F110渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)研制情況

F110渦扇發(fā)動機(jī)是美國通用電氣公司從轟炸機(jī)用的F101改型而來的戰(zhàn)斗機(jī)用的加力渦扇發(fā)動機(jī)。

美國卡特政府決定停止B-1A/F101-GE-100計(jì)劃和美國第一線戰(zhàn)斗機(jī)用的TF30和F100發(fā)動機(jī)存在大量耐久性、可靠性和操縱性問題，是促使通用電氣公司作這一改型工作的主要原因。該公司在1976年就自 籌資金制造了一臺F101X驗(yàn)證機(jī)，其熱力參數(shù)與F100發(fā)動機(jī)的相似，與原來的F101-GE-100相比，減小了涵道比，提高了增壓比。

隨著軍方對戰(zhàn)斗機(jī)的戰(zhàn)備狀態(tài)和全壽命期費(fèi)用的關(guān)心日益增強(qiáng)，美國空軍實(shí)施了改型戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)計(jì)劃，并與通用電氣公司簽訂一項(xiàng)有限的研制合同，價(jià)值8000萬美元，包括3臺原型機(jī)，編號為F101DFE。這項(xiàng)研制計(jì)劃的目標(biāo)是:

(1)鑒定F-16和F-14飛機(jī)/發(fā)動機(jī)在實(shí)際飛機(jī)中的匹配能力，包括性能和作戰(zhàn)適用性;

(2)通過加速任務(wù)試驗(yàn)確定發(fā)動機(jī)的耐久性;

(3)根據(jù)驗(yàn)證的能力，提出生產(chǎn)型發(fā)動機(jī)的型號規(guī)范。

如果計(jì)劃成功，那么將提供足夠的數(shù)據(jù)，以使進(jìn)入全面工程研制階段的風(fēng)險(xiǎn)減到最小。

經(jīng)過1980年和1981年兩年的廣泛試驗(yàn)，達(dá)到或部分超過了預(yù)期的目標(biāo)。在F-16飛機(jī)上的試飛結(jié)果證明，F(xiàn)101DFE無需作重大改進(jìn)就可以裝在這種飛機(jī)上使用。在F-14飛機(jī)上的試飛結(jié)果表明，飛機(jī)的留空時(shí)間和作戰(zhàn)半徑都比裝原來TF30發(fā)動機(jī)的增加25%。在試飛中，發(fā)動機(jī)無需調(diào)整，并且油門桿的使用不受限制。在1982年12月的一次試驗(yàn)中，完成了5004個(gè)總累積循環(huán)(TAC)，其熱端部件壽命為當(dāng)時(shí)新采購的F100發(fā)動機(jī)的三倍。

基于上述結(jié)果，通用電氣公司又得到了一項(xiàng)在空軍替換戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)計(jì)劃下的全面研制合同，價(jià)值9300萬美元，為期兩年，發(fā)動機(jī)正式編號為F110，與普拉特·惠特尼公司F100發(fā)動機(jī)的改進(jìn)型競爭用于新生產(chǎn)的F-15和F-16戰(zhàn)斗機(jī)。這項(xiàng)全面研制計(jì)劃的重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳化，確定供F-15、F-16和F-14用的F110發(fā)動機(jī)的最終構(gòu)型，并繼續(xù)進(jìn)行高空模擬試驗(yàn)、加速任務(wù)試驗(yàn)和各種環(huán)境試驗(yàn)。

F110發(fā)動機(jī)已于1985年初定型投產(chǎn)并開始交付。

與F101-GE-100發(fā)動機(jī)相比，F(xiàn)110有以下幾方面的改變:風(fēng)扇由2級改為3級，壓比提高到3.2，直徑減小到970mm，涵道比由2.01減到0.87;為適應(yīng)低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高，重新設(shè)計(jì)了低壓渦輪;為滿足戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)動飛行要求，設(shè)計(jì)過載提高到10;對控制系統(tǒng)作了改進(jìn)，增加了備份裝置;為適應(yīng)F-14、F-16和特別是F-15飛機(jī)的機(jī)體，對外部尺寸、管線和防冰系統(tǒng)作了必要的修改;最后，也是很容易被忽略的一點(diǎn)，就是為了減輕重量而不犧牲耐久性，對核心機(jī)以外的幾乎所有部件和系統(tǒng)都采取了減重措施。

1984年2月，美國空軍按照雙承包商采購策略，決定對F-15和F-16戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)的采購在F100和F110之間按一定比例分配。在1985年采購的160臺中，75%為F110，25%為F100。從此，開始了一場發(fā)動機(jī)大戰(zhàn)(Great Engine War)。到1994年為止，F(xiàn)110共獲訂貨1065臺，F(xiàn)100為1021臺，基本上平分秋色。但通用電氣公司聲稱它獲得勝利，因?yàn)樵?000多架F-16C/D戰(zhàn)斗機(jī)中，該公司提供的發(fā)動機(jī)占75%。

F110-GE-100 F110的基本型，采用了F404的風(fēng)扇、加力燃燒室和噴管技術(shù)。用于F-15和F-16。

F110-GE-400 海軍型，與F110-GE-100基本相同。1987年開始用于F-14B/D。

F110-GE-129 性能改進(jìn)型，推力達(dá)12900daN。提高了渦輪進(jìn)口溫度55~80℃，增大了轉(zhuǎn)速，改進(jìn)了材料，采用全權(quán)數(shù)字電子控制系統(tǒng)。涵道比降為0.76，零件數(shù)目比F100-GE-100少40~50%。

F110X 研究中的新改型，推力將達(dá)16210daN，推重比9.5。

F118-GE-100 F110的不加力型，不加力推力為8452daN。提高了風(fēng)扇壓比和空氣流量。1987年定型，并用于B-2轟炸機(jī)。1991年決定用于改裝TR-1，以取代原來的J75渦噴發(fā)動機(jī)。

進(jìn) 氣 口 環(huán)形。帶17個(gè)變彎度進(jìn)口導(dǎo)向葉片，其前部為徑向支板，后部為可調(diào)部分。

風(fēng) 扇 3級軸流式，系F404發(fā)動機(jī)風(fēng)扇的放大型。轉(zhuǎn)子葉片材料為鈦合金。水平對開機(jī)匣，轉(zhuǎn)子和整流葉片可單獨(dú)更換。風(fēng)扇直徑970mm，壓比3.2。

壓 氣 機(jī) 9級軸流式。頭3級材料為鈦合金，后6級為A286鋼。零級和頭3級整流葉片可調(diào)。轉(zhuǎn)子為盤鼓式，用慣性焊連接。水平對開機(jī)匣，前段為鈦合金，后段為鋼。設(shè)有孔探儀窺孔，用以觀察轉(zhuǎn)子和其他部件。壓比9.7，效率85%。

燃 燒 室 短環(huán)形?；鹧嫱灿蒆astelloy X合金經(jīng)機(jī)加工而成。燃油經(jīng)20個(gè)雙錐噴嘴和20個(gè)小渦流杯噴出并霧化，實(shí)現(xiàn)無煙燃燒，具有均勻的出口溫度場。

高壓渦輪 單級軸流式。高負(fù)荷氣冷葉片，用沖擊和氣膜冷卻。機(jī)匣內(nèi)襯扇形段通過冷卻空氣進(jìn)行葉尖間隙控制。Rene 125制的轉(zhuǎn)子葉片和導(dǎo)向器可單獨(dú)更換。有些轉(zhuǎn)子葉片用N-5單晶鑄造，效率為0.87。

低壓渦輪 2級軸流式，帶冠。2級轉(zhuǎn)子葉片均可單獨(dú)更換，第2級導(dǎo)向器葉片可分段更換。第1級轉(zhuǎn)子葉片材料為Rene 125，盤為Rene 95。第2級材料均為Rene 80，軸用IN718合金。

加力燃燒室 F101的縮小型。用回旋式混合器使內(nèi)、外涵氣流有效混合。內(nèi)涵氣流中90%的空氣在燃油噴入外涵氣流前燃燒完，使整個(gè)工作范圍內(nèi)溫升平穩(wěn)。外殼材料為IN625。

尾 噴 管 收斂-擴(kuò)張型。由F404發(fā)動機(jī)的改型而來。噴口面積由液壓作動筒和作動環(huán)控制，主、副噴管的調(diào)節(jié)板分三段鉸接，在凸輪和滾柱上移動，以調(diào)節(jié)噴口面積。噴管外殼材料為焊接的鈦合金。

控制系統(tǒng) 伍德沃德公司的主燃油控制器，并有電子模擬和主液壓機(jī)械控制備份以及一個(gè)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速限制器。F110-GE-129采用全權(quán)數(shù)字式電子控制。

支承系統(tǒng) 5支點(diǎn)。高壓轉(zhuǎn)子2個(gè)軸承，低壓轉(zhuǎn)子3個(gè)軸承。

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

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)起來之后，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

分開排氣渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(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

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

混合排氣渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(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 M53

用 途 軍用渦扇發(fā)動機(jī)

類 型 渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)

國 家 法國

廠 商 國營航空發(fā)動機(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)動機(jī)、TF106與TF306發(fā)動機(jī)的研制技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)。與阿塔9K50發(fā)動機(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)簡單，便于維修。M53采用了大量鈦合金，大大減輕了發(fā)動機(jī)重量。該發(fā)動機(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)動機(jī)喘振裕度，對壓氣機(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)氣膜與對流冷卻。-P2于1981年6月首次臺架試驗(yàn)，1985年1月開始生產(chǎn)。

M53-PX3型發(fā)動機(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級軸流式。跨音速風(fēng)扇懸臂支承在前滾棒軸承上。轉(zhuǎn)子盤-鼓為電子束焊接的整體式結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子葉片無減振凸臺。葉片用鈦合金制造。無進(jìn)口導(dǎo)流葉片。

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

燃 燒 室 環(huán)形，無煙。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級軸流式(M53-P2為3級)。轉(zhuǎn)子葉片與導(dǎo)向器葉片為對流冷卻。第1級轉(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對調(diào)節(jié)片和封嚴(yán)片由16個(gè)作動筒操縱。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)，但帶有一臺對全系統(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)動機(jī)可靠工作20min。

起動系統(tǒng) 燃?xì)鉁u輪起動機(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。