文/陳光
1982年,美國空軍提出擬用於90年代中後期的下一代“先進戰術戰鬥機(ATF)”計劃,與當時的F 15等第三代戰鬥機相比,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。
相應地對用於ATF的發動機則要求推重比達到10.0一級,中間推力要高,要採用矢量噴管等。當時有由洛克希德、波音和通用動力三公司聯合提出的 YF-22方案與由諾斯羅普、麥道兩公司聯合提出的YF-23方案參與投標競爭。
發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133.6kN的PW5000(XF119)、GE37(XF120)發動機參與競爭。
XF119發動機零組件的生產始於1985年9月,第1臺發動機 FX601於1986年10月進行首次臺架試車。為了飛機進行飛行評估,兩公司又分別發展了用於飛行試驗的發動機YF119、YF120。
經過幾年的開發研製,1990年6月、9月YF 23(裝YF119、YF120)、YF 22 (裝 YF119、YF120)相繼首飛進行對比飛行驗證評估,1991年4月23日美國空軍宣佈選中裝普惠公司 YF119的 YF 22作為 ATF的機型。
1991年8月 YF 22進入“工程製造和發展(EMD)”階段。從此,飛機被命名為F 22,發動機被命名為F119。在 ATF飛機研製過程中,飛機重量與阻力均增加較多,為此,要求發動機的推力相應提高近17%,即最大推力(加力推力)要求為156kN,中間推力(不開加力時最大狀態下的推力)為105kN。
F119發動機採取了將 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,為此發動機的涵道比由0.25增至0.30。
按美國軍用標準 MIL SID 879(1968),F119的第1種生產型發動機被命名為F119 PW 100,圖1示出了F119 PW 100發動機縱剖面圖。
圖1、 F119 PW 100發動機剖面圖
表1列出了F119發動機發展歷程中的幾個重要里程碑。
XF119、YF119在進入EMD階段前總共完成了3000餘小時的整機試車,到1998年6月共進行了8000餘小時整機試車。
當轉入EMD階段時(1991年8月3日),普惠公司獲得研製9臺F119試驗發動機與33臺飛行試驗發動機的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。
1992年12月17日首臺EMD階段的F119發動機進行首次試車,1997年9月7日裝F119 PW 100的F 22戰鬥機進行了首飛,開始了長達數年的飛行試驗計劃。
表1 F119發動機發展歷程中的幾個重要里程碑
2 發動機綜述
F119發動機(見圖2)由3級風扇、6級高壓壓氣機、帶氣動噴嘴、浮壁式火焰筒的環形燃燒室、單級高壓渦輪與高壓渦輪轉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。
整臺發動機分為:風扇、核心機、低壓渦輪、加力燃燒室、尾噴管和附件傳動機匣等6個單元體,另外還有附件、FADEC及發動機監測系統,參見圖3。
圖2 、F119發動機流道簡圖
F119發動機主要性能參數見表2。
與普惠公司為第三代戰鬥機 F15、F 16研製的推重比為8.0一級的 F100發動機相比,F119在總級數、零件數和推重比等均有較大的改進,見表3。
圖3、 F119發動機單元體
表2、 F119-PW-100發動機主要參數
與F119相競爭的 YF120發動機為變循環發動機(參見圖4),在2級風扇後有一可調節的外涵出氣環,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,其後有流向外涵的出氣環,在工作中始終是打開的,因此稱主外涵出氣環。
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級風扇後的可調節放氣環關閉,發動機成為小涵道比渦輪風扇發動機,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,還將外涵多餘的氣流引射到尾噴管喉道前的排氣氣流中,以加大推力。
圖4、YF120發動機流路簡圖
由圖2和圖4可以看出,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結構上的主要差別。
F119總體結構設計中,與普惠公司以往的發動機相比,有兩個突出的變化,其一是高壓轉子支承方式改用了 GE公司慣用的形式,其二是高壓渦輪採用了單級。
普惠公司在20世紀60年代後期開始研製的民用發動機(JT9D、PW2037和 PW4000)及軍用發動機(F100)中,高壓轉子均採用1 1 0支承方式,即高壓壓氣機前為滾珠軸承,後支點設在高壓渦輪前,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發動機的支承簡圖是其代表。這種設計不僅使發動機承力框架數多,而且高壓渦輪由於要裝軸承使軸徑小、且渦輪盤是懸臂支承的,給轉子動力學設計帶來困難。
GE公司的發動機(軍用的有F101、F110、F404,民用的有CFM56)中,高壓轉子則採用了1 0 1支承方式,即轉子的後支點設在高壓渦輪後,且採用了中介軸承,即該軸承的外環固定於高壓轉子上,內環固定於低壓轉子上。
這種佈局不僅可減少一個承力框架,而且高壓渦輪軸軸徑可做得很大,增加了轉子剛性,它的缺點是中介軸承的潤滑與封嚴較為複雜些。
普惠在研製F119時,對高壓轉子的支承方案一改以往的做法,採用了 GE公司在F110、F404中採用1 0 1且後支點用中介軸承的設計。圖6示出了 F119發動機簡圖,從中可以看出高低壓轉子的支承方式,同時還能看出各部件的主要設計特點。
圖5 、F100 PW 100發動機轉子支承簡圖
普惠公司在該公司最新的民用發動機PW8000中也採用了1 0 1高壓轉子支承方式,這一設計變化,值得注意。
高壓渦輪的設計中,普惠公司在20世紀60年代後期開始研製的發動機,例如它的大型、民用發動機JT9D、PW2037和PW4000以及軍用發動機F100均採用了雙級設計。
這種設計,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公司則在同時期研製的發動機(軍用:F101、F110和F404,民用:CFM56)中,均採用了單級高壓渦輪。
圖、F119-PW-100 發動機簡圖
雖然渦輪效率稍低,但收到了使發動機的結構簡單,零件數少,重量輕等好處。在F119設計中,普惠公司也一改以往的做法,採用了單級高壓渦輪的設計(見圖6),這一改變也是為了提高推重比所必須採用的。
相關推薦
