Rolls-Royce RB211: История британского авиадвигателя

Введение

Британский турбовентиляторный авиационный двигатель 1960-х годов Rolls Royce RB211 – это британское семейство высокообходных турбовентиляторных двигателей, разработанных и производимых компанией Rolls Royce. Эти двигатели способны создавать тягу. RB211 стал первым серийным трехкатушечным двигателем и вывел Rolls Royce из числа значительных игроков в авиационной двигателестроительной отрасли в мировые лидеры. Изначально разработанный для Lockheed L 1011 TriStar, он поступил в эксплуатацию в 1972 году и являлся единственным двигателем, используемым на этом самолете. Неэффективное управление первоначальной разработкой и связанные с этим финансовые проблемы привели к фактической национализации Rolls Royce Limited с целью сохранения рабочих мест и важных для Великобритании и многих других аэрокосмических и авиационных компаний двигателестроительных предприятий. В начале 1970-х годов компания рассчитывала, что двигатель сможет непрерывно совершенствоваться в течение как минимум 50 лет. Однако уже через 20 лет, в 1989 году, RB211 был заменен семейством двигателей Rolls Royce Trent, когда RB211 524L получил новое название – Trent.

Предыстория

В 1966 году American Airlines объявила о требованиях к новому ближне-среднемагистральному авиалайнеру с акцентом на низкую стоимость эксплуатации на одно место. Хотя компания искала двухдвигательный самолет, производителям авиационной техники требовалось больше одного заказчика для оправдания разработки нового авиалайнера. Eastern Airlines проявила заинтересованность, но нуждалась в большей дальности и возможности выполнять дальние рейсы над водой. В то время это требовало трех двигателей для обеспечения надежности. Другие авиакомпании также отдавали предпочтение трем двигателям. Lockheed и Douglas отреагировали проектами L 1011 TriStar и DC 10 соответственно. Оба самолета имели три двигателя, трансконтинентальную дальность и вмещали около 300 пассажиров в широкофюзеляжной компоновке с двумя проходами. Широкофюзеляжный McDonnell Douglas DC 10 был представителем инновационных технологий в области авиалайнеров и авиационных двигателей, которые в то время внедрялись американскими и европейскими производителями для обеспечения авиакомпаний самолетами с очень большой грузоподъемностью и возможностью полетов на короткие, средние и дальние расстояния. Эти самолеты с очень большой вместимостью были необходимы для удовлетворения значительного прогнозируемого роста числа пассажиров и объемов воздушного движения. В Европе концептуальные исследования пассажирских самолетов большой вместимости проводились как частными, так и государственными организациями с конца 1950-х и начала 1960-х годов. Многие исследования, проведенные авиационными компаниями, были ориентированы на самолет вместимостью 200-300 мест с высокими эксплуатационными характеристиками, основанными на использовании новой, революционной технологии – авиадвигателя с высокой степенью двухконтурности. RB.178 был отменен в мае 1966 года, а в июне 1966 года Rolls Royce заявила, что не желает конкурировать с P&W за Boeing 747. В сентябре 1966 года Rolls Royce объявила о своем решении разработать семейство двигателей с передовыми технологиями (A. T. E), охватывающее тягу от 10 000 фунтов силы (RB.203) до 60 000 фунтов силы (RB.207). Семейство A. T. E. включало новые технологии, такие как трехвальная схема, кольцевая камера сгорания и структурно интегрированная силовая установка (мотогондола). Rolls Royce также работала над серией трехкатушечных конструкций в качестве замены для Conway, которые должны были обеспечить более высокую эффективность. В этой конфигурации три группы турбин вращают три отдельных концентрических вала для привода трех секций компрессора, работающих на разных скоростях. Помимо того, что каждая ступень компрессора может работать на оптимальной скорости, трехкатушечная конструкция более компактна и жесткая, хотя и более сложна в изготовлении и обслуживании. В то время велась работа над несколькими проектами, включая проект тягой 10 000 фунтов силы (44 кН), известный как RB203, предназначенный для замены Spey. Работа над двигателем, заменяющим Conway, началась в июле 1961 года, а к 1966 году был запущен двухкатушечный демонстрационный двигатель для подтверждения конструкции компрессора, камеры сгорания и турбинной системы HP. В 1965 году Rolls Royce выбрала трехкатушечную систему как наиболее простое и экономичное решение для снижения расхода топлива и уровня шума при постоянной мощности. Работа над RB211, по сути, уменьшенной версией RB207, началась в 1966 году, первые сертифицированные двигатели планировалось выпустить к декабрю 1970 года с тягой 33 260 фунтов силы и ценой 511 000 долларов за штуку. В феврале 1968 года American Airlines выбрала Rolls Royce RB211 для оснащения заказа до 50 самолетов McDonnell Douglas DC 10. 7 марта 1968 года вашингтонский корреспондент The Times сообщил о попытке Конгресса заблокировать предложение Rolls-Royce поставлять двигатели для проектируемого американского аэробуса. Представитель Роберт Тафт-младший из Огайо организовал оппозицию из-за сообщения о том, что Rolls Royce получила одобрение на двигатель. 9 марта 1968 года The Times сообщила, что президент Линдон Джонсон получил письменные протесты от шести сенаторов и пяти представителей из штатов Огайо и Нью-Мексико, которые выиграли бы, если бы был выбран американский производитель. Их претензия заключалась в том, что "в ходе переговоров между представителями авиакомпаний и британским правительством не была предоставлена достаточно сбалансированная информация относительно позиции американского правительства по поводу закупки иностранных двигателей". Конгресс США опасался, что импорт иностранных двигателей приведет к дефициту платежного баланса США в размере 3,8 миллиарда долларов и потере от 18 000 до 20 000 рабочих мест. К этому добавилась одна новая технология – вентиляторная ступень, изготовленная из нового углеродного волокна под названием Hyfil, разработанного в RAE Farnborough. Снижение веса было значительным по сравнению с аналогичным вентилятором, изготовленным из титана, что давало RB211 преимущество перед конкурентами по соотношению мощности к весу. Несмотря на осознание того, что сроки были сложными для двигателя, включающего эти новые особенности, Rolls Royce взяла на себя обязательство ввести RB211 в эксплуатацию в 1971 году. Lockheed считала, что новый двигатель позволяет L 1011 предложить явное преимущество перед аналогичным DC 10. Однако Douglas также запрашивала предложения от Rolls Royce для двигателя, который будет приводить в движение ее DC 10, и в октябре 1967 года ответом стала версия RB211 с тягой, обозначенная как RB211-10. После этого последовал период интенсивных переговоров между производителями авиалайнеров Lockheed и Douglas, поставщиками двигателей Rolls Royce, General Electric и Pratt & Whitney, а также крупными американскими авиакомпаниями. В течение этого времени цены снижались, а требуемая тяга увеличивалась. К началу 1968 года Rolls Royce предлагала двигатель с тягой, обозначенный как RB211-18. 29 марта 1968 года Lockheed объявила о получении заказов на 94 TriStar и разместила заказ у Rolls Royce на 150 комплектов двигателей, обозначенных как RB211-22.

In 1966, American Airlines announced a requirement for a new short medium range airliner with a focus on low cost per seat operations. While it was looking for a twin engined plane, aircraft manufacturers needed more than one customer to justify developing a new airliner. Eastern Airlines had expressed interest, but required greater range and needed to operate long routes over water. At the time, this demanded three engines to provide redundancy. Other airlines also favored three engines. Lockheed and Douglas responded with designs, the L 1011 TriStar and DC 10 respectively. Both had three engines, transcontinental range and seated around 300 passengers in a widebody layout with two aisles. The wide body McDonnell Douglas DC 10 was representative of the innovative aircraft and aero engine technologies which were then being adopted by US and European airframe manufacturers to provide airlines with aircraft of very large carrying capacity and short/medium to long range. These very large capacity aircraft were needed to address the significant increases in passenger numbers and air traffic which were then being forecast by the industry. In Europe, large capacity airliner concept studies had been carried out by both private and government organisations since the late 1950s and early 1960s. Many of the studies conducted by the aviation companies were weighted towards a 200 to 300 seat aircraft, with a high cycle performance that was based on the utilisation of the game changing new technology of the high by pass ratio aero engine. The RB.178 was cancelled in May 1966 and in June 1966 Rolls Royce indicated it did not want to battle with P&W over the Boeing 747. In September 1966 Rolls Royce revealed its decision to launch an Advanced Technology Engine (A. T. E) family covering thrusts ranging from 10,000lbf (RB.203) through to 60,000lbf. (RB.207). The A. T. E family introduced new technologies such as the triple shaft architecture, an annular combustor and a structurally integrated power plant (nacelle). Rolls Royce was also working on a series of triple spool designs as replacements for the Conway, which promised to deliver higher efficiency. In this configuration, three groups of turbines spin three separate concentric shafts to power three sections of the compressor area running at different speeds. In addition to allowing each stage of the compressor to run at its optimal speed, the triple spool design is more compact and rigid, although more complex to build and maintain. Several designs were being worked on at the time, including a 10,000 lbf (44 kN) thrust design known as the RB203 intended to replace the Spey. Work started on the Conway replacement engine in July 1961 and a twin spool demonstrator engine to prove the HP compressor, combustor, and turbine system designs, had been run by 1966. Rolls Royce chose the triple spool system in 1965 as the simplest, lowest cost solution to the problem of obtaining lower fuel consumption and reduced noise levels at a constant power setting. Work on the RB211 as essentially a scaled down RB207 began in 1966 7 with the first certificated engines being scheduled to be available by December 1970 at 33,260lb take off thrust and at a price of $511,000 each. In February 1968, American Airlines had chosen the Rolls Royce RB211 to power its order for up to 50 McDonnell Douglas DC 10s. On 7 March 1968, the Washington correspondent of The Times wrote of an attempt being made by Congress to block Rolls Royce's bid to supply engines for the projected United States airbus. Representative Robert Taft Jr. of Ohio had marshalled opposition because of a report that Rolls Royce had won approval for the engine. On 9 March 1968, The Times reported that President Lyndon Johnson had received written protests from six senators and five representatives, from Ohio and New Mexico – states that would benefit if a US manufacturer was selected. Their complaint was that 'not adequately balanced information was given during talks between representatives of airlines and the British Government concerning the American Government's position on buying foreign engines'. The US Congress was concerned that the import of foreign engines would result in a US payments deficit of $3,800 million and the loss of 18,000 to 20,000 jobs. To this was added one new piece of technology, a fan stage built of a new carbon fibre material called Hyfil developed at the RAE Farnborough. The weight saving was considerable over a similar fan made of titanium, and gave the RB211 an advantage over its competitors in terms of power to weight ratio. Despite knowing that the timetable was challenging for an engine incorporating these new features, Rolls Royce committed to putting the RB211 into service in 1971. Lockheed felt that the new engine enabled the L 1011 to offer a distinct advantage over the otherwise similar DC 10 product. However, Douglas had also requested proposals from Rolls Royce for an engine to power its DC 10, and in October 1967 the response was a thrust version of the RB211 designated RB211 10. There followed a period of intense negotiation between airframe manufacturers Lockheed and Douglas, engine suppliers Rolls Royce, General Electric and Pratt & Whitney, and the major US airlines. During this time prices were negotiated downwards and the required thrust ratings were increased. By early 1968, Rolls Royce was offering a thrust engine designated RB211 18. On 29 March 1968 Lockheed announced that it had received orders for 94 TriStars, and placed an order with Rolls Royce for 150 sets of engines designated RB211 22.

Разработка и испытания

Сложность RB211 потребовала длительного периода разработки и испытаний. К осени 1969 года Rolls Royce испытывал трудности с выполнением гарантийных обязательств по характеристикам: двигатель выдавал недостаточную тягу, был перетяжелен и потреблял чрезмерное количество топлива. Ситуация усугубилась, когда в мае 1970 года новый вентиляторный этап Hyfil (композит на основе углеродного волокна), успешно прошедший другие испытания, разрушился при попадании в него с высокой скоростью куриного туловища в ходе испытания на устойчивость к попаданию птиц. Компания разрабатывала титановую лопатку в качестве страховки на случай проблем с Hyfil, но это приводило к дополнительным затратам и увеличению веса. "Стало совершенно очевидно, что инженеры из Дерби, обычно гордые и самоуверенные до высокомерия, скатились от плохого к худшему после того, как их великий руководитель, Ломбард, был так внезапно потерян в 1967 году. Его смерть оставила пустоту, которую никто не смог заполнить" – Стэнли Хукер.

Серия RB211-524

Хотя изначально двигатель был разработан для L 1011, компания Rolls Royce знала, что RB211 можно усовершенствовать для обеспечения большей тяги. Переработав вентилятор и компрессор низкого давления, команда Гукера увеличила тягу двигателя до. Новая версия, впервые запущенная 1 октября 1973 года, получила обозначение RB211-524 и могла приводить в действие новые модификации L 1011, а также Boeing 747. Rolls Royce безуспешно пытался продать RB211 компании Boeing в 1960-х годах, но новый 524 предлагал значительные улучшения в производительности и эффективности по сравнению с Pratt & Whitney JT9D, который Boeing первоначально выбрал для Boeing 747. В октябре 1973 года Boeing согласился предлагать RB211-524 на Boeing 747-200, а British Airways стала первой авиакомпанией, заказавшей эту комбинацию, которая поступила в эксплуатацию в 1977 году. В 1980 году журнал Flight International отметил:

«Важность экономии топлива для авиакомпаний подчеркивается тем, что Qantas выбрала двигатели RB.211-524 для своих новых Boeing 747 – единственного самолета, на котором доступны все три крупных вентиляторных двигателя. Qantas обнаружила, что Boeing 747 British Airways, оснащенные RB211, потребляют примерно на 7% меньше топлива, чем самолеты ее флота, оснащенные JT9D, что составляет экономию около 1 миллиона долларов в год на самолет по сегодняшним ценам». Rolls Royce продолжал совершенствовать 524, увеличивая тягу в модификациях 524C, затем в 524D, который был сертифицирован в 1981 году. Когда Boeing запустил более тяжелый Boeing 747-400, потребовалась большая тяга, и Rolls Royce ответил двигателями 524G с тягой и затем 524H с тягой 60 600 фунтов, оба оснащенные цельным обтекателем с глубоким каналом смешения, как и на двигателе 535E4. Это были первые версии, оснащенные системой FADEC. Позже GE и Pratt & Whitney переняли эту технологию для своих двигателей. Двигатель 524H также предлагался в качестве третьего варианта для Boeing 767, и первый самолет с таким двигателем поступил в эксплуатацию в British Airways в феврале 1990 года. Это могли быть последние усовершенствования 524, но когда Rolls Royce разработал двигатель Trent, оказалось возможным установить усовершенствованную систему высокого давления Trent 700 на двигатели 524G и 524H. Эти модификации были легче и обеспечивали повышенную топливную эффективность и снижение выбросов; они получили обозначения 524G T и 524H T соответственно. Существовала также возможность модернизировать существующие двигатели 524G/H до улучшенной конфигурации T, и ряд авиакомпаний воспользовались этой возможностью. По мере совершенствования 524 становился все более надежным, а 524H получил одобрение ETOPS на 180 минут для Boeing 767 в 1993 году. У RB211 удельный расход топлива может составлять около 0,6 фунта/(фунт-сила·час). Двигатель 524L, разработка которого началась в 1987 году для расширения на рынке A330 и 777, был значительно переработан, и существенные изменения привели к тому, что двигатель в конечном итоге получил название Trent, под которым и продолжалась его разработка.

"The importance placed on fuel saving by airlines is emphasised by Qantas' adoption of RB.211 524 power for its new Boeing 747s – the only aircraft on which all big three fans are available. Qantas found that British Airways' Boeing 747s fitted with RB211s burnt roughly 7% less fuel than its JT9D equipped fleet, a saving of about $1 million a year per aircraft, at today's prices." Rolls Royce continued to develop the 524, increasing its thrust through with the 524C, then in the 524D which was certificated in 1981. Notable airline customers included Qantas, Cathay Pacific, Air New Zealand, Cargolux and South African Airways. When Boeing launched the heavier 747 400 more thrust was required, and Rolls responded with the 524G rated at thrust and then the 524H with 60,600, both introducing a full cowl nacelle with deep chute forced mixer as already present on the 535E4. These were the first versions to feature FADEC. This was later adopted by GE and Pratt & Whitney for their engines. The 524H was also offered as a third engine choice on the Boeing 767, and the first of these entered service with British Airways in February 1990. These would have been the final developments of the 524, but when Rolls developed the successor Trent engine, it was found it could fit the Trent 700's improved HP system to the 524G and 524H. These variants were lighter and offered improved fuel efficiency and reduced emissions; they were designated 524G T and 524H T respectively. It was also possible to upgrade existing 524G/H engines to the improved T configuration, and a number of airlines did this. The 524 became increasingly reliable as it was developed, and the 524H achieved 180 minute ETOPS approval on the 767 in 1993. An RB211 may have a thrust specific fuel consumption around 0.6 lb/(lbf·h). The 524L, begun in 1987 to allow further growth in the A330 and 777 market, was more extensively redesigned, the considerable differences incorporated leading to the engine eventually receiving the name Trent, under which name development has continued.

RB211-535C

В середине 1970-х годов компания Boeing рассматривала проекты нового двухдвигательного самолета, призванного заменить успешный 727. По мере того, как планируемая вместимость самолета росла от 150 до 200 пассажиров, компания Rolls Royce пришла к выводу, что двигатель RB211 можно адаптировать, уменьшив диаметр вентилятора и убрав первую ступень компрессора низкого давления, чтобы получить двигатель с необходимой тягой. Новая версия получила обозначение RB211-535. 31 августа 1978 года авиакомпании Eastern Airlines и British Airways объявили о заказах на новые самолеты 757, оснащенные двигателями RB211-535. Двигатель, получивший обозначение RB211-535C, поступил в эксплуатацию в январе 1983 года. Это был первый случай, когда Rolls Royce поставлял двигатель для нового самолета Boeing. Президент Eastern Airlines Фрэнк Борман назвал двигатель RB211-535C "лучшим авиационным двигателем в мире".

RB211-535E, RB211-535E4

В 1979 году компания Pratt & Whitney представила двигатель PW2000, заявляя о повышении топливной эффективности на 8% по сравнению с 535C для версии PW2037. Boeing оказал давление на Rolls-Royce с целью поставки более конкурентоспособного двигателя для 757, и, используя более совершенное ядро 524 в качестве основы, компания разработала двигатель RB211 535E4 с тягой, который поступил в эксплуатацию в октябре 1984 года. Хотя он и не был столь же эффективен, как PW2037, он оказался более надежным и тихим. Отличительные особенности включают удлиненный обтекатель, без выходящего за пределы кольцевого канала реактивного сопла. Частичное смешивание горячих и холодных воздушных потоков происходит в интегрированном или общем сопле. Он также стал первым двигателем, в котором использована лопасть вентилятора увеличенной ширины, повышающая эффективность, снижающая шум и обеспечивающая дополнительную защиту от попадания посторонних предметов. Вероятно, самый значительный заказ на 535E поступил в мае 1988 года, когда American Airlines заказала 50 самолетов 757, оснащенных двигателями 535E4, указав низкий уровень шума двигателя в качестве важного фактора. Это был первый случай с момента появления TriStar, когда Rolls-Royce получил крупный заказ от американской авиакомпании, что привело к последующему доминированию 535E4 на рынке 757. Необычно, что в момент объявления American Airlines о своем выборе, информация о 535E4 была обнародована до объявления о выборе 757, что, тем не менее, было воспринято с одобрением как Rolls-Royce, так и Boeing. После сертификации для 757, E4 был предложен для установки на российский самолет Ту-204-120, который начал эксплуатироваться в 1992 году. Это был первый случай, когда российский авиалайнер был оснащен западными двигателями. Boeing также предложил использовать 535E4 для переоборудования стратегического бомбардировщика B-52H Stratofortress, заменив восемь двигателей TF33 четырьмя турбовентиляторными. Дальнейшая модернизация 535E4 была проведена в конце 1990-х годов для снижения выбросов, с использованием технологий, разработанных для Trent 700. 535E4 многими считается исключительно надежным двигателем и получил одобрение ETOPS на 180 минут для самолетов 757 в 1990 году.

Промышленный RB211

Когда Rolls Royce разрабатывал двигатель 22, компания пришла к выводу, что будет несложно разработать его версию для наземного энергоснабжения, и в 1974 году был представлен промышленный RB211. Когда вскоре после этого появился двигатель 524, его усовершенствования были внедрены в промышленный RB211, который получил обозначение RB211-24. Генератор постепенно совершенствовался в течение последующих лет и до сих пор предлагается на рынке как серия генераторов мощностью 25,2–32 МВт. Многие установки были смонтированы в морской нефтегазовой отрасли.

Морская WR-21

Для судового движения была разработана современная газовая турбина класса WR 21 с интеркулерным рекуперативным (ICR) циклом мощностью 25 МВт.