F119發(fā)動(dòng)機（雙轉子小涵道比加力渦扇發(fā)動(dòng)機）
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F119發(fā)動(dòng)機是一款先進(jìn)的雙轉子小涵道比加力渦扇發(fā)動(dòng)機，采用了可上下偏轉的二維矢量噴管，并由數字電子系統控制推力和矢量，使其具有更高的靈活性和效率。該發(fā)動(dòng)機具有推力大、耗油率低、使用壽命長(cháng)等特點(diǎn)，是戰斗機、轟炸機等航空器的重要動(dòng)力來(lái)源。F119發(fā)動(dòng)機
雙轉子小涵道比加力渦扇發(fā)動(dòng)機
F119渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機是雙轉子小涵道比加力渦扇發(fā)動(dòng)機，是采用可上下偏轉的二維矢量噴管、偏轉角度達20度且推力和矢量由數字電子系統控制的一種發(fā)動(dòng)機。
發(fā)動(dòng)機簡(jiǎn)介
全稱(chēng)F119－PW-100，是為F-22A研制的雙轉子小涵道比加力渦扇發(fā)動(dòng)機，采用可上下偏轉的二維矢量噴管，上下偏轉角度為20度，推力和矢量由數字電子系統控制。
F119發(fā)動(dòng)機剖面圖
研發(fā)歷程
1982年，美國空軍提出擬用于90年代中后期的下一代“先進(jìn)戰術(shù)戰斗機（ATF）”計劃，與當時(shí)的F-15等第三代戰斗機相比，ATF除要求有好的機動(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。相應地對用于A(yíng)TF的發(fā)動(dòng)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(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方案參與投標競爭。發(fā)動(dòng)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(fā)動(dòng)機參與競爭。
XF119發(fā)動(dòng)機零組件的生產(chǎn)始于1985年9月，第1臺發(fā)動(dòng)機FX601于1986年10月進(jìn)行首次臺架試車(chē)。為了飛機進(jìn)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(dòng)機YF119、YF120。經(jīng)過(guò)幾年的開(kāi)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(jìn)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(dòng)機被命名為F119。在A(yíng)TF飛機研制過(guò)程中，飛機重量與阻力均增加較多，為此，要求發(fā)動(dòng)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(kāi)加力時(shí)最大狀態(tài)下的推力）為105kN，F119發(fā)動(dòng)機采取了將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(mǎn)足推力增大的要求．為此發(fā)動(dòng)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(chǎn)型發(fā)動(dòng)機被命名為F119-PW-100。
XF119、YF119在進(jìn)入EMD階段前總共完成了3000余小時(shí)的整機試車(chē)，到1998年6月共進(jìn)行了8000余小時(shí)整機試車(chē)。當轉入EMD階段時(shí)（1991年8月3日），普惠公司獲得研制9臺F119試驗發(fā)動(dòng)機與39臺飛行試驗發(fā)動(dòng)機的13.75億美元的EMD合同。按當時(shí)空軍需要2000套以上的動(dòng)力裝置（包括備件）來(lái)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(dòng)機進(jìn)行首次試車(chē)，1997年9月7日裝F119-Pw-100的F-22戰斗機進(jìn)行了首飛，開(kāi)始了長(cháng)達數年的飛行試驗計劃。
綜述介紹
F119發(fā)動(dòng)機由3級風(fēng)扇、6級高壓壓氣機、帶氣動(dòng)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(dòng)機分為：風(fēng)扇、核心機、低壓渦輪、加力燃燒室、尾噴管和附件傳動(dòng)機匣等6個(gè)單元體，另外還有附件，FADEC及發(fā)動(dòng)機監測系統，
與F119相競爭的YF120發(fā)動(dòng)機為變循環(huán)發(fā)動(dòng)機，在2級風(fēng)扇后有一可調節的外涵出氣環(huán)，在高壓壓氣機中，第一級工作葉片做得較長(cháng)成為風(fēng)扇，稱(chēng)之為核心機傳動(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(kāi)的，因此稱(chēng)主外涵出氣環(huán)。在低工況時(shí)，兩個(gè)外涵道均打開(kāi)，使涵道比加大以獲得低的耗油率；在大工況時(shí)，2級風(fēng)扇后的可調節放氣環(huán)關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機成為小涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機，以增加單位推力。風(fēng)扇到核心機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)達到。VABI除對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。
F119總體結構設計中，與普惠公司以往的發(fā)動(dòng)機相比，有兩個(gè)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，其二是高壓渦輪采用了單級。
普惠公司在20世紀60年代后期開(kāi)始研制的民用發(fā)動(dòng)機（JT9D、PW2037和PW4000）及軍用發(fā)動(dòng)機（F100）中，高壓轉子均采用1-1-0支承方式，即高壓壓氣機前為滾珠軸承，后支點(diǎn)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(guò)燃燒室機匣傳出的。圖5示出的F100-PW-100發(fā)動(dòng)機的支承簡(jiǎn)圖是其代表。這種設計不僅使發(fā)動(dòng)機承力框架數多，而且高壓渦輪由于要裝軸承使軸徑小、且渦輪盤(pán)是懸臂支承的，給轉子動(dòng)力學(xué)設計帶來(lái)困難，
GE公司的發(fā)動(dòng)機（軍用的有F101，F110、F404，民用的有CFM56）中，高壓轉子則采用了1-0-1支承方式，即轉子的后支點(diǎn)設在高壓渦輪后，且采用了中介軸承，即該軸承的外環(huán)固定于高壓轉子上，內環(huán)固定于低壓轉子上。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，增加了轉子剛性，它的缺點(diǎn)是中介軸承的潤滑與封嚴較為復雜些。普惠在研制F119時(shí)，對高壓轉子的支承方案一改以往的做法，采用了GE公司在F110，F404中采用1-0-1且后支點(diǎn)用中介軸承的設計。圖6示出了F119發(fā)動(dòng)機簡(jiǎn)圖，從中可以看出高低壓轉子的支承方式，同時(shí)還能看出各部什的主要設計特點(diǎn)。
普惠公司在該公司最新的民用發(fā)動(dòng)機PW8000中也采用了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年代后期開(kāi)始研制的發(fā)動(dòng)機，例如它的大型、民用發(fā)動(dòng)機JT9D、PW2037和PW4000以及軍用發(fā)動(dòng)機F100均采用了雙級設計。這種設計，使每級渦輪的負荷小，渦輪效率要大些，但帶來(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（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(dòng)機的結構簡(jiǎn)單，零件教少，重量輕等好處。在F119設計中，普惠公司也一改以往的做法，采用了單級高壓渦輪的設計（見(jiàn)圖6）．這一改變也是為了提高推重比。
設計特點(diǎn)
3.1風(fēng)扇（3級）
第1級風(fēng)扇葉片采州寬弦、空心設計，與用于波音777的Pw4084發(fā)動(dòng)機采用的空心葉片結構相同，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(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構小。用鈦合金制的3級風(fēng)扇轉子均采用了整體葉盤(pán)結構（在YF-22進(jìn)行驗證飛行時(shí)所用的發(fā)動(dòng)機YF119中，僅2，3級風(fēng)扇采用了整體葉盤(pán)）。F119采用了線(xiàn)性摩擦焊的加工方法加工整體葉盤(pán)，羅·羅公司也采用這種加工方法。
線(xiàn)性摩擦焊（Linear Friction Welding,LFW）是一種固態(tài)連接技術(shù)，類(lèi)似于擴散連接（Diffusion Bonding）。擴散連接是將兩個(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 )出現一般焊接中易發(fā)生的脫焊現象。從結構上講，連接處看不出“焊縫”來(lái)，且其強度與彈性均優(yōu)于本體材料。線(xiàn)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(xiàn)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(pán)線(xiàn)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(pán)的加工方法——線(xiàn)性摩擦焊”。
在F119發(fā)動(dòng)機中，為保證風(fēng)扇機匣剛性均勻，保持較均勻的葉尖間隙，風(fēng)扇機匣做成整環(huán)的，為此風(fēng)扇轉子做成可拆卸的，即2級盤(pán)前后均帶鼓環(huán)，分別與1．3級盤(pán)連接。
風(fēng)扇進(jìn)口處采用了可變彎度的進(jìn)口導流葉片，其結構類(lèi)似于F100。由圖6可以看出，三級靜子均采用了彎曲設計，這種葉片是利用普惠公司開(kāi)發(fā)的NAsTAR程序設計的，它可以大大縮小常規直靜子葉片上下端的分離損失區，如圖8所示。采用彎曲靜子葉片后可提高風(fēng)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(dòng)機中。
3.2高壓壓氣機（6級）
采用了高級壓比設計，6級轉子全采用整體葉盤(pán)結構。進(jìn)口導葉與1，2級導葉是可調節的，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構，外層傳遞負荷，內層僅作為氣流的包容環(huán)，這種結構在大型、高涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)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(guò)。為了使薄板在工作中能在圓周與長(cháng)度上自由膨脹，薄板在圓周與長(cháng)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(chēng)為瓦塊式火焰簡(jiǎn)。
3.4高低壓渦輪（單級）
渦輪盤(pán)采用了雙重的熱處理以適應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，以適應榫槽可能出現的微裂紋；輪心部分則采用提高強度的熱處理，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)機中應用較多。
低壓渦輪與高壓渦輪轉向相反。這種將高低壓轉子做成轉向相反的設計，當飛機機動(dòng)飛行時(shí)作用于兩轉子上的陀螺力矩會(huì )相互抵消大部分，因此可減少外傳到飛機機身的力矩，可提高飛機的操縱性，這點(diǎn)對高機動(dòng)性能戰斗機特別重要；另外對裝于兩轉子間的中介軸承，軸承內外環(huán)轉向相反時(shí)，會(huì )大大降低保持架與滾子組合體相對內外環(huán)的轉速，對軸承的工作有利，但增加了封嚴的難度。理論上，高低壓渦輪反向轉動(dòng)時(shí)，可以不要低壓渦輪導向器（YF120上即無(wú)），但F119上仍然采用了導向器。低壓渦輪輪盤(pán)中心開(kāi)有大孔，以便安裝高壓轉子的后軸承（中介軸承），這與F404、M88發(fā)動(dòng)機的結構類(lèi)似。
3.5加力燃燒室
加力燃燒室（分三區）、尾噴管（二元收斂～擴張矢量噴管）和燃油控制系統
加力燃燒室筒體采用Alloy C阻燃鈦合金以減輕重量，簡(jiǎn)體內作有隔熱套筒，兩者間的縫隙中流過(guò)外涵空氣對簡(jiǎn)體進(jìn)行冷卻，在YF119上采用外部導管引冷卻空氣對筒體進(jìn)行冷卻，在F119上取消了外部導管。
噴管上下的收擴式調節片可單獨控制喉道與出口面積，而且當上下調節片同時(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)機的推力能在飛機的俯仰方面正負20°內偏轉，從+20°到一20°的行程中只需1s。推力和矢量由雙余度全權限數字電子控制系統控制，用由煤油作介質(zhì)的作動(dòng)筒來(lái)操縱。調節片設計成可減小雷達散射截面積；為減少紅外信號，對調節片進(jìn)行了冷卻。尾噴管也采用Alloy C阻燃鈦合金以減少重量。
燃油控制系統為第四代雙余度全權限數字電子控制系統（FADEc），每臺發(fā)動(dòng)機有兩套調節器，每套調節器有二臺計算機，以確保調節系統高的可靠性。
4.1維修性
發(fā)動(dòng)機在設計中特別加強了發(fā)動(dòng)機的維修性，例如大部分附件包括燃油泵和控制系統均作為外場(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種標準手動(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絲、開(kāi)口銷(xiāo)，由于采用“B”型螺母，擰螺母時(shí)可不采用限扭扳手。孔探儀的座孔設計成無(wú)螺紋內置式的，所有導管、導線(xiàn)均用不同的顏色予以區分，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計。
所有的附件、導線(xiàn)和管路均在發(fā)動(dòng)機下部每個(gè)外場(chǎng)可換組件均能直接達到。發(fā)動(dòng)機設計成由第5百分位女姓（身高157cm體重45kg）到第95百分位男性（身高188九體重91kg）間的維修人員穿著(zhù)防護服。于戴防護手套均能對裝在飛機上的發(fā)動(dòng)機進(jìn)行日常的維護工作。
4.2可靠性
F119在設計中遵循“采用經(jīng)過(guò)驗證的技術(shù)”的做法，以及整臺發(fā)動(dòng)機結構簡(jiǎn)單，零部件數目少。因此雖然它在性能方面較前一代發(fā)動(dòng)機F100有較大提高，也采用了一些以前發(fā)動(dòng)機中未采用的設計，但它的可靠性卻比F100的要高。
表5列出了F119發(fā)動(dòng)機與F100-Pw-220發(fā)動(dòng)機可靠性指標的比較，后者是在F100-Pw-100（原型）發(fā)動(dòng)機的基礎上，用犧牲性能來(lái)提高可靠性的改進(jìn)型。
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美國研發(fā)的軍用渦扇發(fā)動(dòng)機
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