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100 PW 229发动机
美国空军为了进一步提高 F-15和 F-16战斗机的性能,要求提高发动机性能,因而提出了“改进发动机性能计划”IPE,为此,普惠公司对F100发动机做了重大改进,引用了在民用发动机PW4000上采用的许多先进技术以及其他验证机验证的技术,衍生发展了F100 PW 229。
229型具有 100型的外廊尺寸,保持了 220型高的耐久性与可靠性的水平,但起飞推力却大幅度加大,达到129kN,约比 220型的大22%,加速性能也有明显改善。表1列出了在各种状态下,两型发动机的性能比较,图3示出了 229与100, 220加速性的比较。
图3、 F100 PW 100、220、229三型发动机加速性的比较
表1 F100 PW 229与 220在各种状态下的性能比较①
注:①最大状态即全加力状态 中间状态即不开加力时的最大状态
-229型的设计中采用了:增大流量的风扇,第二代电子调节器,流量与性能均较高的压气机,为“用户朋友”(指维修)的外部管路设计等,其中所有改进的部件均在一些技术验证计划中得到验证。
例如风扇是作为美国空军发动机型号衍生计划(EMDP)的一部分设计并试验的,已通过4000个 TAC循环的耐久性试验,并在 NASA的F 15上进行过飞行试验,加力燃烧室也属于这项计划的产物。燃烧室与涡轮叶片技术曾在“先进涡轮发动机燃气发生器”ATECG计划及“联合技术验证发动机”JTDE计划的一部分进行过试验。
在发展 229型时,普惠吸取了 220型的经验教训,在设计中就采用了“设计到制造”的小组,在设计发展之初就吸收了制造工程师参与,因而在1989年转产时没有遇到太多的问题,与普惠以前的任何发动机相比,它的转产过渡最为平滑。
在 229型投产后,F100的改进衍生工作(增大推力而保持其可靠性水平)仍在进行,例如1991年试验了IPE92,其推力达到142.5kN,1992年试验了IPE94,其推力达到152.4kN。
6 F119 PW100发动机
6.1 新一代发动机F119的发展途径
普惠公司为美国先进战斗机 ATF研制了推重比为10.0一级的加力式涡扇发动机 F119参与投标竞争。经过1990年8月至1991年4月的半年多的试飞评比后,美国空军最终选中装F119发动机的F-22战斗机作为其 ATF的正式机型并转入全尺寸发展阶段,装 F119的 F-22于1997年9月7日进行了首飞,已于2005年底装备美国空军。
F119的推力为159kN,是普惠公司第一种从设计开始就采用IPD的发动机,也是一种在性能、可靠性、维修性、成本和可生产性等多方面进行平衡后的设计,当然这也是通过采用高、新技术来达到的。为此共有100多个多功能小组参与工作,他们的工作内容包括了发动机所有的零件、部件及单元体。
普惠公司在发展F119的第2个战略措施就是“想用户之想”,即多方考虑使用方便的问题。美国空军有一项“兰2走访”(BlueTwoVisit,简称BTV)计划,就是派出由空军人员与供应商组成的许多小组到世界各处的美国空军基地进行面对面地调查了解,掌握发动机、飞机在使用中的第一手材料。
F119的工程负责人员、项目管理人员及主要设计工程师参与了“兰2走访”计划的外调小组,经过几年的奔波,获得了大量宝贵的实际使用中的素材,即现用的飞机系统中有哪些不好之处与哪些好的地方,从而在设计中予以考虑。
例如,设计人员考虑了外场机务人员在穿戴防化服后对发动机(装在飞机上的)进行维护工作时的困难之处,从而设计了简单的外部管路布局的总体方案,并在全尺寸模型上通过了考验。
6.2 F119广泛采用已被验证的高、新技术
为避免F119的设计遇到不可接受的风险,普惠采用了包括IHPTET(综合高性能涡轮发动机技术)计划的许多技术验证计划中已验证的技术,所有在F119中采用的关键技术均在这些计划中进行过试验并得到证实,其中最为关键的是不仅使发动机具有高的性能,而且要具有较高的可靠性、维修性与安全性。以下简述各部件中的若干设计特点:
(1)风扇 与F100的风扇不同,风扇叶片采用了无凸肩、宽弦和空心的设计,利用扩散连接、超塑性成形的工艺方法做成的,它不像罗·罗公司的夹芯结构风扇叶片,其中心部分无芯。这种叶片具有高的级载荷、效率与喘振裕度,且具有较高的抗外物(包括鸟)击伤能力。
(2)压气机 在压气机中也采用了如风扇中所述优点的宽弦叶片的设计,但为实心叶片,工作叶片与静子叶片的材料具有高的损伤容限能力。机匣采用了一种新的防燃烧的钛合金C合金,能防止曾在其他发动机造成问题的钛失火,这种钛合金也用于喷管中。
(3)燃烧室 采用了类似于F100 PW 229和V2500等军,民用发动机使用过的浮壁式火焰筒,这种结构曾在 ATECG和JTDE计划中验证过,它能有效地消除热循环疲劳。燃烧室还设计成具有特别好的重新点火能力以及小的压力损失。
(4)涡轮 涡轮的冷却方案与F100 PW 229型相比,又有新的发展,采用了多通道的对流与先进的气膜冷却,这种技术已经在正在进行的单独的研究与发展计划中以及在由美国空军与海军支持的计划中不断地得到改进、提高。
采用这种先进冷却方案的先进单晶涡轮叶片已经在部件试验器、核心机及发动机试车中验证了它能满足性能与耐久性的要求。
涡轮盘采用了较为特殊的“双热处理”的结构,对轮缘与轮心部位分别采用了不同的热处理方式,使轮缘处的晶粒粗大,以提高损伤容限特性,轮心部分晶粒细化,以提高强度与低循环疲劳寿命。
与其他部件一样,涡轮机械设计的重点也是可靠性、耐久性和维修性,而不仅是性能。(5)加力燃烧室与尾喷管 对这两个部件的要求是适应性(Operability)、耐久性与维修性。
由适应性观点看,F119原型加力燃烧室工作得非常好,在整个飞行包线内均能正常工作。对火焰稳定器、喷油杆进行了冷却以便有好的耐久性。
这种结构曾在JTDE计划中进行过地面与高空试验,得到过验证。加力燃烧室及喷管中采用了C合金以减少钛失火的危险,并提高它的安全性,且降低了重量。
(6)调节器 在F119中,可靠性提高得最显著的要算调节器了,该系统是由F100 PW 229 的基础上发展来的,为双余度的数字式电子调节器,属普惠公司的第四代FADEC。
另外,它还吸取了以往的经验,将发动机与飞机的调节结合在一起,这样可使飞机的调节器利用发动机的一些参数。例如推力,推力方向等对飞机进行调节,使飞机性能大幅度提高。
以往的经验还指出,装在发动机上的诊断系统能大大改善发动机的维修性、提高发动机的使用可靠性并降低使用成本,因此F119又进一步完善已在 220型、229型表现较好的诊断系统。
6.3 F119的验证结果
如前所述,F119大量采用已被验证的先进技术,并作到成为一种多因素取得平衡的产品,通过在 ATF原型机 YF 22,YF 23上的飞行试验,证实了发动机的设计基本达到预期目的,在飞行中表明:F119具有使飞机超声速(Ma=1.45)巡航的能力;
工作中油门移动速度不受限制且未出现过喘振;无空中停车事件;
发射导弹时对发动机工作无影响;飞行中重新启动成功率为100%;
证实了所有的培训、维修与支持系统均正常;能满足全部维修性的要求。根据设计要求,F119的可靠性指标比F100 PW 229的优越许多,如表2所示。
表2、F119设计的可靠性指标与F100 PW 229型的比较
注：（1）EFH为发动机飞行小时
（2）按发动机工作50万小时后进入成熟期的数据。
7 结论与几点看法
从F100到F119发动机的发展过程,可以归纳出下述结论:
①广泛采取经过验证的高、新技术并考虑各方面因素而达到的一种平衡设计,是发动机发展的趋势。
②重视以往设计、使用和维修等方面的经验,不断总结、归纳并运用到新研制的发动机中以及对现有发动机进行改进,也是提高发动机性能与可靠性的重要措施。
③航空发动机研制观点(即指导思想)在四分之一世纪多的时间中经历了三种观点、两大转变的过程,即由单纯追求性能转变为可靠性、维修性与性能并重,继而转变为推行一体化制造与发展工程(或并行、同期工程)。同时,还特别重视外场使用、维护的经验,并在设计中予以考虑。
参照国外发展高性能发动机的经验,提出我国在发展航空发动机方面应注意的几点看法:(1)应重视高、新技术在发动机中应用的开发研究工作,特别要重视高、新技术验证工作,以作为今后发展新机、改进老机的技术储备。
(2)重视国外发展发动机中两次研制观点转变的经验教训,应全面、多方面考虑发动机的发展,不能走“重性(能)轻构”(结构,强度)或“有气无力”仅注视性能而忽视结构强度的发展道路。
(3)目前国外三大航空发动机公可推行一体化制造与发展工程或并行、同期工程,在新的军、民用发动机发展中,已显示出其不可忽视的重要作用,不仅使新发动机具有较高的可靠性、维修性与性能,而且可大大缩短研制周期,大幅度降低全寿命期费用。因此,我们不应忽视这一新鲜事物,在经费有限的条件下,也应采取必要的措施,开展这方面的研究工作,以改变我们的研制方法,从根本上促进我国航空发动机的发展。
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