F119發(fā)動機

1982年，美國空軍提出擬用于90年代中后期的下一代"先進戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(ATF)"計劃，與當時的F-1 5等第三代戰(zhàn)斗機相比，ATF除要求有好的機動性外，還要突出有良好的敏捷性，高的隱身性，超聲速巡航與短距起降能力等。相應(yīng)地對用于ATF的發(fā)動機則要求推重比達到10.0一級，中間推力要高，要采用矢量噴管等。當時有由洛克希德、波音和通用動力三公司聯(lián)合提出的YF-22方案與由諾斯羅普、麥道兩公司聯(lián)合提出的YF-23方案參與投標競爭。發(fā)動機方面則有美國普惠公司與GE公司為主，分別提出推重比為10.0一級、推力為133.6 kN的PW5000(XF119)、GE37(XF120)發(fā)動機參與競爭。

XF119發(fā)動機零組件的生產(chǎn)始于1985年9月，第1臺發(fā)動機FX601于1986年10月進行首次臺架試車。為了飛機進行飛行評估，兩公司又分別發(fā)展了用于飛行試驗的發(fā)動機YF119、YF120。經(jīng)過幾年的開發(fā)研制，1990年6月、9月YF-23(裝YF119，YF-120)、YF-22(裝YF119、YFl20)相繼首飛進行對比飛行驗證評估，1991年4月23日美國空軍宣布選中裝普惠公司YF119的YF-22作為ATF的機型。1991年8月YF-22進入"工程制造和發(fā)展(EMD)"階段。從此，飛機被命名為F-22，發(fā)動機被命名為F119。在ATF飛機研制過程中，飛機重量與阻力均增加較多，為此，要求發(fā)動機的推力相應(yīng)提高近1 7%，即最大推力(加力推力)要求為156 kN，中間推力(不開加力時最大狀態(tài)下的推力)為105 kN，F(xiàn)119發(fā)動機采取了將XF119的風扇直徑稍作增加以提高15%的風扇空氣流量，來滿足推力增大的要求.為此發(fā)動機的涵道比由0.25增至0.30。按美國軍用標準MIL-SID-879(1968)，F(xiàn)119的第1種生產(chǎn)型發(fā)動機被命名為F119-PW-100。

XF119、YF119在進入EMD階段前總共完成了3000余小時的整機試車，到1998年6月共進行了 8 000余小時整機試車。當轉(zhuǎn)入EMD階段時(1991年8月3日)，普惠公司獲得研制9臺F119試驗發(fā)動機與39臺飛行試驗發(fā)動機的13.75億美元的EMD合同。按當時空軍需要2000套以上的動力裝置(包括備件)來計算，普惠公司將獲得120億美元的收入。1999年12月17日首臺EMD階段的F119發(fā)動機進行首次試車，1997年9月7日裝F119-Pw-100的F-22戰(zhàn)斗機進行了首飛，開始了長達數(shù)年的飛行試驗計劃。

3.1風扇(3級)

第1級風扇葉片采州寬弦、空心設(shè)計，與用于波音777的Pw4084發(fā)動機采用的空心葉片結(jié)構(gòu)相同，即葉片由葉盆、葉背兩塊型板經(jīng)擴散連接法連接成一整葉片，在連接前，先將兩板接合面處縱向地銑出幾條槽道形成空腔，參見圖7。這種空心葉片的空心度較羅·羅公司采用的帶蜂窩芯的夾層結(jié)構(gòu)小。用鈦合金制的3級風扇轉(zhuǎn)子均采用了整體葉盤結(jié)構(gòu)(在YF-22進行驗證飛行時所用的發(fā)動機YF119中，僅2，3級風扇采用了整體葉盤)。F119采用了線性摩擦焊的加工方法加工整體葉盤，羅·羅公司也采用這種加工方法。

線性摩擦焊(Linear Friction Welding,LFW)是一種固態(tài)連接技術(shù)，類似于擴散連接(Diffusion Bonding)。擴散連接是將兩個需連接的零件的連接面緊緊靠住，在高溫、高壓下，兩零件配合表面間形成了材料原子的相互轉(zhuǎn)移，最終使兩者緊密連接成一體。在這種連接中，由于相連接處的材料并未熔化.因而不會出現(xiàn)一般焊接中易發(fā)生的脫焊現(xiàn)象。從結(jié)構(gòu)上講，連接處看不出"焊縫"來，且其強度與彈性均優(yōu)于本體材料。線性摩擦焊與擴散連接不同處在于:在擴散連接中，連接的工件是在爐中加溫使其達到高溫的;而在線性摩擦焊中，工件的高溫是通過兩配合面間的相互高頻振蕩產(chǎn)生的。

整體葉盤線性摩擦焊的加工過程及采用這種加工工藝帶來的好處，可參閱"一種整體葉盤的加工方法--線性摩擦焊"。

在F119發(fā)動機中，為保證風扇機匣剛性均勻，保持較均勻的葉尖間隙，風扇機匣做成整環(huán)的，為此風扇轉(zhuǎn)子做成可拆卸的，即2級盤前后均帶鼓環(huán)，分別與1.3級盤連接。

風扇進口處采用了可變彎度的進口導流葉片，其結(jié)構(gòu)類似于F100。由圖6可以看出，三級靜子均采用了彎曲設(shè)計，這種葉片是利用普惠公司開發(fā)的NAsTAR程序設(shè)計的，它可以大大縮小常規(guī)直靜子葉片上下端的分離損失區(qū)，如圖8所示。采用彎曲靜子葉片后可提高風扇、壓氣機效率與喘振裕度。彎曲靜子葉片也用于F119的高壓壓氣機及民用的PW4084發(fā)動機中。

3.2高壓壓氣機(6級)

采用了高級壓比設(shè)計，6級轉(zhuǎn)子全采用整體葉盤結(jié)構(gòu)。進口導葉與1，2級導葉是可調(diào)節(jié)的，前機匣采用了"Alloy c"阻燃鈦合金以降低重量。靜葉也采用了彎曲的靜葉。為增加高壓壓氣機出口處機匣(該處直徑最小，形成了縮腰)的縱向剛性，燃燒室機匣前伸到壓氣機的3級處，使壓氣機后機匣具有雙層結(jié)構(gòu)，外層傳遞負荷，內(nèi)層僅作為氣流的包容環(huán)，這種結(jié)構(gòu)在大型、高涵道比渦輪風扇發(fā)動機中得到廣泛采用。

3.3燃燒室(短環(huán)形)

火焰筒為雙層浮壁式，外層為整體環(huán)形殼體，在殼體與燃氣接觸的壁面上鉚焊有薄板，薄板與殼體間留有一定的縫隙，使冷卻兩者的空氣由縫中流過。為了使薄板在工作中能在圓周與長度上自由膨脹，薄板在圓周與長度上均切成一段段的，形成多片瓦塊狀的薄板，因此這種火焰筒又可稱為瓦塊式火焰簡。

采用浮壁式火焰筒可改善火焰筒的工作條件，不僅可提高火焰筒的壽命，與燃氣接觸的瓦片燒壞后還可更換，而且還可使排氣污染物減少。這種結(jié)構(gòu)已在V2500、PW4084等民用發(fā)動機上采用。

噴嘴采用了氣動式噴嘴，它能改善燃油霧化質(zhì)量提高燃燒完全度，減少排污，同時還能消除一般離心式噴嘴易生積炭的問題，圖9示出了氣動式噴嘴的示意圖。

3.4高低壓渦輪(單級)

高壓渦輪的工作葉片用普惠公司的第三代單晶材料做成，采用了先進的氣膜冷卻技術(shù)。

渦輪盤采用了雙重的熱處理以適應(yīng)外緣與輪心的不同要求，即外緣采用了提高損傷容限能力的處理，以適應(yīng)榫槽可能出現(xiàn)的微裂紋;輪心部分則采用提高強度的熱處理，這種在一個零件上采用兩種要求不同的熱處理，實屬罕見。工作葉片葉尖噴涂有一層耐磨涂層(在XF119上投有采用)，以減少性能的衰退率，這種措施在民用大型渦輪風扇發(fā)動機中應(yīng)用較多。

低壓渦輪與高壓渦輪轉(zhuǎn)向相反。這種將高低壓轉(zhuǎn)子做成轉(zhuǎn)向相反的設(shè)計，當飛機機動飛行時作用于兩轉(zhuǎn)子上的陀螺力矩會相互抵消大部分，因此可減少外傳到飛機機身的力矩，可提高飛機的操縱性，這點對高機動性能戰(zhàn)斗機特別重要;另外對裝于兩轉(zhuǎn)子間的中介軸承，軸承內(nèi)外環(huán)轉(zhuǎn)向相反時，會大大降低保持架與滾子組合體相對內(nèi)外環(huán)的轉(zhuǎn)速，對軸承的工作有利，但增加了封嚴的難度。理論上，高低壓渦輪反向轉(zhuǎn)動時，可以不要低壓渦輪導向器(YF120上即無)，但F119上仍然采用了導向器。低壓渦輪輪盤中心開有大孔，以便安裝高壓轉(zhuǎn)子的后軸承(中介軸承)，這與F404、M88發(fā)動機的結(jié)構(gòu)類似。

3.5加力燃燒室

加力燃燒室(分三區(qū))、尾噴管(二元收斂~擴張矢量噴管)和燃油控制系統(tǒng)

加力燃燒室筒體采用Alloy C阻燃鈦合金以減輕重量，簡體內(nèi)作有隔熱套筒，兩者間的縫隙中流過外涵空氣對簡體進行冷卻，在YF119上采用外部導管引冷卻空氣對筒體進行冷卻，在F119上取消了外部導管。

噴管上下的收擴式調(diào)節(jié)片可單獨控制喉道與出口面積，而且當上下調(diào)節(jié)片同時向上或向下擺動時，改變了排氣流的方向，即改變推力的方向。發(fā)動機的推力能在飛機的俯仰方面正負20°內(nèi)偏轉(zhuǎn)，從+20°到一20°的行程中只需1 s。推力和矢量由雙余度全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)控制，用由煤油作介質(zhì)的作動筒來操縱。調(diào)節(jié)片設(shè)計成可減小雷達散射截面積;為減少紅外信號，對調(diào)節(jié)片進行了冷卻。尾噴管也采用Alloy C阻燃鈦合金以減少重量。

燃油控制系統(tǒng)為第四代雙余度全權(quán)限數(shù)字電子控制系統(tǒng)(FADEc)，每臺發(fā)動機有兩套調(diào)節(jié)器，每套調(diào)節(jié)器有二臺計算機，以確保調(diào)節(jié)系統(tǒng)高的可靠性。

4.1維修性

發(fā)動機在設(shè)計中特別加強了發(fā)動機的維修性，例如大部分附件包括燃油泵和控制系統(tǒng)均作為外場可換組件(LRU)，而所有的每個LRU拆換時間不超過20min,所用的工具僅是11種標準手動工具，在外場維修時需進行拆裝的緊固件不允許用保險絲、開口銷，由于采用"B"型螺母，擰螺母時可不采用限扭扳手?？滋絻x的座孔設(shè)計成無螺紋內(nèi)置式的，所有導管、導線均用不同的顏色予以區(qū)分，滑油箱裝有目視的油位指示器，連接件做成能快卸快裝的設(shè)計。

所有的附件、導線和管路均在發(fā)動機下部每個外場可換組件均能直接達到。發(fā)動機設(shè)計成由第5百分位女姓(身高157cm體重45 kg)到第95百分位男性(身高188九體重91 kg)間的維修人員穿著防護服。于戴防護手套均能對裝在飛機上的發(fā)動機進行日常的維護工作。

4.2可靠性

F119在設(shè)計中遵循"采用經(jīng)過驗證的技術(shù)"的做法，以及整臺發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡單，零部件數(shù)目少。因此雖然它在性能方面較前一代發(fā)動機F100有較大提高，也采用了一些以前發(fā)動機中未采用的設(shè)計，但它的可靠性卻比F100的要高。

表5列出了F119發(fā)動機與F100- Pw -220發(fā)動機可靠性指標的比較，后者是在F100-Pw-100(原型)發(fā)動機的基礎(chǔ)上，用犧牲性能來提高可靠性的改進型。

?全稱F119-PW-100，是為F-22A研制的雙轉(zhuǎn)子小涵道比加力渦扇發(fā)動機，采用可上下偏轉(zhuǎn)的二維矢量噴管，上下偏轉(zhuǎn)角度為20度，推力和矢量由數(shù)字電子系統(tǒng)控制。

F119發(fā)動機由3級風扇、6級高壓壓氣機、帶氣動噴嘴、浮壁式火焰筒的環(huán)形燃燒室、單級高壓渦輪與高壓渦輪轉(zhuǎn)向相反的單級低壓渦輪、加力燃燒室與二維矢量噴管等組成。整臺發(fā)動機分為:風扇、核心機、低壓渦輪、加力燃燒窒、尾噴管和附件傳動機匣等6個單元體，另外還有附件，F(xiàn)ADEC及發(fā)動機監(jiān)測系統(tǒng)，

與F119相競爭的YF120發(fā)動機為變循環(huán)發(fā)動機，在2級風扇后有一可調(diào)節(jié)的外涵出氣環(huán)，在高壓壓氣機中，第一級工作葉片做得較長成為風扇，稱之為核心機傳動的風扇，其后有流向外涵的出氣環(huán)，在工作中始終是打開的，因此稱主外涵出氣環(huán)。在低工況時，兩個外涵道均打開，使涵道比加大以獲得低的耗油率;在大工況時，2級風扇后的可調(diào)節(jié)放氣環(huán)關(guān)閉，發(fā)動機成為小涵道比渦輪風扇發(fā)動機，以增加單位推力。風扇到核心機間的壓力匹配是通過裝在加力燃燒室前的可變面積涵道引射器(VABI)將外涵氣流引向加力燃燒室來達到。VABI除對加力燃燒室隔熱屏進行冷卻外，還將外涵多余的氣流引射到尾噴管喉道前的排氣氣流中，以加大推力。

YF120的風扇、壓氣機均比F119少1級，且高低壓渦輪間無導向葉片，因此YF120比F119少5排葉片。表4列出了GE公司的YF120與普惠公司的YF119結(jié)構(gòu)上的主要差別。

F119總體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，與普惠公司以往的發(fā)動機相比，有兩個突出的變化，其一是高壓轉(zhuǎn)子支承方式改用了GE公司慣用的形式，其二是高壓渦輪采用了單級。

普惠公司在20世紀60年代后期開始研制的民用發(fā)動機(JT9D、PW2037和PW4000)及軍用發(fā)動機(F100)中，高壓轉(zhuǎn)子均采用1-1-0支承方式，即高壓壓氣機前為滾珠軸承，后支點設(shè)在高壓渦輪前，即高壓渦輪是懸臂支承的，該軸承的負荷是通過燃燒室機匣傳出的。圖5示出的F100-PW-100發(fā)動機的支承簡圖是其代表。這種設(shè)計不僅使發(fā)動機承力框架數(shù)多，而且高壓渦輪由于要裝軸承使軸徑小、且渦輪盤是懸臂支承的，給轉(zhuǎn)子動力學設(shè)計帶來困難，

GE公司的發(fā)動機(軍用的有F101，F(xiàn)110、F404，民用的有CFM56)中，高壓轉(zhuǎn)子則采用了1-0-1支承方式，即轉(zhuǎn)子的后支點設(shè)在高壓渦輪后，且采用了中介軸承，即該軸承的外環(huán)固定于高壓轉(zhuǎn)子上，內(nèi)環(huán)固定于低壓轉(zhuǎn)子上。這種布局不僅可減少承力框架，而且高壓渦輪軸軸徑可做得很大，增加了轉(zhuǎn)子剛性，它的缺點是中介軸承的潤滑與封嚴較為復(fù)雜些。普惠在研制F119時，對高壓轉(zhuǎn)子的支承方案一改以往的做法，采用了GE公司在F110，F(xiàn)404中采用1-0-1且后支點用中介軸承的設(shè)計。圖6示出了F119發(fā)動機簡圖，從中可以看出高低壓轉(zhuǎn)子的支承方式，同時還能看出各部什的主要設(shè)計特點。

普惠公司在該公司最新的民用發(fā)動機PW8000中也采用了1-0-1高壓轉(zhuǎn)子支承方式，這一設(shè)計變化，值得注意。

高壓渦輪的設(shè)計中，普惠公司在20世紀60年代后期開始研制的發(fā)動機，例如它的大型、民用發(fā)動機JT9D、PW2037和PW4000以及軍用發(fā)動機F100均采用了雙級設(shè)計。這種設(shè)計，使每級渦輪的負荷小，渦輪效率要大些，但帶來零件多，重量大的缺點。GE公司則在同時期研制的發(fā)動機(軍用:F101、FllO和F404，民用:CFM56)中，均采用了單級高壓渦輪，雖然渦輪效率稍低，但收到了使發(fā)動機的結(jié)構(gòu)簡單，零件教少，重量輕等好處。在F119設(shè)計中，普惠公司也一改以往的做法，采用了單級高壓渦輪的設(shè)計(見圖6).這一改變也是為了提高推重比。

F135是由由美國普拉特·惠特尼公司研制的加力渦扇發(fā)動機，最大推力超過18噸(4萬磅)，F(xiàn)135發(fā)動機是基于F-22的F119發(fā)動機的核心機和主要結(jié)構(gòu)研制的。由于海軍陸戰(zhàn)隊與英國皇家海軍預(yù)計采用的F-35B必須能夠垂直起降，因此F135也可以加上向下彎折的三軸承旋轉(zhuǎn)噴管。但是這個噴管只有在垂直起降的場合使用，可以大大地縮短起飛/降落距離。其他F-35則不使用這項設(shè)計。

F135使用了F119的核心機，配合高效的6級高壓壓氣機，1級高壓渦輪和高效的風扇(由一個2級的低壓渦輪驅(qū)動)。F135采用了BAE系統(tǒng)公司的全權(quán)數(shù)字式發(fā)動機控制系統(tǒng)(FADEC)，為了提高發(fā)動機的可靠性和可保障性，F(xiàn)135大量采用外場可替換部件(LRC)，其零部件數(shù)量比F119減少了大約40%。按照計劃，F(xiàn)135有三個不同的型號，F(xiàn)135一PW一100將作為F-35A空軍型的動力系統(tǒng);F135一PW一400將作為F-35C海軍艦載型的動力;而F135一PW一600將作為F-35B海軍陸戰(zhàn)隊短距起飛/垂直降落型的動力。