F119發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)介

?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(dòng)機(jī)，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。

1982年，美國(guó)空軍提出擬用于90年代中后期的下一代"先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)(ATF)"計(jì)劃，與當(dāng)時(shí)的F-1 5等第三代戰(zhàn)斗機(jī)相比，ATF除要求有好的機(jī)動(dòng)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(duì)用于ATF的發(fā)動(dòng)機(jī)則要求推重比達(dá)到10.0一級(jí)，中間推力要高，要采用矢量噴管等。當(dāng)時(shí)有由洛克希德、波音和通用動(dòng)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(biāo)競(jìng)爭(zhēng)。發(fā)動(dòng)機(jī)方面則有美國(guó)普惠公司與GE公司為主，分別提出推重比為10.0一級(jí)、推力為133.6 kN的PW5000(XF119)、GE37(XF120)發(fā)動(dòng)機(jī)參與競(jìng)爭(zhēng)。

XF119發(fā)動(dòng)機(jī)零組件的生產(chǎn)始于1985年9月，第1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)FX601于1986年10月進(jìn)行首次臺(tái)架試車。為了飛機(jī)進(jìn)行飛行評(píng)估，兩公司又分別發(fā)展了用于飛行試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)YF119、YF120。經(jīng)過(guò)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(jìn)行對(duì)比飛行驗(yàn)證評(píng)估，1991年4月23日美國(guó)空軍宣布選中裝普惠公司YF119的YF-22作為ATF的機(jī)型。1991年8月YF-22進(jìn)入"工程制造和發(fā)展(EMD)"階段。從此，飛機(jī)被命名為F-22，發(fā)動(dòng)機(jī)被命名為F119。在ATF飛機(jī)研制過(guò)程中，飛機(jī)重量與阻力均增加較多，為此，要求發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)最大狀態(tài)下的推力)為105 kN，F(xiàn)119發(fā)動(dòng)機(jī)采取了將XF119的風(fēng)扇直徑稍作增加以提高15%的風(fēng)扇空氣流量，來(lái)滿足推力增大的要求.為此發(fā)動(dòng)機(jī)的涵道比由0.25增至0.30。按美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-SID-879(1968)，F(xiàn)119的第1種生產(chǎn)型發(fā)動(dòng)機(jī)被命名為F119-PW-100。

XF119、YF119在進(jìn)入EMD階段前總共完成了3000余小時(shí)的整機(jī)試車，到1998年6月共進(jìn)行了 8 000余小時(shí)整機(jī)試車。當(dāng)轉(zhuǎn)入EMD階段時(shí)(1991年8月3日)，普惠公司獲得研制9臺(tái)F119試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與39臺(tái)飛行試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的13.75億美元的EMD合同。按當(dāng)時(shí)空軍需要2000套以上的動(dòng)力裝置(包括備件)來(lái)計(jì)算，普惠公司將獲得120億美元的收入。1999年12月17日首臺(tái)EMD階段的F119發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行首次試車，1997年9月7日裝F119-Pw-100的F-22戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行了首飛，開始了長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的飛行試驗(yàn)計(jì)劃。

F119發(fā)動(dòng)機(jī)由3級(jí)風(fēng)扇、6級(jí)高壓壓氣機(jī)、帶氣動(dòng)噴嘴、浮壁式火焰筒的環(huán)形燃燒室、單級(jí)高壓渦輪與高壓渦輪轉(zhuǎn)向相反的單級(jí)低壓渦輪、加力燃燒室與二維矢量噴管等組成。整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)分為:風(fēng)扇、核心機(jī)、低壓渦輪、加力燃燒窒、尾噴管和附件傳動(dòng)機(jī)匣等6個(gè)單元體，另外還有附件，F(xiàn)ADEC及發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，

與F119相競(jìng)爭(zhēng)的YF120發(fā)動(dòng)機(jī)為變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，在2級(jí)風(fēng)扇后有一可調(diào)節(jié)的外涵出氣環(huán)，在高壓壓氣機(jī)中，第一級(jí)工作葉片做得較長(zhǎng)成為風(fēng)扇，稱之為核心機(jī)傳動(dòng)的風(fēng)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(shí)，兩個(gè)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(shí)，2級(jí)風(fēng)扇后的可調(diào)節(jié)放氣環(huán)關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)成為小涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，以增加單位推力。風(fēng)扇到核心機(jī)間的壓力匹配是通過(guò)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(lái)達(dá)到。VABI除對(duì)加力燃燒室隔熱屏進(jìn)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(fēng)扇、壓氣機(jī)均比F119少1級(jí)，且高低壓渦輪間無(wú)導(dǎo)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(jì)中，與普惠公司以往的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，有兩個(gè)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(jí)。

普惠公司在20世紀(jì)60年代后期開始研制的民用發(fā)動(dòng)機(jī)(JT9D、PW2037和PW4000)及軍用發(fā)動(dòng)機(jī)(F100)中，高壓轉(zhuǎn)子均采用1-1-0支承方式，即高壓壓氣機(jī)前為滾珠軸承，后支點(diǎn)設(shè)在高壓渦輪前，即高壓渦輪是懸臂支承的，該軸承的負(fù)荷是通過(guò)燃燒室機(jī)匣傳出的。圖5示出的F100-PW-100發(fā)動(dòng)機(jī)的支承簡(jiǎn)圖是其代表。這種設(shè)計(jì)不僅使發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，

GE公司的發(fā)動(dòng)機(jī)(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(diǎn)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(diǎn)是中介軸承的潤(rùn)滑與封嚴(yán)較為復(fù)雜些。普惠在研制F119時(shí)，對(duì)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(diǎn)用中介軸承的設(shè)計(jì)。圖6示出了F119發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)圖，從中可以看出高低壓轉(zhuǎn)子的支承方式，同時(shí)還能看出各部什的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

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

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

3.1風(fēng)扇(3級(jí))

第1級(jí)風(fēng)扇葉片采州寬弦、空心設(shè)計(jì)，與用于波音777的Pw4084發(fā)動(dòng)機(jī)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(kuò)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(jiàn)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(jí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)子均采用了整體葉盤結(jié)構(gòu)(在YF-22進(jìn)行驗(yàn)證飛行時(shí)所用的發(fā)動(dòng)機(jī)YF119中，僅2，3級(jí)風(fēng)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(kuò)散連接(Diffusion Bonding)。擴(kuò)散連接是將兩個(gè)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(huì)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(lái)，且其強(qiáng)度與彈性均優(yōu)于本體材料。線性摩擦焊與擴(kuò)散連接不同處在于:在擴(kuò)散連接中，連接的工件是在爐中加溫使其達(dá)到高溫的;而在線性摩擦焊中，工件的高溫是通過(guò)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(guò)程及采用這種加工工藝帶來(lái)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(dòng)機(jī)中，為保證風(fēng)扇機(jī)匣剛性均勻，保持較均勻的葉尖間隙，風(fēng)扇機(jī)匣做成整環(huán)的，為此風(fēng)扇轉(zhuǎn)子做成可拆卸的，即2級(jí)盤前后均帶鼓環(huán)，分別與1.3級(jí)盤連接。

風(fēng)扇進(jìn)口處采用了可變彎度的進(jìn)口導(dǎo)流葉片，其結(jié)構(gòu)類似于F100。由圖6可以看出，三級(jí)靜子均采用了彎曲設(shè)計(jì)，這種葉片是利用普惠公司開發(fā)的NAsTAR程序設(shè)計(jì)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(fēng)扇、壓氣機(jī)效率與喘振裕度。彎曲靜子葉片也用于F119的高壓壓氣機(jī)及民用的PW4084發(fā)動(dòng)機(jī)中。

3.2高壓壓氣機(jī)(6級(jí))

采用了高級(jí)壓比設(shè)計(jì)，6級(jí)轉(zhuǎn)子全采用整體葉盤結(jié)構(gòu)。進(jìn)口導(dǎo)葉與1，2級(jí)導(dǎo)葉是可調(diào)節(jié)的，前機(jī)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(jī)出口處機(jī)匣(該處直徑最小，形成了縮腰)的縱向剛性，燃燒室機(jī)匣前伸到壓氣機(jī)的3級(jí)處，使壓氣機(jī)后機(jī)匣具有雙層結(jié)構(gòu)，外層傳遞負(fù)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(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)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?xì)饨佑|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(guò)。為了使薄板在工作中能在圓周與長(zhǎng)度上自由膨脹，薄板在圓周與長(zhǎng)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(jiǎn)。

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?xì)饨佑|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(dòng)機(jī)上采用。

噴嘴采用了氣動(dòng)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(shí)還能消除一般離心式噴嘴易生積炭的問(wèn)題，圖9示出了氣動(dòng)式噴嘴的示意圖。

3.4高低壓渦輪(單級(jí))

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(jìn)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(qiáng)度的熱處理，這種在一個(gè)零件上采用兩種要求不同的熱處理，實(shí)屬罕見(jiàn)。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(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)，當(dāng)飛機(jī)機(jī)動(dòng)飛行時(shí)作用于兩轉(zhuǎn)子上的陀螺力矩會(huì)相互抵消大部分，因此可減少外傳到飛機(jī)機(jī)身的力矩，可提高飛機(jī)的操縱性，這點(diǎn)對(duì)高機(jī)動(dòng)性能戰(zhàn)斗機(jī)特別重要;另外對(duì)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(shí)，會(huì)大大降低保持架與滾子組合體相對(duì)內(nèi)外環(huán)的轉(zhuǎn)速，對(duì)軸承的工作有利，但增加了封嚴(yán)的難度。理論上，高低壓渦輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以不要低壓渦輪導(dǎo)向器(YF120上即無(wú))，但F119上仍然采用了導(dǎo)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(dòng)機(jī)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(kuò)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(jiǎn)體內(nèi)作有隔熱套筒，兩者間的縫隙中流過(guò)外涵空氣對(duì)簡(jiǎn)體進(jìn)行冷卻，在YF119上采用外部導(dǎo)管引冷卻空氣對(duì)筒體進(jìn)行冷卻，在F119上取消了外部導(dǎo)管。

噴管上下的收擴(kuò)式調(diào)節(jié)片可單獨(dú)控制喉道與出口面積，而且當(dāng)上下調(diào)節(jié)片同時(shí)向上或向下擺動(dòng)時(shí)，改變了排氣流的方向，即改變推力的方向。發(fā)動(dòng)機(jī)的推力能在飛機(jī)的俯仰方面正負(fù)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(dòng)筒來(lái)操縱。調(diào)節(jié)片設(shè)計(jì)成可減小雷達(dá)散射截面積;為減少紅外信號(hào)，對(duì)調(diào)節(jié)片進(jìn)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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)有兩套調(diào)節(jié)器，每套調(diào)節(jié)器有二臺(tái)計(jì)算機(jī)，以確保調(diào)節(jié)系統(tǒng)高的可靠性。

4.1維修性

發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)中特別加強(qiáng)了發(fā)動(dòng)機(jī)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(chǎng)可換組件(LRU)，而所有的每個(gè)LRU拆換時(shí)間不超過(guò)20min,所用的工具僅是11種標(biāo)準(zhǔn)手動(dòng)工具，在外場(chǎng)維修時(shí)需進(jìn)行拆裝的緊固件不允許用保險(xiǎn)絲、開口銷，由于采用"B"型螺母，擰螺母時(shí)可不采用限扭扳手?？滋絻x的座孔設(shè)計(jì)成無(wú)螺紋內(nèi)置式的，所有導(dǎo)管、導(dǎo)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(jì)。

所有的附件、導(dǎo)線和管路均在發(fā)動(dòng)機(jī)下部每個(gè)外場(chǎng)可換組件均能直接達(dá)到。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)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(hù)服。于戴防護(hù)手套均能對(duì)裝在飛機(jī)上的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行日常的維護(hù)工作。

4.2可靠性

F119在設(shè)計(jì)中遵循"采用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)"的做法，以及整臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)F100有較大提高，也采用了一些以前發(fā)動(dòng)機(jī)中未采用的設(shè)計(jì)，但它的可靠性卻比F100的要高。

表5列出了F119發(fā)動(dòng)機(jī)與F100- Pw -220發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性指標(biāo)的比較，后者是在F100-Pw-100(原型)發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，用犧牲性能來(lái)提高可靠性的改進(jìn)型。

F135是由由美國(guó)普拉特·惠特尼公司研制的加力渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，最大推力超過(guò)18噸(4萬(wàn)磅)，F(xiàn)135發(fā)動(dòng)機(jī)是基于F-22的F119發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)和主要結(jié)構(gòu)研制的。由于海軍陸戰(zhàn)隊(duì)與英國(guó)皇家海軍預(yù)計(jì)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(gè)噴管只有在垂直起降的場(chǎng)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(xiàng)設(shè)計(jì)。

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