F119發(fā)動機(jī)（雙轉(zhuǎn)子小涵道比加力渦扇發(fā)動機(jī)）
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F119發(fā)動機(jī)是一款先進(jìn)的雙轉(zhuǎn)子小涵道比加力渦扇發(fā)動機(jī)，采用了可上下偏轉(zhuǎn)的二維矢量噴管，并由數(shù)字電子系統(tǒng)控制推力和矢量，使其具有更高的靈活性和效率。該發(fā)動機(jī)具有推力大、耗油率低、使用壽命長等特點(diǎn)，是戰(zhàn)斗機(jī)、轟炸機(jī)等航空器的重要動力來源。F119發(fā)動機(jī)
雙轉(zhuǎn)子小涵道比加力渦扇發(fā)動機(jī)
F119渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)是雙轉(zhuǎn)子小涵道比加力渦扇發(fā)動機(jī)，是采用可上下偏轉(zhuǎn)的二維矢量噴管、偏轉(zhuǎn)角度達(dá)20度且推力和矢量由數(shù)字電子系統(tǒng)控制的一種發(fā)動機(jī)。
發(fā)動機(jī)簡介
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。
F119發(fā)動機(jī)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(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)（ATF）”計劃，與當(dāng)時的F-15等第三代戰(zhàn)斗機(jī)相比，ATF除要求有好的機(jī)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(jī)則要求推重比達(dá)到10.0一級，中間推力要高，要采用矢量噴管等。當(dāng)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(biāo)競爭。發(fā)動機(jī)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)動機(jī)參與競爭。
XF119發(fā)動機(jī)零組件的生產(chǎn)始于1985年9月，第1臺發(fā)動機(jī)FX601于1986年10月進(jìn)行首次臺架試車。為了飛機(jī)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)動機(jī)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(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(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)動機(jī)被命名為F119。在ATF飛機(jī)研制過程中，飛機(jī)重量與阻力均增加較多，為此，要求發(fā)動機(jī)的推力相應(yīng)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(tài)下的推力）為105kN，F(xiàn)119發(fā)動機(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，來滿足推力增大的要求．為此發(fā)動機(jī)的涵道比由0.25增至0.30。按美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-SID-879(1968），F(xiàn)119的第1種生產(chǎn)型發(fā)動機(jī)被命名為F119-PW-100。
XF119、YF119在進(jìn)入EMD階段前總共完成了3000余小時的整機(jī)試車，到1998年6月共進(jìn)行了8000余小時整機(jī)試車。當(dāng)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(jī)與39臺飛行試驗發(fā)動機(jī)的13.75億美元的EMD合同。按當(dāng)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(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，開始了長達(dá)數(shù)年的飛行試驗計劃。
綜述介紹
F119發(fā)動機(jī)由3級風(fēng)扇、6級高壓壓氣機(jī)、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(jī)分為：風(fēng)扇、核心機(jī)、低壓渦輪、加力燃燒室、尾噴管和附件傳動機(jī)匣等6個單元體，另外還有附件，FADEC及發(fā)動機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，
與F119相競爭的YF120發(fā)動機(jī)為變循環(huán)發(fā)動機(jī)，在2級風(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，第一級工作葉片做得較長成為風(fēng)扇，稱之為核心機(jī)傳動的風(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，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(fēng)扇后的可調(diào)節(jié)放氣環(huán)關(guān)閉，發(fā)動機(jī)成為小涵道比渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(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(dá)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。
YF120的風(fēng)扇、壓氣機(jī)均比F119少1級，且高低壓渦輪間無導(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)計中，與普惠公司以往的發(fā)動機(jī)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(jì)60年代后期開始研制的民用發(fā)動機(jī)（JT9D、PW2037和PW4000）及軍用發(fā)動機(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)荷是通過燃燒室機(jī)匣傳出的。圖5示出的F100-PW-100發(fā)動機(jī)的支承簡圖是其代表。這種設(shè)計不僅使發(fā)動機(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)子動力學(xué)設(shè)計帶來困難，
GE公司的發(fā)動機(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)是中介軸承的潤滑與封嚴(yán)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(diǎn)用中介軸承的設(shè)計。圖6示出了F119發(fā)動機(jī)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(diǎn)。
普惠公司在該公司最新的民用發(fā)動機(jī)PW8000中也采用了1-0-1高壓轉(zhuǎn)子支承方式，這一設(shè)計變化，值得注意。
高壓渦輪的設(shè)計中，普惠公司在20世紀(jì)60年代后期開始研制的發(fā)動機(jī)，例如它的大型、民用發(fā)動機(jī)JT9D、PW2037和PW4000以及軍用發(fā)動機(jī)F100均采用了雙級設(shè)計。這種設(shè)計，使每級渦輪的負(fù)荷小，渦輪效率要大些，但帶來零件多，重量大的缺點(diǎn)。GE公司則在同時期研制的發(fā)動機(jī)（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(jī)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。
設(shè)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(shè)計，與用于波音777的Pw4084發(fā)動機(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(fēng)扇轉(zhuǎn)子均采用了整體葉盤結(jié)構(gòu)（在YF-22進(jìn)行驗證飛行時所用的發(fā)動機(jī)YF119中，僅2，3級風(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(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(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級盤前后均帶鼓環(huán)，分別與1．3級盤連接。
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(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)動機(jī)中。
3.2高壓壓氣機(jī)（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(jìn)口導(dǎo)葉與1，2級導(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。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?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)動機(jī)上采用。
3.4高低壓渦輪（單級）
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(fēng)扇發(fā)動機(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，當(dāng)飛機(jī)機(jī)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(jī)機(jī)身的力矩，可提高飛機(jī)的操縱性，這點(diǎn)對高機(jī)動性能戰(zhàn)斗機(jī)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(yán)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(dǎo)向器（YF120上即無），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(jìn)行冷卻，在YF119上采用外部導(dǎo)管引冷卻空氣對筒體進(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(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1s。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(dá)散射截面積；為減少紅外信號，對調(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），每臺發(fā)動機(jī)有兩套調(diào)節(jié)器，每套調(diào)節(jié)器有二臺計算機(jī)，以確保調(diào)節(jié)系統(tǒng)高的可靠性。
4.1維修性
發(fā)動機(jī)在設(shè)計中特別加強(qiáng)了發(fā)動機(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(biāo)準(zhǔn)手動工具，在外場維修時需進(jìn)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(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。
所有的附件、導(dǎo)線和管路均在發(fā)動機(jī)下部每個外場可換組件均能直接達(dá)到。發(fā)動機(jī)設(shè)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）間的維修人員穿著防護(hù)服。于戴防護(hù)手套均能對裝在飛機(jī)上的發(fā)動機(jī)進(jìn)行日常的維護(hù)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(jī)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(jī)F100有較大提高，也采用了一些以前發(fā)動機(jī)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(jī)與F100-Pw-220發(fā)動機(jī)可靠性指標(biāo)的比較，后者是在F100-Pw-100（原型）發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上，用犧牲性能來提高可靠性的改進(jìn)型。
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