第3个回答 2010-05-21
F119 Engine for F-22
F119是美国普惠公司为F-22研制的推重比10一级的加力式涡扇发动机,它采用了普惠公司多年的经验和新研究的技术,在结构和性能上代表了当前最先进的战斗机发动机的水平去年底,普惠公司为F- 22试飞交付了第一台生产型F119发动机,这标志着F119的工程研制工作即将完成。最近,普惠公司开始进行生产型F119的耐久性试验的最后阶段。该发动机在结构和性能上较前一代战斗机发动机F100有很大提高,而可靠性、耐久性和维修性也较前一代向前迈进了一大步。
性能与结构设计
F119的主要性能参数为:最大推力156千牛, 中间推力105千牛,总压比35,涵道比0.3, 涡轮前温度1577℃~1677℃,最大直径1.13米, 长度4.826米, 重量 1360千克。与普惠公司为第3代战斗机F-15、F-16研制的推重比为8一级的F100发动机相比,F119在总级数、零件数、推重比等均有较大的改进,见表1。
与F119相竞争的YF120发动机为变循环发动机,在第2级风扇后有一可调外涵出气环,在高压压气机中,第1级转子叶片作得较长,其后有一外涵出气环,在发动机工作时,第1级高压压气机后的放气环始终打开,因此,第1级高压压气机转子起到风扇的作用。在低工况下,风扇的可调外涵放气环打开,使涵道比加大以获得低的耗油率;在大工况时,该放气环关闭,发动机成为小涵道比涡扇发动机,以增加单位推力。由于YF120的风扇、压气机均比F119少1级,且高、低压涡轮间无导向叶片,因此它比F119少5排叶片。表2列出了YF120和YF119在结构上的主要差别。
在F119总体结构设计中,与普惠公司以往的发动机相比,有二个突出的变化,一是高压转子支撑方式改用了GE公司惯用的形式, 二是高压涡轮采用了单级。
普惠公司在60年代后期开始研制的民用发动机(JT9D、PW2037、PW4000)及军用发动机(F100)中,高压转子均采用1-1-0支撑方式,即高压压气机前为滚珠轴承,后支点设在高压涡轮前,高压涡轮是悬臂支撑的,该轴承的负荷是通过燃烧室机匣传出的。这种设计不仅使发动机承力框架数多,而且高压涡轮轴由于要装轴承使轴径小、且涡轮盘是悬臂支承的,给转子动力学设计带来困难。GE公司的发动机(军用的有F101、110、F404,民用的有CFM56)中,高压转子则采用了1-0-1支撑方式,即转子的后支点设在高压涡轮后,且采用了中介轴承,即该轴承的外环固定于高压转子上,内环固定于低压转子上,这种布局不仅可减少一个承力框架,而且高压涡轮轴轴径可作得很大,增加了转子刚性,它的缺点是中介轴承的润滑与封严较为复杂些。
普惠公司在F119发动机的总体设计中,一改以往的作法,将高压转子的支撑方式改用了GE公司惯用的1-0-1且后支点为中介轴承的方式, 在该公司最新的民用发动机PW8000中也采用了1-0-1高压转子支撑方式,这一设计变化,值得注意。
高压涡轮的设计中,普惠公司在60年代后期开始研制的发动机,例如它的大型民用发动机JT9D、PW2037、PW4000以及军用发动机F100均采用了双级设计,这种设计,使每级涡轮的负荷小,涡轮效率要大些,但带来零件多,重量增大的缺点。GE公司则在同时期研制的发动机(军用F101、F110、F404和民用CFM56)中,均采用了单级高压涡轮,虽然涡轮效率稍低,但使发动机结构简单,零件数,重量轻等。在F119设计中,普惠公司一改以往的作法,采用了单级高压涡轮的设计,这一改变也是为了提高推重比。
主要部件设计特点
1. 风扇 3级,第1级风扇叶片采用宽弦、空心设计, 与用于B777的PW4084发动机上的空心叶片结构相同,即叶片由叶盆、叶背两块型板经扩散连接法连接成整体叶片,在连接前,先将两板接合面处纵向地铣出几条槽道形成空腔。这种空心叶片的空心度较小。
用钛合金制的3级风扇转子均采用了整体叶盘结构。单个加工好的叶片用线性摩擦焊焊到轮盘上相应的凸块上(凸块与叶片底部均留有少量加工余量),焊好后再将多余的材料磨去形成完整的整体叶盘,罗-罗公司近期也采用这种加工方法。在YF-22进行验证飞行时所用的YF119中,仅第2、3级风扇采用了整体叶盘。
为保证风扇机匣刚性均匀,保持较均匀的叶尖间隙,风扇机匣作成整环的,为此,风扇转子作成可拆卸的,即第2级盘前、后均带鼓环,分别与第1、3级盘连接。
风扇进口处采用了可变弯度的进口导流叶片,其结构与F100的类似。第3级静叶均采用了弯曲设计,这种设计也用于PW4084。
2. 高压压气机 6级,采用高级压比设计,6级转子全采用整体叶盘结构。进口导叶与第1、2级导叶是可调节的,前机匣采用了阻燃"Alloy C"钛合金以减轻重量。为增加高压压气机出口处机匣(该处直径最小,形成了缩腰)的纵向刚性,燃烧室机匣前伸到压气机的3级处,使压气机后机匣具有双层结构,外层传递负荷,内层仅作为气流的包容环,这种结构在大型高涵道比涡扇发动机中得到广泛采用。
3. 燃烧室 短环形,火焰筒为双层浮壁式,外层为整体环形壳体,在壳体与燃气接触的壁面上铆焊有薄板,薄板与壳体间留有一定的缝隙,使冷却两者的空气由缝中流过。为了使薄板在工作中能在圆周与长度上自由膨胀,薄板在圆周与长度上均切成一段段的,形成多片瓦块状的薄板,因此这种火焰筒又可称为瓦片式火焰筒。
采用浮壁式火焰筒可改善火焰筒的工作条件,不仅可提高火焰筒的寿命,与燃气接触的瓦片烧坏后还可更换,而且还可使排气污染物减少。这种结构己在V2500、PW4084等民用发动机上采用。
4. 高压涡轮 单级,工作叶片用普惠公司的第3代单晶材料制成,采用了先进的气膜冷却技术。涡轮盘采用双重热处理以适应外缘与轮心的不同要求,即外缘采用了提高损伤容限能力的处理,以适应榫槽可能出现的微裂纹;轮心部分则采用提高强度的热处理,这种在一个零件上采用两种要求不同的热处理,实属罕见。工作叶片叶尖喷涂有一层耐磨涂层(在XF119上没有采用),以减少性能的衰退率,这种措施在大型民用涡扇发动机中应用较多。
5. 低压涡轮 单级,与高压涡轮转向相反。这种将高、低压转子作成对转的结构,当飞机机动飞行时作用于两转子上的陀螺力矩会相互抵消大部分,因此可减少外传到飞机机身的力矩;另外,对装于两转子间的中介轴承,轴承内、外环转向相反时,会大大降低保持架与转子组合体相对内、外环的转速,对轴承的工作有利,但增加了封严的难度。理论上,高、低压涡轮对转时, 可以不要低压涡轮导向器(YF120上即无),但F119上仍然采用了导向器。低压涡轮轮盘中心开有大孔,以便安装高压转子的后轴承(中介轴承),这 与F404、M88发动机的结构类似。
6. 加力燃烧室 分三区,加力筒体采用"Alloy C"阻燃钛合金以减轻重量,筒体内作有隔热套筒,两者间的缝隙中流过外涵空气对筒体进行冷却,在YF119上采用外部导管引冷却空气对筒体进行冷却,在F119上取消了外部导管。
7. 尾喷管 二元收敛-扩张矢量喷管, 喷管上、下的收扩式调节片可单独控制喉道与出口面积,且当上、下调节片同时向上或向下摆动时,可改变排气流的方向,从而改变推力的方向。发动机的推力能在飞机的俯仰方向±20°内偏转,从+20°到-20°的行程中只需1秒钟。推力和矢量由双余度全权限数字电子控制系统控制,用由煤油作介质的作动筒来操纵。调节片设计成可减少雷达散射截面积;为减少红外信号,对调节片进行了冷却。尾喷管也采用"Alloy C"阻燃钛合金以减轻重量。
8. 燃油控制系统 为第3代双余度全权限数字电子控制系统。
维修性与可靠性设计
1. 维修性 在F119设计中,特别强调了维修性,例如大部分附件包括燃油泵和控制系统均作成外场可更换组件(LRU),每个LRU拆换时间不超过20分钟,所用的工具仅是11种标准手动工具;在外场维修时需进行拆装的紧固件不允许用保险丝、开口销;由于采用"B"型螺母,拧螺母时可不采用限扭扳手;孔探仪的座孔设计成无螺纹内置式的;所有导管、导线均用不同的颜色予以区分;滑油箱装有目视的油位指示器;连接件作成能快卸快装的结构;自动化的综合诊断系统;在外场无须对附件进行调整与微调;以计算机为基础的培训系统;电子技术(即光盘)文件;具有抗外物击伤与抗锈蚀能力;压气机机匣水平对开,以便迅速接近内部零件;所有附件均置于发动机下部等。由于采用了这些措施,使外场级、中修级的维修工作减少75%,基地级维修所用的工具减少60%,平均工具的重量减轻40%。
2. 可靠性 普惠在设计F119时,遵循了采用"经过验证的技术",以及使发动机结构简单和零件数少的原则,因此,它的性能较前一代发动机F100有较大提高,也采用了一些以前发动机中未采用的新技术,而其可靠性比F100的要高。表3表示F119与F100-PW-220相比,其可靠性和维修性的改进。
F135发动机是由非常成功的F-22"猛禽"战机所装的F119发动机发展而来。在F-35于2012年投入服役时,F135与F119两者合计将超过80万小时运转时数。额定推力超过40000磅(17815拾牛),F135是迄今所生产的最强劲的战斗机发动机。