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F-22用的F119发动机的主要部件设计特点是什么


来源:航空之家

   3.1 风扇(3级) 第1级风扇叶片采用宽弦、空心设计,与用于波音777的PW4084发动机采用的空心叶片结构相同,即叶片由叶盆、叶背两块型板经扩散连接法连接成一整叶片,

 

 

3.1 风扇(3级)

第1级风扇叶片采用宽弦、空心设计,与用于波音777的PW4084发动机采用的空心叶片结构相同,即叶片由叶盆、叶背两块型板经扩散连接法连接成一整叶片,在连接前,先将两板接合面处纵向地铣出几条槽道形成空腔,参见图7。

这种空心叶片的空心度较罗·罗公司采用的带蜂窝芯的夹层结构小。

用钛合金制的3级风扇转子均采用了整体叶盘结构(在 YF 22进行验证飞行时所用的发动机 YF119中,仅2,3级风扇采用了整体叶盘)。

 

 

图7、F119空心风扇叶片

F119采用了线性摩擦焊的加工方法加工整体叶盘,罗·罗公司近期也采用这种加工方法。

线性摩擦焊(LinearFriction Welding, LFW)是一种固态连接技术,类似于扩散连接(Diffusion Bonding)。

 

扩散连接是将两个需连接的零件的连接面紧紧靠住,在高温、高压下,两零件配合表面间形成了材料原子的相互转移,最终使两者紧密连接成一体。

 

在这种连接中,由于相连接处的材料并未熔化,因而不会出现一般焊接中易发生的脱焊现象。从结构上讲,连接处看不出“焊缝”来,且其强度与弹性均优于本体材料。

 

 

 

 

 

 

线性摩擦焊与扩散连接不同处在于:在扩散连接中,连接的工件是在炉中加温使其达到高温的;而在线性摩擦焊中,工件的高温是通过两配合面间的相互高频振荡产生的。

整体叶盘线性摩擦焊的加工过程及采用这种加工工艺带来的好处,可参阅“一种整体叶盘的加工方法———线性摩擦焊”。

在F119发动机中,为保证风扇机匣刚性均匀,保持较均匀的叶尖间隙,风扇机匣做成整环的,为此风扇转子做成可拆卸的,即2级盘前后均带鼓环,分别与1,3级盘连接。

图6、F119-PW-100发动机简图

风扇进口处采用了可变弯度的进口导流叶片,其结构类似于F100。由图6可以看出,三级静子均采用了弯曲设计,这种叶片是利用普惠公司开发的 NASTAR程序设计的,它可以大大缩小常规直静子叶片上下端的分离损失区,如图8所示。

采用弯曲静子叶片后可提高风扇、压气机效率与喘振裕度。弯曲静子叶片也用于 F119的高压压气机及民用的 PW4084发动机中。

 

 

图8、弯曲静子叶片与常规直静子叶片的比较

3.2 高压压气机(6级)

采用了高级压比设计,6级转子全采用整体叶盘结构。进口导叶与1,2级导叶是可调节的,前机匣采用了“AloyC”阻燃钛合金以降低重量。静叶也采用了弯曲的静叶。

为增加高压压气机出口处机匣(该处直径最小,形成了缩腰)的纵向刚性,燃烧室机匣前伸到压气机的3级处,使压气机后机匣具有双层结构,外层传递负荷,内层仅作为气流的包容环,这种结构在大型、高涵道比涡轮风扇发动机中得到广泛采用。

 

 

3.3 燃烧室(短环形)

火焰筒为双层浮壁式,外层为整体环形壳体,在壳体与燃气接触的壁面上铆焊有薄板,薄板与壳体间留有一定的缝隙,使冷却两者的空气由缝中流过。

为了使薄板在工作中能在圆周与长度上自由膨胀,薄板在圆周与长度上均切成一段段的,形成多片瓦块状的薄板,因此这种火焰筒又可称为瓦块式火焰筒。

采用浮壁式火焰筒可改善火焰筒的工作条件,不仅可提高火焰筒的寿命,与燃气接触的瓦片烧坏后还可更换,而且还可使排气污染物减少。这种结构已在V2500、PW4084等民用发动机上采用。

喷嘴采用了气动式喷嘴,它能改善燃油雾化质量提高燃烧完全度,减少排污,同时还能消除一般离心式喷嘴易生积炭的问题,图9示出了气动式喷嘴的示意图。

 

 

3.4 高低压涡轮(单级)

高压涡轮的工作叶片用普惠公司的第三代单晶材料做成,采用了先进的气膜冷却技术。

涡轮盘采用了双重的热处理以适应外缘与轮心的不同要求,即外缘采用了提高损伤容限能力的处理,以适应榫槽可能出现的微裂纹;轮心部分则采用提高强度的热处理,这种在一个零件上采用两种要求不同的热处理,实属罕见。工作叶片叶尖喷涂有一层耐磨涂层(在 XF119上没有采用),以减少性能的衰退率,这种措施在民用大型涡轮风扇发动机中应用较多。低压涡轮与高压涡轮转向相反。这种将高低压转子做成转向相反的设计,当飞机机动飞行时作用于两转子上的陀螺力矩会相互抵消大部分,因此可减少外传到飞机机身的力矩,可提高飞机的操纵性,这点对高机动性能战斗机特别重要;另

 

 

图9、气动式喷嘴示意图

外对装于两转子间的中介轴承,轴承内外环转向相反时,会大大降低保持架与滚子组合体相对内外环的转速,对轴承的工作有利,但增加了封严的难度。

 

理论上,高低压涡轮反向转动时,可以不要低压涡轮导向器(YF120上即无),但F119上仍然采用了导向器。低压涡轮轮盘中心开有大孔,以便安装高压转子的后轴承(中介轴承),这与F404、M88发动机的结构类似。

3.5 加力燃烧室(分三区)、尾喷管(二元收敛 扩张矢量喷管)和燃油控制系统加力燃烧室筒体采用 AloyC阻燃钛合金以减轻重量,筒体内作有隔热套筒,两者间的缝隙中流过外涵空气对筒体进行冷却,在 YF119上采用外部导管引冷却空气对筒体进行冷却,在F119上取消了外部导管。

喷管上下的收扩式调节片可单独控制喉道与出口面积,而且当上下调节片同时向上或向下摆动时,改变了排气流的方向,即改变推力的方向。

 

 

发动机的推力能在飞机的俯仰方面±20°内偏转,从+20°到-20°的行程中只需1s。推力和矢量由双余度全权限数字电子控制系统控制,用由煤油作介质的作动筒来操纵。

调节片设计成可减小雷达散射截面积;为减少红外信号,对调节片进行了冷却。尾喷管也采用AloyC阻燃钛合金以减少重量。

燃油控制系统为第四代双余度全权限数字电子控制系统(FADEC),每台发动机有两套调节器,每套调节器有二台计算机,以确保调节系统高的可靠性。

4 发动机维修性和可靠性

 

 

4.1 维修性

发动机在设计中特别加强了发动机的维修性,例如大部分附件包括燃油泵和控制系统均作为外场可换组件(LRU),而所有的每个 LRU拆换时间不超过20min,所用的工具仅是11种标准手动工具,在外场维修时需进行拆装的紧固件不允许用保险丝、开口销,由于采用“B”型螺母,拧螺母时可不采用限扭扳手。

孔探仪的座孔设计成无螺纹内置式的,所有导管、导线均用不同的颜色予以区分,滑油箱装有目视的油位指示器,连接件做成能快卸快装的设计。

所有的附件、导线和管路均在发动机下部,每个外场可换组件均能直接达到。

发动机设计成由第5百分位女性(身高157cm、体重45kg)到第95百分位男性(身高188cm、体重91kg)间的维修人员穿着防护服。手戴防护手套均能对装在飞机上的发动机进行日常的维护工作。

4.2 可靠性

F119在设计中遵循“采用经过验证的技术”的做法,以及整台发动机结构简单,零部件数目少。因此虽然它在性能方面较前一代发动机 F100有较大提高,也采用了一些以前发动机中未采用的设计,但它的可靠性却比F100的要高。

 

 

表5、 F119相对于F100 PW 220发动机的可靠性、维修性改进

表5列出了 F119发动机与 F100 PW 220发动机可靠性指标的比较,后者是在 F100 PW 100(原型)发动机的基础上,用牺牲性能来提高可靠性的改进型。

 

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