陳光/文
3.1 風扇(3級)
第1級風扇葉片採用寬弦、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)。
圖7、F119空心風扇葉片
F119採用了線性摩擦焊的加工方法加工整體葉盤,羅·羅公司近期也採用這種加工方法。
線性摩擦焊（LinearFriction Welding， LFW）是一種固態連接技術,類似於擴散連接(Diffusion Bonding)。
擴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移,最終使兩者緊密連接成一體。
在這種連接中,由於相連接處的材料並未熔化,因而不會出現一般焊接中易發生的脫焊現象。 從結構上講,連接處看不出“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接不同處在於:在擴散連接中,連接的工件是在爐中加溫使其達到高溫的;而在線性摩擦焊中,工件的高溫是通過兩配合面間的相互高頻振盪產生的。
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級盤連接。
圖6、F119-PW-100發動機簡圖
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。
圖8、彎曲靜子葉片與常規直靜子葉片的比較
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“AloyC”阻燃鈦合金以降低重量。
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筒。
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,它能改善燃油霧化品質提高燃燒完全度,減少排汙,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上沒有採用),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
圖9、氣動式噴嘴示意圖
外對裝於兩轉子間的仲介軸承,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(仲介軸承),這與F404、M88發動機的結構類似。
3.5 加力燃燒室(分三區)、尾噴管(二元收斂 擴張向量噴管)和燃油控制系統加力燃燒室筒體採用 AloyC阻燃鈦合金以減輕重量,筒體內作有隔熱套筒,兩者間的縫隙中流過外涵空氣對筒體進行冷卻,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±20°內偏轉,從+20°到-20°的行程中只需1s。推力和向量由雙余度全許可權數位電子控制系統控制,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AloyC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位電子控制系統(FADEC),每台發動機有兩套調節器,每套調節器有二台電腦,以確保調節系統高的可靠性。
4 發動機維修性和可靠性
4.1 維修性
發動機在設計中特別加強了發動機的維修性,例如大部分附件包括燃油泵和控制系統均作為外場可換元件(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,連接件做成能快卸快裝的設計。
所有的附件、導線和管路均在發動機下部,每個外場可換元件均能直接達到。
發動機設計成由第5百分位女性(身高157cm、體重45kg)到第95百分位男性(身高188cm、體重91kg)間的維修人員穿著防護服。手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、 F119相對於F100 PW 220發動機的可靠性、維修性改進
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。
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筒。
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,它能改善燃油霧化品質提高燃燒完全度,減少排汙,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上沒有採用),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
圖9、氣動式噴嘴示意圖
外對裝於兩轉子間的仲介軸承,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(仲介軸承),這與F404、M88發動機的結構類似。
3.5 加力燃燒室(分三區)、尾噴管(二元收斂 擴張向量噴管)和燃油控制系統加力燃燒室筒體採用 AloyC阻燃鈦合金以減輕重量,筒體內作有隔熱套筒,兩者間的縫隙中流過外涵空氣對筒體進行冷卻,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±20°內偏轉,從+20°到-20°的行程中只需1s。推力和向量由雙余度全許可權數位電子控制系統控制,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AloyC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位電子控制系統(FADEC),每台發動機有兩套調節器,每套調節器有二台電腦,以確保調節系統高的可靠性。
4 發動機維修性和可靠性
4.1 維修性
發動機在設計中特別加強了發動機的維修性,例如大部分附件包括燃油泵和控制系統均作為外場可換元件(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,連接件做成能快卸快裝的設計。
所有的附件、導線和管路均在發動機下部,每個外場可換元件均能直接達到。
發動機設計成由第5百分位女性(身高157cm、體重45kg)到第95百分位男性(身高188cm、體重91kg)間的維修人員穿著防護服。手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、 F119相對於F100 PW 220發動機的可靠性、維修性改進
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。