斯貝發動機英語Rolls-Royce Spey、設計推力在10,000磅(44千牛)的RB203。

設計完成

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。[1]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。[2]

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,道格拉斯公司在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道格拉斯公司之間,也在發動機提供方勞斯萊斯、GE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。[2][3]

開發和測試

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[4]。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。[5]

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[2]該項目正在進入危機。 [6]

破產和低迷

在1971年一月,勞斯萊斯已經資不抵債。由於它的戰略重要性,1971年2月4日,該公司由當時愛德華·希思的保守黨政府的國有化,允許其完成RB211的發展。不過這嚴重危害到了洛歇公司L-1011的計劃。

此時,沒有政府援助的洛歇公司處於弱勢地位。英國政府要求美國政府擔保洛歇完成L-1011計劃的銀行貸款。因為萬一本身被困難削弱的洛歇公司的L-1011項目失敗的話,RB211的市場將會化為泡影。美國政府承諾提供這項保障,儘管有一些反對的聲音。[7]在1971年5月,一個被稱叫作「勞斯萊斯有限公司」(Rolls-Royce (1971) Ltd)的新公司建立,接收了原勞斯萊斯的資產和債務,並且和洛歇公司簽訂了一份新合同。這份新合同取消了延遲交付的違約金,並且每台發動機的價格提高了110000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[8]出山繼續工作,出任技術總監。他領導一群退休工程師來解決RB211-22研製過程中面臨的問題。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。[9]而在當月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年被授予了爵士爵位。

因為主要精力投入了保證發動機性能,剛開始投入運營的RB211的初始可靠性不如當初的預期,而後來交貨的RB211-22B型的性能指標甚至比早先交貨的-22C型還低。

經管RB211最終發佈,但由於L-1011的失敗以及搭載RB211的波音747銷量不佳。RB211在1970年代一直處於嚴重虧損狀態,這甚至導致勞斯萊斯公司差一點被迫關門。

挽救與接替

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Trent系列。

RB211-524系列

安裝在澳洲航空的波音747-300上的RB211-524
安裝在澳洲航空波音747-300上的RB211-524

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)[10]。-524H也是波音767的三種可選發動機之一。第一架裝有-524H767的客戶是英國航空,在1990年2月投入運營。

現時仍在波音767上配備RB211-524H發動機的客戶包括俄羅斯皇家航空(該機原屬東航雲南公司及蒙古民用航空)
現時仍在波音767上配備RB211-524H發動機的客戶包括俄羅斯皇家航空(該機原屬東航雲南公司蒙古民用航空

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。[11] 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。[12]

隨着-524系列的發展,它的可靠性日益增加。[13] 在1993年,767和-524H的組合通過了180分鐘的ETOPS認證。

RB211-524L系列

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

安裝在冰島航空的波音757-300上的RB211-535E4B
安裝在冰島航空的波音757-300上的RB211-535E4B

在20世紀70年代中期,波音公司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公司的飛機提供發動機。

然而在1979年,普惠公司推出了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公司圖-204-120上。這是俄制飛機第一次使用西方發動機[14]。-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。[15]

-535E4是一種可靠性非常高的發動機。[16] 在1990年,757和-535E4的組合通過了180分鐘的ETOPS認證。

工業用RB211

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,[17]而今天,它已經可以提供25.2-32兆瓦功率的電力[18] 。這一系列的許多衍生型號也被用在石油天然氣行業。[19]

輪船用WR-21

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[20]

規格

RB211家族誕生了以下三個系列的發動機:

RB211-22系列

  • 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

  • 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

  • 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。[21]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

RB211發動機系列的主要性能[22]
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) [23] 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

參考

注釋
  1. ^ Rolls-Royce. Three Shaft Engine Design. [2007-01-07]. (原始內容存檔於2006-10-16). 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Pugh, Peter. The Magic of a Name. Icon Books. 2001. ISBN 1840462841. 
  3. ^ 道格拉斯公司的DC-10和它的啟動客戶美國航空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。
  4. ^ 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
  5. ^ Hooker, 1985.
  6. ^ Red Ink at Rolls-Royce. Time. November 23, 1970 [2007-01-06]. 
  7. ^ New Life for TriStar. Time. May 17, 1971 [2007-01-06]. (原始內容存檔於2011-12-20). 
  8. ^ 當時已退休的勞斯萊斯發動機工程師
  9. ^ 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). 
  10. ^ 稍後也裝在了GE普惠的發動機上
  11. ^ Rolls-Royce standardises on hybrid RB211 after entry success. Flight International. May 6, 1998 [2007-01-20]. (原始內容存檔於2011-07-21). 
  12. ^ Cathay will re-engine entire 747-400 fleet. Flight International. August 27, 1997 [2007-01-20]. 
  13. ^ Rolls-Royce. 1904-2004 A Century of Innovation in 100 Facts. [2007-01-20]. (原始內容存檔於2006-10-19). 
  14. ^ Tupolev - Tu-204-120. Flight International. [2007-01-20]. 
  15. ^ R-R prepares combustor for low-emissions test. Flight International. August 8, 1998 [2007-01-20]. 
  16. ^ Rolls-Royce. RB211-535 Description. [2007-01-21]. (原始內容存檔於2006-12-29). 
  17. ^ Rolls-Royce. Evolution of the RB211. [2007-01-25]. (原始內容存檔於2006-09-14). 
  18. ^ Rolls-Royce. Energy Product Areas. [2007-01-25]. (原始內容存檔於2007-01-21). 
  19. ^ Rolls-Royce. RB211 Experience. [2007-01-25]. (原始內容存檔於2006-11-02). 
  20. ^ 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。
  21. ^ 侯冠群. 宽弦空心风扇叶片制造工艺的发展. 航空製造工程. 1994, (5): 6–8. ISSN 1672-0989. 
  22. ^ Rolls-Royce media pack (PDF), Rolls-Royce, [2008-01-26], (原始內容 (PDF)存檔於2007-10-23) 
  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
  • Gunston, Bill. Development of Piston Aero Engines. Cambridge, England. Patrick Stephens Limited, 2006. ISBN 0-7509-4478-1
  • Hooker, Sir Stanley. Not Much Of An Engineer, Airlife Publishing, 1985. ISBN 1853102857.
  • Newhouse, John. The Sporty Game: The High-Risk Competitive Business of Making and Selling Commercial Airliners. 1982. ISBN 978-0-394-51447-5
  • Keith, Hayward. Government and British civil aerospace: a case study in post-war technology. 1983. ISBN 9780719008771

外部連結

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