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探秘世界发动机巨头——罗尔斯·罗伊斯公司

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引言:1903年,莱特兄弟打开了人类的航空之门,实现了无数人翱翔蓝天的梦想。百年来,人类的航空工业不断发展,形式各样的航空器层出不穷,这其中离不开航空发动机的发展和进步。今天,新材料在线小编就带你一起来认识一下世界三大航空发动机生产商之一——Rolls-Royce plc(罗尔斯·罗伊斯,以下简称罗罗公司)。

罗罗公司概况


英国罗尔斯·罗伊斯公司是一间百年老店,以燃气轮机技术为核心,活跃在民用航空、国防、船舶和能源四个环球市场上。罗尔斯·罗伊斯产品中最著名的是军用和民用发动机,它是全球第二大军用发动机和第二大民用发动机制造商。


罗罗公司标志


对汽车了解的人看到上面这个标识,一定非常熟悉。是的,罗罗公司的logo和知名汽车品牌劳斯莱斯一样,这是因为它们是由Rolls-Royce Limited(1906年建立)于1973年分拆而来,“劳斯莱斯”和“罗尔斯·罗伊斯”均由英文Rolls-Royce翻译而来。


如果说波音和空客是干线客机领域的双寡头,通用动力(GE)和罗罗则是干线客机发动机市场的一对大鳄,其客户包括600多家航空公司、2000多家船舶公司等,中国国航、东方航空等国内航空公司均是其客户。


  • 罗罗公司是世界领先的大型民用飞机和商务机的航空发动机生产商之一。

  • 罗罗公司是世界第二大国防航空发动机供应商。

  • 2014年、2015年荣登财富美国500强公司榜单。


2014年关键财务数据



罗罗公司主要由航空航天部、陆地和海洋部两大部门组成。


罗罗公司航空航天分部生产大型民用飞机和商务机的航空发动机,有超过 50种类型的飞机发动机应用在民用和国防领域,有超过29,000部引擎正在服役。目前,罗罗公司在现代宽体飞机发动机制造领域,占据全球市场50%的份额。



罗罗公司陆地与海洋分部包含动力系统(PowerSystems)、海洋(Marine)和核(Nuclear)。罗罗公司的动力系统业务包括世界知名的 MTU 系列往复式发动机;海洋业务上已有超过25,000船只上安装了它们的设备。罗罗公司在核动力潜艇推进器上有55年的经验,且核业务还在不断发展。




罗罗公司民用发动机代表产品


RB211系列


RB211系列发动机是罗罗公司研制生产的高涵道比三转子轴流式涡扇发动机。于1972年投入使用,发动机的推力为 37400- 60600 磅,并且 RB211 发动机是世界上最早的三转子发动机。主要型号有 RB211- 524 和RB211- 535 分别用于 Boeing 747- 300 和Boeing 757 等飞机。


Trent系列


Trent系列发动机是罗罗公司研制生产的高涵道比三转子轴流式涡扇发动机。Trent系列发动机是在RB211系列发动机基础上发展起来的,于1990年8月投入使用,发动机的推力为53000-95000磅。主要型号有Trent500、Trent700、Trent800、Trent900、Trent1000和TrentTWB。分别用于A340- 500、 A340- 600; A330; 777- 200、 777- 200ER、 777-300; A380; Boeing 787 等飞机。


罗罗公司RB211和Trent系列的研发历程


TrentXWB



TrentXWB发动机是罗罗公司研制的高涵道比三转子轴流式涡扇发动机,用于A350飞机。设计推力分别为 75,000 磅(适用于 A350- 800)、 84,000 磅(适用于 A350- 900) 及 97,000 磅(适用于 A350- 1000)。


V2500



V2500发动机是由国际航空发动机公司(IAE)研制生产的高涵道比双转子轴流式涡扇发动机。IAE于1983年成立,由四家航空发动机生产商合资而成,包括普惠公司(负责燃烧室及高压涡轮部分)、罗罗公司(负责高压压气机部分)、日本航空发动机公司(负责风扇及低压压气机部分)和MTU发动机公司(负责低压涡轮部分)。于1988年投入使用,发动机的推力为25000- 28000 磅,适用于 A320 系列飞机。


罗罗公司其它发动机代表产品


军用发动机:


  • 应用于“鹞”及“海鹞”垂直/短距起降飞机上的“飞马”(Pegasus)系列可转喷口涡扇发动机;

  • 应用于“狂风”战斗机上的RB199发动机;

  • 应用于“鹰”200多用途战斗机上的英、法合作研制的阿杜尔(Adour)双轴涡扇发动机;

  • 应用于AMX战斗机上的斯贝(Spey)发动机;

  • 欧洲“台风”战斗机选用的国际合作研制的EJ200涡扇发动机;

  • 应用于C-130以及C-27运输机上的艾利逊AE2100涡桨发动机(单台推力4475千瓦);

  • 应用于E-2C预警机上的艾利逊T56涡桨发动机(单台推力3803千瓦);

  • 应用于MB339和IAR-99“鹰”高级喷气教练机上的“毒蛇”系列涡喷发动机(推力范围11.1~19.4千牛)。

  • ······


直升机发动机:


  • 应用于贝尔407以及波音MD600N直升机上的艾利逊Model 250涡轮轴发动机(推力范围313~533千牛);

  • 应用于RAH-66直升机上的T800涡轴发动机;

  • 诺姆(Gnome)和吉姆(Gem)涡轮轴发动机;

  • 国际合作的RTM322和MTR390涡轮轴发动机。

  • ······


航空发动机的市场


目前世界航空发动机发展成熟,市场稳步增长。据罗罗公司预计,2014-2033年全球航空发动机和燃气轮机市场总规模2.68万亿美元。其中发动机及燃气轮机需求1.54万亿美元,配套的服务需求约1.14万亿美元,且配套服务需求净利润是制造业务的数倍。民用航空发动机市场需求1.05万亿美元,相应的服务需求7000亿美元;军用航空发动机需求1550亿美元,相应的服务需求2600亿美元;海军舰船燃气轮机需求2700亿美元,相应服务需求1250亿美元;电力、油气等能源领域需求600亿美元,相应的服务需求600亿美元。


未来20年全球航空发动机和燃气轮机市场需求预测


航空发动机与新材料那些事儿


航空发动机的特点是体积小,功率大,各部件的工作条件严酷,特别是转动件在不同的温度、载荷、环境介质(空气,燃气)下工作,大多须用比强度高、耐热性好和抗腐蚀能力强的材料制造。航空发动机的使用期限不尽相同,军用飞机发动机一般为100~1000小时;民用机发动机甚至要求1万小时以上,所用材料的组织和性能须保持长时间稳定。航空发动机早期采用铝合金、镁合金、高强度钢和不锈钢等制造;后期为适应增加发动机推力、提高飞机飞行速度的需要,钛合金、高温合金和复合材料相继得到应用。



钛合金



钛合金是一种重要的新型结构材料,具有强度高、耐蚀性好、耐热性强等特点。钛合金主要用于飞机及发动机的制造材料,如锻造钛风扇、压气机盘和叶片、发动机罩、排气装置等零件以及飞机的大梁隔框等结构框架件。


俄罗斯VSMPO-AVISMA公司与英国罗尔斯·罗伊斯公司(简称罗罗公司)签订了3.0亿美元的合同,向罗罗公司供应各类钛加工材及半成品,主要包括钛合金盘件、环件等,合同有效期将至2025年。


2013年6月29日,罗罗公司向中国科学院金属研究所颁发钛铝母合金供方质量认证证书,金属所从而成为全球首家通过罗罗公司该项认证的机构。


高温合金


在现代先进的航空发动机中,高温合金材料用量占发动机总量的40%-60%。在航空发动机上,高温合金主要用于燃烧室、导向叶片、涡轮叶片和涡轮盘四大热段零部件,其中铸造高温合金主要用于导向叶片和涡轮叶片,粉末冶金高温合金主要用于涡轮盘,变形高温合金主要用于燃烧室;此外,高温合金还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。



涡扇发动机要达到更大推力、更低的油耗,首要的是提高增压比、提高热效率,涡轮前温度是衡量热效率的一个重要指标,对材料的承温能力要求也因此逐渐提高。为满足材料承温能力和力学性能的要求,高温合金在成分和工艺上不断研发改善,已经经历了从等轴晶,到柱状晶,再到单晶的发展历程。


目前,全球每年消费高温合金材料近28 万吨,市场规模达100 亿美元。全球范围内能够生产航空航天用高温合金的企业不超过50 家,主要集中在美国、俄罗斯、英国、法国、德国、日本和中国。发达国家一般将涉及航空航天应用领域的高温合金产品作为战略军事物资,很少出口。


英国的铸造合金技术世界领先,代表性的是国际镍公司的Nimocast 合金,后来罗罗公司又研制了定向凝固和单晶合金SRR99、SRR2000 和SRR2060 等,其研制的高温合金主要用在航空发动机制造方面。


特殊钢


特殊钢可依需求用在航空发动机低压转子的轮盘和叶片上,对于应用条件较好的发动机,高压转子的轮盘和叶片可用耐热钢制造。发动机的前机匣也可用钢或钛合金制造。


宝钢特材成功冶炼供罗罗公司的发动机材料用钢,各项性能指标均满足用户要求。宝钢特钢先后通过了罗罗公司的质量管理体系审核,产品、技术的评审,现场危害性评估检查的改进和完善,已成功成为英国罗罗公司的合格供应商名录中的一员。


复合材料


尽管罗罗认为其空心钛风扇叶片仍然具有竞争力,但随着风扇直径的日益增大和材料经济性不断提升,“是时候使用复合材料风扇了”,新材料的使用预计会让每台发动机的重量减轻750磅。UltraFan发动机还将采用可变距叶片技术,新型超薄短舱设计等全新技术。UltraFan发动机中压涡轮的旋转部件将采用钛铝合金材料,而燃烧室喷嘴等静止部件将采用陶瓷基复合材料(CMC)。


其实早在2008年,罗尔斯·罗伊斯公司就开始布局复合材料在航空发动机上的应用研发,它和 GKN Aerospace 公司成立了一家合资公司,研发复合材料在航空发动机风扇叶片中的应用。


罗罗公司的“Advance”和“UltraFan”发动机将采用碳纤维/钛风扇叶片,同时在高温组件中使用陶瓷基复合材料。


去年(2014年),罗罗公司应用于Advance 和UltraFan发动机的碳钛合金复合材料风扇叶片进行了首次装机试飞,标志着该项目达到又一里程碑。在位于美国亚利桑那州图森市的罗罗747飞行试验台上,碳钛合金风扇叶片机组首次在遄达1000 “供体”发动机上装机试飞。


罗罗公司新工艺探索——3D打印


ALM技术俗称3D打印技术,以数字模型文件为基础,通过电子束将金属粉末融化,并严格的一层一层地按照蓝本构造成复杂的形状。它主要用在工业建设中较小的部分。然而,罗·罗已经使用“未来的项目和技术”来“建立更大的组件”,艾伦·纽比首席工程师说。“这是一个提升我们未来竞争力的关键技术,”他说。“我们发展得很快,技术有很多潜力”。


罗罗公司早就透露,准备利用3D打印技术制造其喷气式发动机的零部件,以加快生产速度并制造更多轻型零部件。


2015年,罗罗公司通过与英国制造技术中心(MTC)所属的新国家増材制造中心合作,利用3D打印出了有史以来首个最大的民用航空发动机组件。该公司打印的组件是遄达XWB-97发动机的前轴承,使用钛合金,直径1.5米长——大小类似于拖拉机轮胎。该组件不是整体的,包含的48个气动形状的叶片组件也是采用増材制造技术。参与该项目的还有谢菲尔德大学和3D打印专家Arcam公司。Arcam公司的电子束的仪器被用于生产叶片。MTC对钛粉进行分析,结果可供在组装之前评估组件的完整性,这对于了解如何回收钛粉和如果识别工艺过程中的缺陷有重要意义。


罗罗公司供应链——40天引擎计划



一个航空发动机需要数十万个零件,每天这些零件从世界各国生产出来,运输到生产线进行总装,而其中任何一个零件的缺货、任何一条生产线的失误,都可能让这个集团的生产处于停滞状态。据悉,罗罗公司每年要投入55亿英镑来改造供应链,并且在未来几年,罗罗甚至计划把供应链每年的投资提高到80亿英镑。


目前,罗罗的供应商网络由全球70个国家的8000多家供应商组成。在航空制造业这样一个高端精益化生产的行业,罗罗是如何顺应市场改造它庞大的供应链?知名的罗罗“40天引擎计划”又是什么呢?


2000年,罗罗发动了40天引擎计划,顾名思义,就是让客户从下发订单到接收货物只需要40天。这看起来有点不可思议,毕竟在当时,订单的交货周期有260天,甚至一年半之长但是这一切确实在改变着。


1 缩短交付时间


“40天引擎计划”要求供应商尽可能压缩交货时间;对内,它则重新组织了生产流程。简而言之,就是让采购、运输、生产集成和发货等部门彼此沟通,达到无缝连接。


罗罗从一个引擎的设计源头开始就减少零件和生产流程,以求压缩直接供应商的数量。这样的好处是可以给予每一家供应商更大的采购额,帮助它们用规模效益来为罗罗提供更低廉的价格和更完善的服务。


2 精选供应商


罗罗与8000多家生产和非生产性供应商以及多家战略合作伙伴有业务往来,向他们购买所有东西,从工厂铸型和铸造成品部件所用的原材料,到加工部件和成品部件、压缩机、变速箱、电气系统和传感器等等。为保证业务的正常开展,罗罗还购买了多种多样的服务,从物流和运输,到IT支持和设施管理等。其产品制造成本中,约70%用于购买全球供应商的产品和服务。


但是供应商并非多多益善。对于每个新的发动机项目,罗罗要挑选约100家公司作为直接供应商——在大约十年前,该数字一度达到了250家左右。压缩供应商的好处显而易见。一是供应链过于繁杂会影响到交付效率,此外,更少的供应商可以让罗罗能够密切把控其生产速度和质量。


在不同的部件上,罗罗超越传统的采购视野,分别采用了寻找与供应商的共同利益采购策略(与川崎重工的利益共享),改变优化需求性质采购策略(关注新兴创新替代产品),推动供应商竞争和提升采购策略(成发的供应商的自我提升),这些比单纯的战略采购更加有效。


3 信息流追踪


庞大的销售网络也随之带给罗罗一个新的难题:在快速响应客户需求之后,客户更关心的问题在于,如何实时追踪自己订购的产品?


随着客户提出越来越高的需求,罗罗意识到改善信息流迫在眉睫。最终罗罗启动SAP作为供应链管理系统,简单而言,它的作用是让生产、供应、销售整合到同一个信息平台上,彼此之间可以完全看到对方信息。


具体而言,罗罗的信息平台上设立了一个订单管理中心,供应商输入交货日期、交货数量等,罗罗在世界各地的工厂和生产线就能同享这些信息,并且妥善安排组装计划。更重要的是,完善的信息平台让罗罗的库存降至最低,这意味着可以腾挪出更多的现金;同时即时追踪货物也可以提高交付速度,从而让罗罗的销售人员更快从客户手中收回货款,大幅改善了罗罗的现金流。


尾声


大家对梦想飞机空客A380想必都十分熟悉,而A380使用的就是罗尔斯-罗伊斯Trent900系列发动机。每架飞机配备四台发动机,分别位列两个机翼下面。


文章的最后,新材料在线小编再列举几条关于这款发动机的“八卦”,希望让大家更直观的了解航空发动机,了解罗罗公司给世界航空史做出的伟大贡献。


  • Trent 是一条河的名字,其实罗尔斯-罗伊斯公司的发动机系列基本上都是用河流命名。

  • 一个罗尔斯-罗伊斯Trent系列发动机的造价相当于500辆私家车,但是提供的马力却超过了950辆私家车。

  • Trent发动机里面的涡轮扇叶在飞机起飞时,每个叶片要承受1000吨的负载,相当于每个叶片上面挂着一辆货运火车。

  • Trent 900 发动机中的最高温度是太阳表面温度的一半。

  • Trent 900 发动机的压气机气压比是1:39。也就是说,如果飞机在地面附近飞行的时候,发动机中压气机后面的压力是39个大气压,39大气压相当于海底400米左右的压力。而你家炖肉的高压锅一般是两个大气压哦。

  • 当A380飞行时,它翅膀下的每台发动机的进气量相当于16万人在同时呼吸。

  • 你如果想从北京去巴黎,乘坐空客A380和开汽车所用的燃油量基本相同,可是A380却快多了。


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作者:双鱼座

新材料在线责任编辑:小苏

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