第3代战斗机发动机的改进改型梁春华沈阳发动机设计研究所沈阳 110015摘要: 介绍了F100、 F110、F404等第 3代战斗机发动机的发展 详述了对原型机改进改型发展高可靠性、高耐久性和高性能发动机的过程并分别阐述了其未来发展关键词:战斗机发动机 涡扇发动机 改进改型RetrofitoftheThird-GenerationFighterEnginesLiangChunhuaShenyangAeroengineResearchInstituteShenyang110015ChinaAbstract:Developmentofthethird-generationfighterenginessuchasF100F110F404etcisintroduced.Theseengineshavebeenretrofittedtogainhighreliabilityhighdurabilityandbestpreformance.Thefuturedevelopmentisforecast.Keywords:fighterengineturbofanengineretrofit1 引言 第3代战斗机发动机在指20世纪70年代研制的推重比为8一级的涡扇发动机是美国F15、F16 、F18和俄罗斯Су27等 现役主力战斗机的动力装置包括F100、 F110、F404、АЛ31Ф和RB199 等发动机。
自从实际应用以来这些发动机不断地吸纳先进且成熟的技术进行改进和改型在可靠性和耐久性不断提高的同时推重比已由7.08.0提高到8.510.0已接近甚至超过了20世纪90年代初研制的F119等第4代战斗机发动机的技术水平2 F100发动机的发展 F100发动 机是PW公司研制的在世界上最早 应 用的推重比为8一级的小涵道比加力式涡扇发动机为了满足空军的要求它的性能参数选择了“2 高1低”即高压比23、高涡轮进口温度1399℃、低涵道比 0.6其结构部件采用了大量新型 结构、先进的材料和新工艺于1968年开始设计1970年开始进行全尺寸工程研制1973年10月完成定型试验并投入使用1974年PW公司专门为F16 单发战斗机改型设计了F100-PW-200发动机由于F100-PW-100/200发动机在设计上过分追求高性能致使在使用中屡出故障为此PW公司改型研制了可靠性和耐久性均有所提高的F100-PW-220 发动机之后又利用先进涡轮发动机燃气发生器ATEGG计 划、 联合技术验证机计划研究的和F119发动机 验证的技术 不断提高性能、可靠性、耐久性和可维护性改型研制了F100-PW-200E、F100-PW-200P、F100-PW-200、F100-PW-229、F100-PW-229A和F100-PW-232等发动机。
2.1 F100-PW-100发动机 F100-PW-100发动机的3级跨声速风扇基于J58发动机的风扇进口导流叶片采用变 弯度设计前缘固定后缘全程可调10级跨声速高压压气机以GE4发动机的为基础前3级静子可调叶片采用多圆弧叶型燃烧室主要借鉴JT9D和J58发动机的燃烧室技术加力燃烧室充分借鉴了J58和 收稿日期:2004-06-07 第一作者简介:梁春华1968—高级工程师1991年毕业于郑州航空工业学院从事航空发动机情报研究工作352004年第30卷第4期 航空发动机 TF30发动机的经验采用了带环形混合器的短扩压器2级高压涡轮由J58发动机的发 展而来叶片采用复合冷却技术和定向凝固镍基合金并涂敷PWA73涂层2级低压涡轮 采用无冷却涡轮叶片并涂敷PWA73涂层喷管采用质量轻但推进效率高的平衡梁式收 敛扩散喷管 F100-PW-100发动机的涵道比为0.63空气流量为101kg/s总压比为25涡轮进口温度为1370℃推力为105.9kN质量为1385.5kg推重比为7.72.2 F100-PW-220发动机 F100-PW-220发动机是为了解决F100-PW-100/200发动机的压气机连续发生悬挂失速主燃油泵、加力燃油泵、涡轮转子和静子叶片多次出现可靠性和耐久性问题而研制的于1985年投入生产。
它采用重新设计的风扇、延 长了寿命的核心机、新的低压涡轮材料、双环加力燃烧室点火系统、大大提高了外来物损伤容限的齿轮型燃油泵、可维护性提高的发动机诊断装置、经改进的加力燃烧室和数字式发动机电子控制系统最终F100-PW-220发动机的可靠性、耐久性和可维护性得到很大提高流量增加到103.4kg/s推力保持在105.9kN但质量增加到1451.5kg推重比降为7.4 2.3 F100-PW-229发动机 F100-PW-229发动机是在与F100-PW-220发动机相同的结构尺寸下利用发动机型号衍生计划EMDP和独立研究与发展计划开发的技术研制的推力增大型发动机于1991年投入使用推力的增大主要是依靠增大风扇和压气机的空气流量、提高压气机的压比和提高涡轮进口温度实现的空气流量的增加和压比的提高是通过增加压气机的长度实现的为消除增加压气机长度带来的负面影响重新设计了中介机匣和采用浮动壁燃烧室缩短了燃烧室的长度 F100-PW-229发动机3级风扇的进口导流叶片可调并带有承力支板前2级风扇的叶片有中间凸台转子轴的加工材料为6Al4V 钛合金先采用电子束焊接再采用机械加工和喷丸处理工艺加工延长了寿命缩短了中介机匣支板的轴向距离增加了第3级静子在内流道增加了加强环以提供因增大流量和提高压比所需的更强的刚性10级高压压气机增大了流量提高了压比改善了可维护性浮动壁燃烧室采用先进的扩压器技术缩短了火焰筒的长度除了为适应温度升高并保持温度裕度和持久性不变而进行经验性修改外高压涡轮还采用了无孔盘和新材料如涡轮叶片材料由PWA1480改为PWA1484单晶材料、涡轮叶片外部气封材料改为PWA1485、涡轮盘 采用耐 损伤的IN100材料等低压涡轮增大了气流流通面积转子叶片采用第2代单晶材料PWA1484盘采用耐损伤的IN100材料并改进了密封和工作平台多区加力燃烧室改进了燃料分配系统采用了先进的火焰控制AFM系统方案加力燃烧室和喷管普遍采用加强的结构件使其内部压力比F100-PW-220 发动机的高20温度也比F100-PW-220发动机的高控制系统以F100-PW-220发动机的控制器为基础改进了加力控制系统实现了快速准确地为11个燃油分区分配燃油改进了电子控制系统提高了记忆、运算和飞行数据传递的速度。
改 进了电缆标色和采用单元体的可修理的加力燃烧室点火检测器提高了外场维护和在厂修理能力 通过采用上述技术F100-PW-229发动机的性能在整个飞行包线上比F100-PW-220发动机的提高2030总增压比提高到32流量提高到112.4kg/s涵道比降为0.4推力增大到129kN 推重比达到8.0检修间隔达4000个循环2.4 F100-PW-229A发动机 F100-PW-229A发动机是于20世纪90年代初采用由F119发动机风扇技术改进的风扇研制的推力增大型发动机改进措施包括增加风扇的长度增加0.150m加大 风扇的直径改善风扇的气动特性在保持较高效率的同时使风扇的流量增大了10第1级风扇转子采用低展弦比叶片增强了抗外物损伤能力第23级风扇采用整体叶盘结构的转子和弓形静子大大减少了零件数减轻了质量减小了气动损失避免了常见的叶根裂纹问题这样新风扇能提高发动机的推力或在维持发动机最大推力的同时通过将涡轮进口温度降低50℃左右使发动机热端部件的检查间隔从4300TAC总累积循环增加到6000TAC风扇加强后虽然质量增加68kg但是满足了美国空军高循环疲劳的要求也可以去掉进口导流叶片。
另外进口因采用整体铸造所以大大减少了部件数达300个提高了耐久性PW公司称其涡轮的耐久性能提高30以上可使推力达到142.3kN 甚至提高到165.3kN 或在推力不变的情况下延长5的航程2.5 F100-PW-232发动机 F100-PW-232发动机的前身为F100-45 航空发动机 2004年第30卷第4期IPE92发动机是F100-PW-229IPE 发动机的发展型通 过在F100-PW-229IPE发动机的机匣内将风扇的直径增大0.254cmF100-PW-232发动机的总压比提高到35流量提高到113.8kg/s涵道比降为0.34 这样 F100-PW-232发动机或者能够增大推力最大推力增大到151kN额定推力为146kN非加力推力为95.2kN或者通过在更低的温度下工作来延长发动机的寿命增大推力后的发动机的推重比为8.32.6 F100发动机的未来 发展 目前PW公司计划将综合高性能 涡轮发动机技术IHPTET计划验证的技术及经验证的F119和F135 发动机的部件用于提高 F100发动机的能力。
如整体铸造的固定支撑进口机匣、机匣处理、 线性摩擦焊接的整体叶盘结构转子、浮动壁燃烧室、超冷高压涡轮、 单晶无冷却带冠低压涡轮、复合材料 喷管调节片等技术或部件若应用于F100 发动 机上将使F100 发动机的推力增大 25寿命延长50其配装的F15飞机的航程将增 长7寿命周期成本将减少 25亿美元3 F110发动机的发展 F110发动机是 GE公司在20世纪70年代研制的用以替 换F100 发动机的推重比为8一级的涡扇发动机也是美国第1种按“结构完整性大纲ENSIP”要求研制的兼顾性能、可靠性、耐久性、可维护性的发动机于1979年开始研制 1984年选为F15 和F16战斗机的动力装置1986年装F16C/D 飞机投入使用之后GE公司采用发动机型号衍生计划、IHPTET计划等开 发的技术 和YF120等发动机的研制 经验改进发展了F110-GE-100A、F100-GE-100B、F118-GE-100、F110-GE-400、F110-GE-129、F110-GE-132等发动机3.1 F110-GE-100发动机 F110-GE-100发动 机其前身为F101DFE发动机是以F101发动机核心机 为基 础利用F404 发动机的风扇和 喷管等先进技术研制的。
其风扇是按YJ101/F404发动机风扇的比例放大即用压比为3.2、直径为0.970m 的3级风扇替代F101发动 机的压比为 2.0、直径 为1.14m的2级风扇涵道比由2.01减小到0.87其 9级高压压气机、环形燃烧室和单级高压涡轮与F101发动机的基本相同只是为适应减小了直径的风扇的流路少量改动了高压压气机静子的作动系统、放气系统、燃油管路和燃烧室机匣的后部构件2级低压涡轮保留了F101发动机低压涡轮的转子叶片、静子叶片和轴但为了适应新风扇的较高转速和较小直径而提高了涡轮转子的转速加力燃烧室是F101 发动机加力燃 烧室的缩小型采用与F404 发动机的相同的双燃油喷射杆以更好地控制燃油分配喷管由F101 和F404 发动机的改型而来喷管作动器与F101发动机的相同但 缩短了冲程轴承除5支点外其余的与F101 发动机的相同另外对核心机以外的部件和系统进行了比例缩小和减轻质量处理这样F110-GE-100 发动机在实现高可靠性和高耐久性的同时获得了较大的绝对推力和较低的推重比空气流量为122kg/s风扇压比为3.2高压压气机压比为9.5推力为122.6kN 质量为1769kg推重比为7.07。
3.2 F110-GE-129发动机 F110-GE-129发动机继承了F110-GE-100 发动机81的零部件只改进了少量的部件使用新材料提高了涡轮进口温度提高5580℃和转子速度增大了涡轮的压力采用改进性能的全功能数字式电子控制器替代了模拟式电子控制器和机械液压式控制器。