F101渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)研制情況

F101是美國(guó)通用電氣公司為戰(zhàn)略轟炸機(jī)B-1研制的中等涵道比加力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。它的研制過(guò)程可以追溯到60年代中期，當(dāng)時(shí)該公司正按美國(guó)空軍合同實(shí)施第二代先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器計(jì)劃，編號(hào)為GE9。在1969年為爭(zhēng)奪用于先進(jìn)有人駕駛戰(zhàn)略轟炸機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)中，GE9驗(yàn)證機(jī)獲勝，從而導(dǎo)致在1970年6月美國(guó)空軍與該公司簽訂一項(xiàng)4.06億美元的全面研制合同，其中包括40臺(tái)原型機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)正式編號(hào)為F101-GE-100。1971年10月核心機(jī)首次試驗(yàn)，1972年7月全臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)。試飛前規(guī)定試驗(yàn)于1974年3月完成，同年12月沒(méi)有經(jīng)過(guò)空中試車(chē)臺(tái)試驗(yàn)而直接裝在B-1A原型機(jī)上試飛。1976年9月通過(guò)相當(dāng)于通常的型號(hào)合格試驗(yàn)(MQT)的產(chǎn)品考核(PV)試驗(yàn)。1977年6月，上臺(tái)不久的卡特政府認(rèn)為，B-1A飛機(jī)的造價(jià)太高，而新研制的巡航導(dǎo)彈便宜而有效，并且B-52轟炸機(jī)還可用到80年代，所以決定停止B-1A計(jì)劃。但F101-GE-100的試驗(yàn)計(jì)劃仍一直繼續(xù)到1981年，在后續(xù)工作發(fā)展計(jì)劃的名義下，加速發(fā)動(dòng)機(jī)的成熟，延長(zhǎng)零部件的壽命，降低生產(chǎn)成本和后勤保障費(fèi)用。最后，地面試驗(yàn)積累了40000h以上，飛行試驗(yàn)積累了7600h，發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了可以投入使用的水平?？偟难兄瀑M(fèi)用為6.21億美元。

為滿(mǎn)足B-1A轟炸機(jī)既能在高空以M>2飛行、又能在低空跨音速突防、同時(shí)具有洲際航程的要求，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，首先要求耗油率低并兼有大的加力比。為此，通用電氣公司選擇了中等涵道比、高增壓比的加力渦扇循環(huán)。在研制中，利用該公司過(guò)去的J79、TF39發(fā)動(dòng)機(jī)以及一系列研究和技術(shù)計(jì)劃的成果，如1965年開(kāi)始的先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器計(jì)劃，采用Rene系列高溫鎳基合金、激光打孔、摩擦焊、先進(jìn)的冷卻技術(shù)和控制技術(shù)，F(xiàn)101是首次用紅外線高溫計(jì)作為其調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)之一的發(fā)動(dòng)機(jī)。高溫計(jì)測(cè)取72片高壓渦輪葉片的平均溫度。當(dāng)溫度達(dá)到極限時(shí)，調(diào)速器將限制燃油流量和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。為便于維修，F(xiàn)101采用單元體結(jié)構(gòu)并設(shè)有許多孔探儀檢查口。

F101是研制中全面貫徹美國(guó)空軍1969年制訂的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱的第一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。該大綱的貫徹主要通過(guò)以下四條措施來(lái)保證。

(1)遵循嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在準(zhǔn)則中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)耐久性方面的要求有:發(fā)動(dòng)機(jī)冷、熱端部件壽命分別為13500h和4000h，或2700齪?00個(gè)低周疲勞循環(huán)。在預(yù)估壽命時(shí)要按上述兩倍考慮。

(2)采用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析方法，如有限元素法、回轉(zhuǎn)體、葉柵和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等電子計(jì)算機(jī)程序，合理設(shè)計(jì)各種零件。

(3)進(jìn)行大量的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和壽命試驗(yàn)。在研制中，共用40多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)作各種整機(jī)、部件和系統(tǒng)試驗(yàn)。F101是首次采用加速任務(wù)試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)。

(4)采用先進(jìn)的測(cè)試儀器和壽命監(jiān)控系統(tǒng)，除采用加速度計(jì)、紅外線高溫計(jì)等測(cè)振、測(cè)溫措施外，在B-1A轟炸機(jī)上加裝中央綜合試驗(yàn)分系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)。在使用中，可將記錄的數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出各零部件的剩余壽命，結(jié)合外場(chǎng)維護(hù)和孔探儀檢查情況，實(shí)現(xiàn)視情維護(hù)原則。

1981年10月2日，美國(guó)里根政府決定重新生產(chǎn)100架B-1B戰(zhàn)略轟炸機(jī)。于是，1982年美國(guó)空軍給予通用電氣公司一項(xiàng)1.822億美元的全面研制合同，包括3臺(tái)F101-GE-102原型機(jī)，用于性能和結(jié)構(gòu)完整性試驗(yàn)。以后陸續(xù)簽訂了3項(xiàng)合同:1.25億美元用于生產(chǎn)4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)和長(zhǎng)周期項(xiàng)目的準(zhǔn)備;2.859億美元用于生產(chǎn)37臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī);以及15.8億美元用于生產(chǎn)428臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。

F101-GE-102型 與-100型基本相同，但耐久性有進(jìn)一步提高，并根據(jù)B-1B的作戰(zhàn)任務(wù)作了一些小的修改。通用電氣公司為F101-GE-102制訂了一項(xiàng)充分的試驗(yàn)計(jì)劃。在3臺(tái)原型機(jī)中:

1號(hào)原型機(jī)在1983年9月完成2組各由381個(gè)循環(huán)組成的加速任務(wù)試驗(yàn)，實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)800h，相當(dāng)于在B-1B上10年的使用壽命;

2號(hào)原型機(jī)在1984年秋季完成加速任務(wù)試驗(yàn)，驗(yàn)證了10000h的冷端壽命和3000h的熱端壽命;

3號(hào)原型機(jī)供生產(chǎn)定型用，于1983年9月通過(guò)定型并正式交付給美國(guó)空軍。

F101-GE-25 F101的不加力型，可能用于兩種超音速的隱身飛機(jī)。

F101-GE-28 F101的又一種不加力型，可能用于美國(guó)空軍一種高度保密的飛機(jī)。

結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)

(F101-GE-100)

進(jìn) 氣 口 環(huán)形。20個(gè)進(jìn)口導(dǎo)流葉片，前緣固定，起支板作用，后緣可調(diào)。熱空氣防冰。

風(fēng) 扇 2級(jí)軸流式。實(shí)心鈦合金工作葉片帶冠，水平對(duì)開(kāi)鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)機(jī)匣。壓比2.0，轉(zhuǎn)速7710r/min。

壓 氣 機(jī) 9級(jí)軸流式。零級(jí)和前5級(jí)靜子葉片可調(diào)。前3級(jí)轉(zhuǎn)子葉片為鈦合金，后6級(jí)為A286鋼。轉(zhuǎn)子為慣性焊接盤(pán)鼓式，前3級(jí)盤(pán)為鈦合金，后6級(jí)為DA718鋼。轉(zhuǎn)子和靜子葉片均可單獨(dú)更換。水平對(duì)開(kāi)機(jī)匣，前段為鈦合金，后段為IN718。壓比12.5。

燃 燒 室 短環(huán)形?；鹧嫱灿蒆astelloy X合金經(jīng)機(jī)加工制成。燃油經(jīng)20個(gè)雙錐噴嘴和小渦流杯在高能氣流剪切作用下霧化，實(shí)現(xiàn)無(wú)煙燃燒。

高壓渦輪 單級(jí)軸流式。高負(fù)荷氣冷葉片，用沖擊和氣膜冷卻。轉(zhuǎn)子葉片材料為DSR80H，盤(pán)為DA718。機(jī)匣內(nèi)襯扇形段，通冷卻空氣進(jìn)行主動(dòng)間隙控制。轉(zhuǎn)子和靜子葉片可單獨(dú)更換。

低壓渦輪 2級(jí)軸流式。葉尖帶冠，非冷卻。轉(zhuǎn)子葉片均可單獨(dú)更換，導(dǎo)向葉片分段更換。盤(pán)材料為DA718。

加 力

燃 燒 室 混合流型。盤(pán)旋式混合器使內(nèi)、外涵氣流有效混合并燃燒。筒體材料為IN625。

尾 噴 管 收擴(kuò)式。由鉸接的魚(yú)鱗板組成主、副噴管，由作動(dòng)筒、移動(dòng)杯、凸輪和連桿組成液壓機(jī)械式作動(dòng)機(jī)構(gòu)。

控制系統(tǒng) 機(jī)械液壓式。帶電子式調(diào)整器，可以對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、渦輪轉(zhuǎn)子葉片溫度和尾噴管面積進(jìn)行控制。此外，還有中央綜合測(cè)試系統(tǒng)，不斷監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

燃油系統(tǒng) 維克斯公司的主燃油泵和噴管液壓泵。森德斯特蘭德公司的燃油增壓泵。派克-漢尼茲公司的燃油活門(mén)組件和燃油噴嘴。伍德沃德公司的燃油控制器和傳感器。

滑油系統(tǒng) 整體式滑油和液壓油箱。

最大起飛推力(daN)

F101-GE-100 13338(加力)

7561(中間)

-102 13681(加力)

7561(中間)

-25 7120(中間)

-28 8012(中間)

起飛耗油率[kg/(daN·h)]

F101-GE-100 2.24(加力)

0.56(中間)

推重比

F101-GE-100 7.50

-102 7.69

空氣流量(kg/s)

F101-GE-100/-102 159

涵道比

F101-GE-100/-102 2.01

總增壓比

F101-GE-100/-102 26.5

渦輪進(jìn)口溫度(℃)

F101-GE-100/-102 1371

最大直徑(mm)

F101-GE-100/-102 1397

長(zhǎng)度(mm)

F101-GE-100/-102 4600(含進(jìn)氣錐)

質(zhì)量(kg)

F101-GE-100/-102 1814

進(jìn)氣道進(jìn)氣---壓氣機(jī)增壓---燃燒室加熱---渦輪膨脹作功帶動(dòng)壓氣機(jī)---尾噴管膨脹加速---排氣到體外

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)起來(lái)之后，壓氣機(jī)源源不斷地把壓縮了的空氣送到后面的燃燒室，在燃燒室里空氣和燃油混合燃燒，向后排出高溫高速高壓氣體，這些氣體帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪和壓氣機(jī)是用軸連在一起的，因此渦輪旋轉(zhuǎn)了，壓氣機(jī)也跟著旋轉(zhuǎn)，就不斷地把空氣壓縮進(jìn)去了

分開(kāi)排氣渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)

進(jìn)氣道進(jìn)氣--風(fēng)扇增壓--氣流分為兩股

內(nèi)涵氣流：壓氣機(jī)增壓--燃燒室加熱--渦輪膨脹作功帶動(dòng)風(fēng)扇和壓氣機(jī)--內(nèi)涵尾噴管膨脹加速--排氣到體外

外涵氣流：外涵道--外涵尾噴管膨脹加速--排氣到體外

我們常見(jiàn)的民航客機(jī)所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)，多半是分別排氣渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，比如著名的V2500，PW4000,GE90....

混合排氣渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)

進(jìn)氣道進(jìn)氣--風(fēng)扇增壓--氣流分為兩股

內(nèi)涵氣流：壓氣機(jī)增壓--燃燒室加熱--渦輪膨脹作功帶動(dòng)風(fēng)扇和壓氣機(jī)--混合器

外涵氣流：外涵道--混合器

兩股氣流在混合器中摻混--尾噴管膨脹加速--排氣到體外

牌 號(hào) M53

用 途 軍用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)

類(lèi) 型 渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)

國(guó) 家 法國(guó)

廠 商 國(guó)營(yíng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究制造公司

生產(chǎn)現(xiàn)狀 生產(chǎn)

M53-2 "幻影"2000原型機(jī)。

M53-5 "幻影"4000原型機(jī)。

M53-P2 "幻影"2000。

M53-PX2 "幻影"2000。

M53采用了阿塔發(fā)動(dòng)機(jī)、TF106與TF306發(fā)動(dòng)機(jī)的研制技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)。與阿塔9K50發(fā)動(dòng)機(jī)相比，在直徑相同情況下，M53的推力提高約1960daN，巡航耗油率降低10~15%，長(zhǎng)度縮短約1米。

M53的特點(diǎn)是采用三支點(diǎn)的單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，與雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)雖然性能較差，但零部件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維修。M53采用了大量鈦合金，大大減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)重量。該發(fā)動(dòng)機(jī)共有12個(gè)單元體。M53的研制費(fèi)用約1億多美元。

M53-2 早期的原型機(jī)。

M53-5 在M53-2基礎(chǔ)上的發(fā)展型，除加力推力稍增加外，外廓尺寸、重量和設(shè)計(jì)參數(shù)與M53-2基本相同。為改善發(fā)動(dòng)機(jī)喘振裕度，對(duì)壓氣機(jī)葉片、控制系統(tǒng)和渦輪導(dǎo)向器做了改進(jìn)。

M53-P2 M53的進(jìn)一步改進(jìn)型。主要改進(jìn)包括采用先進(jìn)的低壓壓氣機(jī)、改進(jìn)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計(jì)、重新設(shè)計(jì)熱端部件、先進(jìn)氣膜與對(duì)流冷卻。-P2于1981年6月首次臺(tái)架試驗(yàn)，1985年1月開(kāi)始生產(chǎn)。

M53-PX3型發(fā)動(dòng)機(jī)具有高推力、低成本和先進(jìn)工藝技術(shù)。技術(shù)改進(jìn)包括全新的數(shù)字電調(diào)、渦輪優(yōu)化設(shè)計(jì)和可重復(fù)工作的加力系統(tǒng)。M53-PX3型發(fā)動(dòng)機(jī)將使幻影2000戰(zhàn)斗機(jī)保持尖端性能。

進(jìn) 氣 口 環(huán)形，帶尖進(jìn)氣錐，用熱空氣防冰。

風(fēng) 扇 3級(jí)軸流式。跨音速風(fēng)扇懸臂支承在前滾棒軸承上。轉(zhuǎn)子盤(pán)-鼓為電子束焊接的整體式結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子葉片無(wú)減振凸臺(tái)。葉片用鈦合金制造。無(wú)進(jìn)口導(dǎo)流葉片。

壓 氣 機(jī) 5級(jí)軸流式。等外徑設(shè)計(jì)。整流葉片不可調(diào)，無(wú)中間放氣。無(wú)進(jìn)口導(dǎo)流葉片。前3級(jí)轉(zhuǎn)子是電子束焊接的鈦合金整體式結(jié)構(gòu)，后2級(jí)是鋼的，用螺栓連接。

燃 燒 室 環(huán)形，無(wú)煙。6段氣膜冷卻。機(jī)加工的氣膜孔徑約2.5~3mm。氣膜孔環(huán)與二股氣流進(jìn)氣段用電子束焊接。有14個(gè)預(yù)蒸發(fā)燃油噴嘴。

渦 輪 2級(jí)軸流式(M53-P2為3級(jí))。轉(zhuǎn)子葉片與導(dǎo)向器葉片為對(duì)流冷卻。第1級(jí)轉(zhuǎn)子葉片與導(dǎo)向器葉片有15個(gè)通冷空氣的小孔，第2級(jí)有8個(gè)。

加力燃燒室 平行進(jìn)氣的內(nèi)外涵氣流混合式。V型火焰穩(wěn)定器。3圈供油環(huán)供油。軸向波紋狀防振屏。隔熱屏有11段圓環(huán)和11排氣膜冷卻孔。

尾 噴 管 可調(diào)引射噴管。16對(duì)調(diào)節(jié)片和封嚴(yán)片由16個(gè)作動(dòng)筒操縱。尾噴管喉部面積變化范圍為2850~5550cm2。

控制系統(tǒng) M53-5采用電氣-機(jī)械控制系統(tǒng)，但帶有一臺(tái)對(duì)全系統(tǒng)都起作用的電子計(jì)算機(jī)。此外，還有后備系統(tǒng)。當(dāng)主系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，仍可保證主系統(tǒng)和加力系統(tǒng)的工作。M53-P2為全權(quán)數(shù)字電子控制系統(tǒng)，同時(shí)備有應(yīng)急燃油系統(tǒng)。

燃油系統(tǒng) 來(lái)自飛機(jī)油箱的燃油經(jīng)增壓泵后，分別進(jìn)入主燃油泵和加力燃油泵，兩路燃油經(jīng)過(guò)各自的調(diào)節(jié)器后，分別經(jīng)各自的燃油總管，進(jìn)入主燃燒室和加力燃燒室。使用JP-1或JP-4。

滑油系統(tǒng) 由齒輪式滑油增壓泵、回油泵、自動(dòng)斷油指示器、油濾、滑油分配器和散熱器等組成。單發(fā)時(shí)備有應(yīng)急滑油系統(tǒng)，在發(fā)生故障時(shí)可保證發(fā)動(dòng)機(jī)可靠工作20min。

起動(dòng)系統(tǒng) 燃?xì)鉁u輪起動(dòng)機(jī)。

點(diǎn)火系統(tǒng) 主燃燒室有2個(gè)高能點(diǎn)火電嘴，火花能量為4J。