勞斯萊斯RB211
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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）之間的高涵道比渦輪風扇發動機家族。
| RB211 | |
|---|---|
| |
| 勞斯萊斯RB211-22C型渦輪風扇發動機 | |
| 類型 | 渦輪風扇發動機 |
| 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 | 勞斯萊斯遄達 |
最初發展的目的是做洛克希德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，其繼承RB211的遺產，成為了業界最領先的發動機之一。
歷史
背景
在1966年，美國航空宣布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。洛克希德和麥克唐納-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，即從低涵道改為高涵道。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中巴士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轉子渦輪發動機的研究。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氣機，以不同的速度旋轉。這種情況下，不同的壓氣機都可以工作在最佳轉速。不過三轉子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。這時有好幾種三轉子的設計正在進行，包括用來取代斯貝發動機、設計推力在10,000磅（44千牛）的RB203。
設計完成
在1967年6月23日，勞斯萊斯向洛克希德公司提供了為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涵道比設計，以及源自RB203的三轉子設計。[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]
洛克希德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，既在飛機製造商洛克希德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，洛克希德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克希德公司L-1011的計劃。
此時，沒有政府援助的洛克希德處於弱勢地位。英國政府要求美國政府擔保洛克希德完成L-1011計劃的銀行貸款。因為萬一本身被困難削弱的洛克希德的L-1011項目失敗的話，RB211的市場將會化為泡影。儘管有一些反對的聲音[7]，美國政府仍承諾提供保障。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，並且和洛克希德簽訂了一份新合同。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最終發布，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，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正式宣布將默認搭載RB211（搭載普惠PW2000的版本於後來才發布）。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系列發布，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布放棄RB211計劃，轉而發展效率更高的Trent系列。
RB211-524系列
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氣機進口環的修改，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-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遄達發動機時發現，遄達700先進的高壓系統（高壓壓氣機和高壓渦輪）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ETOPS-180分鐘認證。
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「勞斯萊斯遄達」，並於1990年首次運轉，為RB211的後續型號。
RB211-535系列
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氣機，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布訂購採用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[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，用遄達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ETOPS-180分鐘認證。
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
- 三轉子
- 5.0的高涵道比
- 單級寬弦風扇
- 七級中壓壓氣機
- 六級高壓壓氣機
- 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
- 三轉子
- 4.1 - 4.3的高涵道比
- 單級寬弦風扇
- 七級中壓壓氣機
- 六級高壓壓氣機
- 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
- 三轉子
- 4.3-4.4的高涵道比
- 單級寬弦風扇
- 六級中壓壓氣機
- 六級高壓壓氣機
- 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氣機，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，比如使用在高壓壓氣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
| 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） [23] | 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, 圖波列夫Tu-204 |
參見
參考
- 注釋
- ^ Rolls-Royce. Three Shaft Engine Design. [2007-01-07]. （原始內容存檔於2006-10-16）.
- ^ 2.0 2.1 2.2 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
- ^ 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）.
- ^ 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）.
- ^ Rolls-Royce. 1904-2004 A Century of Innovation in 100 Facts. [2007-01-20]. （原始內容存檔於2006-10-19）.
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- ^ R-R prepares combustor for low-emissions test. Flight International. August 8, 1998 [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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- ^ 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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- 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