F119渦輪風扇發動機是雙轉子小涵道比加力渦扇發動機，是採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動機。
基本介紹
- 中文名：F119發動機
- 類型：雙轉子小涵道比加力渦扇發動機
- 全稱：F119－PW-100
- 上下偏轉角度：20度
- 推力控制：數字電子系統控制
- 地區：美國
- 製造商：普惠公司
發動機簡介,研發歷程,綜述介紹,設計特點,
發動機簡介
F119發動機剖面圖研發歷程
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）”計畫，與當時的F-1 5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133.6 kN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台發動機FX601於1986年10月進行首次台架試車。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，YF-120）、YF-22（裝YF119、YFl20）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（不開加力時最大狀態下的推力）為105 kN，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。
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 8 000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台F119試驗發動機與39台飛行試驗發動機的13.75億美元的EMD契約。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。1999年12月17日首台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畫。
採用F119發動機的F-22戰鬥機綜述介紹
F119發動機由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。整台發動機分為：風扇、核心機、低壓渦輪、加力燃燒室、尾噴管和附屬檔案傳動機匣等6個單元體，另外還有附屬檔案，FADEC及發動機監測系統，
與F119相競爭的YF120發動機為變循環發動機，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。
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，同時還能看出各部什的主要設計特點。
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、FllO和F404，民用：CFM56）中，均採用了單級高壓渦輪，雖然渦輪效率稍低，但收到了使發動機的結構簡單，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，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。
設計特點
3.1風扇（3級）
第1級風扇葉片采州寬弦、空心設計，與用於波音777的Pw4084發動機採用的空心葉片結構相同，即葉片由葉盆、葉背兩塊型板經擴散連線法連線成一整葉片，在連線前，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·羅公司採用的帶蜂窩芯的夾層結構小。用鈦合金制的3級風扇轉子均採用了整體葉盤結構（在YF-22進行驗證飛行時所用的發動機YF119中，僅2，3級風扇採用了整體葉盤）。F119採用了線性摩擦焊的加工方法加工整體葉盤，羅·羅公司也採用這種加工方法。
線性摩擦焊（Linear Friction Welding,LFW）是一種固態連線技術，類似於擴散連線（Diffusion Bonding）。擴散連線是將兩個需連線的零件的連線面緊緊靠住，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，最終使兩者緊密連線成一體。在這種連線中，由於相連線處的材料並未熔化．因而不會出現一般焊接中易發生的脫焊現象。從結構上講，連線處看不出“焊縫”來，且其強度與彈性均優於本體材料。線性摩擦焊與擴散連線不同處在於：在擴散連線中，連線的工件是在爐中加溫使其達到高溫的；而線上性摩擦焊中，工件的高溫是通過兩配合面間的相互高頻振蕩產生的。
整體葉盤線性摩擦焊的加工過程及採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發動機中，為保證風扇機匣剛性均勻，保持較均勻的葉尖間隙，風扇機匣做成整環的，為此風扇轉子做成可拆卸的，即2級盤前後均帶鼓環，分別與1．3級盤連線。
風扇進口處採用了可變彎度的進口導流葉片，其結構類似於F100。由圖6可以看出，三級靜子均採用了彎曲設計，這種葉片是利用普惠公司開發的NAsTAR程式設計的，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。採用彎曲靜子葉片後可提高風扇、壓氣機效率與喘振裕度。彎曲靜子葉片也用於F119的高壓壓氣機及民用的PW4084發動機中。
3.2高壓壓氣機（6級）
採用了高級壓比設計，6級轉子全採用整體葉盤結構。進口導葉與1，2級導葉是可調節的，前機匣採用了“Alloy c”阻燃鈦合金以降低重量。靜葉也採用了彎曲的靜葉。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，使壓氣機後機匣具有雙層結構，外層傳遞負荷，內層僅作為氣流的包容環，這種結構在大型、高涵道比渦輪風扇發動機中得到廣泛採用。
3.3燃燒室（短環形）
火焰筒為雙層浮壁式，外層為整體環形殼體，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。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。
採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，與燃氣接觸的瓦片燒壞後還可更換，而且還可使排氣污染物減少。這種結構已在V2500、PW4084等民用發動機上採用。
噴嘴採用了氣動式噴嘴，它能改善燃油霧化質量提高燃燒完全度，減少排污，同時還能消除一般離心式噴嘴易生積炭的問題，圖9示出了氣動式噴嘴的示意圖。
3.4高低壓渦輪（單級）
高壓渦輪的工作葉片用普惠公司的第三代單晶材料做成，採用了先進的氣膜冷卻技術。
渦輪盤採用了雙重的熱處理以適應外緣與輪心的不同要求，即外緣採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；輪心部分則採用提高強度的熱處理，這種在一個零件上採用兩種要求不同的熱處理，實屬罕見。工作葉片葉尖噴塗有一層耐磨塗層（在XF119上投有採用），以減少性能的衰退率，這種措施在民用大型渦輪風扇發動機中套用較多。
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，當飛機機動飛行時作用於兩轉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機身的力矩，可提高飛機的操縱性，這點對高機動性能戰鬥機特別重要；另外對裝於兩轉子間的中介軸承，軸承內外環轉向相反時，會大大降低保持架與滾子組合體相對內外環的轉速，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時，可以不要低壓渦輪導向器（YF120上即無），但F119上仍然採用了導向器。低壓渦輪輪盤中心開有大孔，以便安裝高壓轉子的後軸承（中介軸承），這與F404、M88發動機的結構類似。
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
加力燃燒室筒體採用Alloy C阻燃鈦合金以減輕重量，簡體內作有隔熱套筒，兩者間的縫隙中流過外涵空氣對簡體進行冷卻，在YF119上採用外部導管引冷卻空氣對筒體進行冷卻，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。發動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1 s。推力和矢量由雙余度全許可權數字電子控制系統控制，用由煤油作介質的作動筒來操縱。調節片設計成可減小雷達散射截面積；為減少紅外信號，對調節片進行了冷卻。尾噴管也採用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許可權數字電子控制系統（FADEc），每台發動機有兩套調節器，每套調節器有二台計算機，以確保調節系統高的可靠性。
4.1維修性
發動機在設計中特別加強了發動機的維修性，例如大部分附屬檔案包括燃油泵和控制系統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種標準手動工具，在外場維修時需進行拆裝的緊固件不允許用保險絲、開口銷，由於採用“B”型螺母，擰螺母時可不採用限扭扳手。孔探儀的座孔設計成無螺紋內置式的，所有導管、導線均用不同的顏色予以區分，滑油箱裝有目視的油位指示器，連線件做成能快卸快裝的設計。
所有的附屬檔案、導線和管路均在發動機下部每個外場可換組件均能直接達到。發動機設計成由第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服。於戴防護手套均能對裝在飛機上的發動機進行日常的維護工作。
4.2可靠性
F119在設計中遵循“採用經過驗證的技術”的做法，以及整台發動機結構簡單，零部件數目少。因此雖然它在性能方面較前一代發動機F100有較大提高，也採用了一些以前發動機中未採用的設計，但它的可靠性卻比F100的要高。
表5列出了F119發動機與F100- Pw -220發動機可靠性指標的比較，後者是在F100-Pw-100（原型）發動機的基礎上，用犧牲性能來提高可靠性的改進型。
