文|航空之家
美国普惠公司的F100-PW-100发动机是第一种投入使用的高推重比(8.0级)发动机,由于研制中单纯追求高推重比这一性能要求而忽视了可靠性与耐久性,在F-15战斗机投入使用后,暴露出发动机有许多影响可靠性的结构强度方面的严重问题。
例如压气机失速,大量涡轮叶片超温、烧伤,燃油泵寿命短等,曾使大批F 15战斗机趴地不能起飞,成为困扰美国空军的最棘手问题之一。该公司虽采取了一系列改进措施,排除了一些故障,但并未从根本上解决问题。
为了进一步提高F100的可靠性、耐久性与维修性,以与 GE公司的F110相抗衡,普惠公司不惜牺牲性能而在F100-PW-100发动机基础上发展了提高可靠性的F100-PW- 220发动机。
- 220型于1985年投入使用,主要用于F-15C/D和F-16C/D战斗机。
2 设计改进
表1列出了F100 PW 220和 100型的主要性能参数。
与F100 PW 100相比,220型的结构设计(见图1)修改如下:
图1、 F100-PW-220发动机结构图
(1)增加防冰措施。风扇进气锥、可变弯度的进口导流叶片的固定部分和可转的尾缘部分均采取了防冰措施,即使在严重结冰情况下发动机也能安全地工作;另外还提高了级间空气封严装置的寿命。
(2)重新设计燃烧室。采用了PW4000的带双层气膜冷却通道、滚压成形的火焰筒,提高了冷却效果。使燃烧完全、出口流场均匀而无可见烟,且使低循环疲劳寿命提高了2倍多。
(3)采用单晶叶片。高压涡轮工作叶片和导向叶片改用单晶材料,且为较先进的冷却结构,如图2所示,增大了涡轮工作温度的裕度。涡轮盘上取消了原设计中应力集中的孔,并采用损伤容限设计准则等,使高压涡轮的检修间隔增加到2000发动机飞行小时。
(4)利用部件改进计划成果。加力燃烧室和平衡梁式可调喷管采用了美国空军部件改进计划中所获得的成果,延长了寿命,改善了维护性。例如,火焰稳定器在飞机上可更换,尾喷管的收敛 扩散通道型面部分在外场也可更换。另外,设置了点火探测器、双点火系统和降低积炭的喷油系统,改善了加力燃烧室的工作。
图2、单晶涡轮叶片内部冷却结构
(5)燃油泵改用齿轮泵。燃油泵由原来的叶片式泵改为齿轮泵,使零件数减少410个,可靠性提高6倍,使用寿命提高2倍。由于发展了较好的齿轮材料,才使这种泵满足高的燃油温度和流量的要求。
(6)采用带挤压油膜的弹性支座。3号轴承(即压气机转子前滚珠轴承)采用了类似PW4000的带挤压油膜的弹性支座。
(7)换用新材料。为延长寿命,采用了新材料,如中介机匣用钛合金(铸造)。轮盘采用损伤容限设计准则等。
(8)提高调节片等的耐磨能力。提高调节片、封严片和轴销等的耐磨能力。
由于以上改进,使-220型的单元体检修间隔大大长于 100型的(见表2),且两种型别通用的零部件数多达81%,通用的维修工具达90%以上,因而减少了部队备用发动机零部件数,简化了维修和降低了费用。
表2 F100 PW 220与 100单元体检修间隔比较
注:TAC为累计的总循环数,TOT为总的工作小时数。
3 DEEC系统
-220型是第一种采用 DEEC 系统(数字式发动机电子控制系统)的战斗机发动机。DEEC系统能在变化的飞行条件下,连续地调节发动机压比,精确地控制推力与稳定裕度,还具有故障检测与调节能力。
该系统包括:用于燃气发生器和加力燃烧室燃油调节的数字式电子调节器、压气机可调静子叶片和启动放气活门调节器、尾喷管调节器等,取消了原调节系统中的8套液压机械组件。220型直接由 DEEC系统中获得如下好处。
(1)油门杆运动无限制。由于 DEEC系统能精确地调节燃油流量和尾喷口面积,使发动机在整个飞行包线内,油门杆的移动不受限制。
(2)工作中不喘振。DEEC系统可直接对发动机全部可变参数进行调节,而不像 100型那样用液压机械式调节装置来操纵或微调,因而在飞行条件变化时,能对发动机参数变化作快速反应,使发动机在整个飞行包线内不产生喘振。
(3)能直接调节发动机压比。由于 DEEC系统改善了故障探测技术,对畸变能进行自动
调整,已能直接调节发动机压比,具有自动转换到辅助调节器的能力。
(4)提高了空中启动能力。能在370km/h空速下在空中再次启动。
(5)改善了发动机加速性。由慢车到最大状态的加速时间由8s降到4s,中间状态到最大状态的加速时间也相应地降低。
(6)提高了安装推力。由于 DEEC系统的精确调节,使 220型在飞行包线内各处均可自动地微调到最佳推力状态。在加速和机动飞行时能提供的安装推力平均值比100型的高。
(7)有好的性能保持。在发动机磨损后,DEEC系统能自动地提高低压涡轮进口温度,以保持推力不变。由于核心机的涡轮设计成具有足够的温度裕度,因而也允许这一增值。
4 监测系统
220型采用了带计算机的监测系统。该系统由 DEEC 故障探测线路、发动机诊断仪(EDU)、数据收集仪(DCU)和发动机分析仪(EAU)等组成。
EDU 自动记录发动机工作时数与循环数、故障或失灵数据和性能参数。这些发动机使用与性能参数在飞机停到维护处时立即被录取到DCU中,随后传送到基地的计算机中进行精确的数据处理,以便快速而准确地诊断发动机的状况,如有故障,能隔离出有故障的组件。
EAU 能完成大量 DEEC系统的功能试验,当飞机停在维护区内,能将大部分故障找出,而无须发动机开车。
由于采用了这套监测系统,提高了发动机使用可靠性,减少了维护工时与费用,同时减小了发动机地面运转时间。
5 耐久性试验
在-220型研制中,普惠公司进行了三项耐久性试验。即加速任务试验(AMT)、高 Ma强度试验和高循环疲劳试验。详见“从F100-PW-100到 F119-PW-100———回顾航空发动机研制观点的转变”。
普惠公司宣称,通过耐久性试验,使F100-PW-220达到了较好的效果。即在4000TAC中,可靠性———无提前换发;耐久性———核心机不换零部件;维修性———每飞行小时为2.3人时;性能保持———试验后,推力达102%,达到了提高可靠性的改型目的。
