“閃電”之心談談F發(fā)動機

成了羅爾斯?羅伊斯公司的升力系統(tǒng)，使該機能實現(xiàn)短距起飛垂直降落(STOVL)。那么這種發(fā)動機在設計上有什么獨到之處呢FF兩種發(fā)動機共享一個“高度通用核心”。相同的零件。性之外兩種發(fā)動機存在一些重要區(qū)別。由于單發(fā)的F-35需要F135產(chǎn)生高達43000磅(19504千克/)的“濕”推力(也就是全加力推力，注意本文中的推力都是指推力級別，而不是具體數(shù)據(jù))，而F119的全加力推力是35000磅(15876千克/)。所以F135需要比F119更大的氣流流量，為此加大了進氣口直徑(1168毫米)和風扇直徑(1270毫米)，發(fā)動機總體直徑也更大了(1295毫米)。體葉片轉子(IBR，或簡稱為“葉盤”，由實心鈦合金盤體和鈦葉片焊接而成)。第一級葉盤的中空葉片通過線性摩擦焊工藝焊接在盤提上，然后再加工成規(guī)定直徑。第二級葉盤采用實心葉片，使用相同技術焊接而成。線性摩擦焊是利用兩個工件以一定的頻率和振幅往復運動而產(chǎn)生的熱量進行焊接的方法，接合面受熱熔化后在壓力下使的數(shù)據(jù)，普惠官方的數(shù)據(jù)僅)，與燃油混合，燃燒成熾熱燃氣，再進入渦輪級，從而產(chǎn)生最大28000磅(12700千克/)的干推力(非加力)。F135有一個六級高壓壓氣機(HPC)單元，每級同樣都采用了整體葉盤。前幾級葉盤采用鈦合金制造，由于氣流經(jīng)過每一級的壓縮后都會變得更熱，所以后面一級或多級葉盤改用鎳基合金制造，以承受更高的溫度。F-35做常規(guī)飛行時，被高壓壓縮機壓縮FF過改進能承受更高溫度，以適應F-35的高推力要求?？傮w而言，這兩種發(fā)動機的核心機，也就是高壓壓氣機+燃燒室+高壓渦輪的F119和F135都采用了單級高壓渦輪(HPT)，不過F135的低壓渦輪(LPT)是兩級，而不是F119的一級。之所以這么改動，F(xiàn)-35B發(fā)動機低壓渦輪所在的低壓轉子不僅被用于驅動風扇級，也被用于驅動一根傳動軸，這樣才能使座艙之后發(fā)動機之前的FB飛垂直降落要求，所以需要一級額外的低壓渦輪來驅動傳動軸，于是為了保持通用性，F(xiàn)135-PW-100/-400保留這個第二級低壓渦FPW無需為短距起飛垂直降落任務作出犧牲，所以可維護性也得到改善。F135熱段冷卻空氣通道布局和冷卻氣流與F119不同，此外，渦輪葉片表面的隔熱涂層材料也進行了改進，這層涂料能夠保護鎳基超級合金制成的渦輪葉片和定子葉片不會被燃燒室噴出的1649度熾熱燃氣融化。F135和F119上，用于冷卻高低壓壓氣機的空氣都引自旁通氣流和高壓壓縮機引氣，在渦輪葉片和渦輪段殼體中布置有復雜的細小空氣通道管網(wǎng)，這點與商用渦扇發(fā)動機類似。反向旋轉轉子、陶瓷基復合材料和加力燃燒室過多談論F135發(fā)動機的一個重要特點——反向旋轉雙轉子結構，這個結構也繼承自F119。轉子的反向旋轉在某些情況下能夠理順從高壓壓氣機流向低壓壓氣機的核心氣流，可能允許普惠省掉一排或多排定子(定子的作用是在多級風扇、壓縮機或渦輪間理順氣流，使氣流以最優(yōu)狀態(tài)進入下一級)。普惠可能已經(jīng)在F135上實現(xiàn)了減少零件數(shù)量和降低重量，但該公司拒F135使用了陶瓷基復合材料(CMC)，主要用在F135-PW-600噴管的外側部分。F135-PW-600風扇機匣部分(尤其底部)采用有機基材復合材料(OMC)制造，F(xiàn)135-PW-100/-400的風扇機匣則由鈦合金制成。F-35在進氣道某些區(qū)域也采用了有機基材復合材F135的加力燃燒室或加力系統(tǒng)也很有特色。盡管普惠公司并未透露細節(jié)，但已知F135采用了多區(qū)燃油噴射(可能是三區(qū))技術來把燃油噴向加力燃燒室點火器后方。燃油噴嘴可以單區(qū)噴射燃油，所以可以調節(jié)加力燃燒室的加力幅度，不再是要么全有要么全無的工作方式。在飛行員的控制下，多區(qū)燃油噴射技術可以提供一個平穩(wěn)的濕推力變化過程。與F119發(fā)動機相同，F(xiàn)135的加力燃燒室也采用了隱身設計，這兩種發(fā)動機把多區(qū)燃油噴嘴隱藏在彎曲的靜態(tài)導向葉片中，從而取消了傳統(tǒng)的噴油桿和火焰穩(wěn)定器(當你從其他渦扇發(fā)動機的尾噴管向里望去時，就能清楚看到這兩個設備)。羅爾斯?羅伊斯升力系統(tǒng)在懸停時，發(fā)動機能產(chǎn)生39400磅(17872千克/176kN)的非加力垂直升力，而在常規(guī)飛行中，則能產(chǎn)生28000磅(12700千克/)干推力和43000磅(19504千克/)的全加力推力。F-35B的F135發(fā)動機依賴兩個系統(tǒng)來實現(xiàn)如此高的垂直升力。首先是全權限數(shù)字發(fā)動機控制單元(FADEC)，這是一套由BAE其次是羅爾斯?羅伊斯的升力系統(tǒng)，與F135發(fā)動機一道組成了短距起飛垂直降落推進系統(tǒng)，該系統(tǒng)由4大主要組件組成。第一個組件是升力風扇FB氣流向下噴出，以此產(chǎn)生垂直升力。升力風扇的進氣口被洛克希德?馬丁公司制造的一塊大型蓋板蓋住，這塊蓋板諢名“1957款雪氣口后方的機身結構上。F-35B懸停、短距起飛、或處于平飛和懸停間的過渡飛行時，蓋板向后打開。升力風扇由兩級反向旋轉的風扇組成，一級疊加在另一級上方，每級都是整體葉盤結構。上級風扇有24片空心鈦葉片，下級兩級風扇各由一套錐形齒輪系統(tǒng)驅動(該系統(tǒng)通過一組圓錐形齒輪，能使驅動軸的扭矩旋轉90度傳遞給風扇)。整流罩內的驅動軸穿過進氣道把升力風扇和發(fā)動機連接起來。在發(fā)動機那頭，驅動軸連接在第一級風扇的風扇轂上，由低壓轉子驅FB懸停時，這根驅動軸把28000軸馬力的功率傳遞給升力風扇的離合器和錐形齒輪系統(tǒng)，使升力風扇產(chǎn)生近20000磅 扇而不是從尾噴管噴出做工。從這點上看，F(xiàn)135可以說是世界上最強大的渦槳發(fā)動機)。合器才與驅動軸接合并鎖定。由于離合器會因摩擦產(chǎn)生高溫，所以離合器片采用了與大型商用飛機起落架碳剎車片相同的耐磨材料來制造。由于懸停需要非常大的推力，發(fā)動機要吞入更多的空氣，所以洛克希德?馬丁在升力風扇后方增加了一對輔助進氣門(AAID)，F(xiàn)-35綜合測試部隊在馬里蘭州帕塔克森特河海軍航空站的測試中，發(fā)現(xiàn)輔助進氣門受到環(huán)境影響出現(xiàn)了過度磨損和疲勞，此外暴露了密封性不足，門鎖使用壽命不足的缺點。這些問題導致低速率初始生產(chǎn)(LRIP)的F-35B在改裝輔助進氣門前被限制進入升力風扇由兩級反向旋轉的風扇組成升力風扇蓋板打開時的流場分析升力風扇鈦合金葉盤升力風扇進氣口的計算機模型升力風扇的齒輪箱升力風扇的導向葉片組裝中的升力風扇升力風扇全貌第二個組件是可調截面積葉片盒(VAVB)號葉片是第二組，由第二個線性致動器驅動；6號葉片由一個獨立旋轉致動器驅動。于是VAVB可實現(xiàn)噴管的矢量與截面積兼顧控VAVB噴管能對升力風扇產(chǎn)生的升力進行矢量調節(jié)，這個組件被整合進飛機結構中，能承受結構載荷，這樣做的目的是節(jié)省重量，要知道實現(xiàn)短距起飛垂直降落的一個關鍵因素就是：發(fā)動機產(chǎn)生的垂直升力大于飛機重量。VAVB的切削鋁制矩形框架上面開好了與機身結構連接的安裝點，由于是一個結構件，所以要預先交付給諾斯羅普?格魯門公司以便安裝在該公司制造的機身中段上。VAVB噴管對升力風扇氣流起到了調節(jié)作用VAVB噴管作為一個結構件要預先安裝在機身中段第三個組件是三軸承旋轉模塊(3BSM)噴管F-35B在懸停模式中，有15700磅(7121千克/)的垂直升力來自飛機尾部三軸承旋轉模塊(3BSM)噴管中向下噴出的熾熱燃氣。這種有趣的噴管由三節(jié)連接在一起的管道組成，每節(jié)管道都是鈦合金的，每節(jié)都通過環(huán)形軸承與其他噴管連接。當F-35B要懸量變化，都是非常艱巨的挑戰(zhàn)。3BSM噴管在秒內就能完成95度偏轉(從水平偏轉到垂直狀態(tài))，噴管在懸停模式中還能左右偏轉度進行橫向控制。在懸停中，除了升力風扇產(chǎn)生的近20000磅升力外，F(xiàn)-35B兩側翼根中的滾轉噴管(RollPost)也能通過向下噴出旁通空氣達到39000磅(17690千克)。F-35B的垂直升力幾乎相當于歐洲“臺風”戰(zhàn)斗機的全加力推力，這驚人的推力矢量能力全靠F-35B龐大而復雜的FADEC軟件M向同速旋轉。3BSM噴管的這兩個環(huán)形軸承致動器都是燃油液壓驅動的，部分燃油被加壓到3500psi(兆帕)后作為液壓流體來驅動致動器的伺服閥。第四個組件是滾轉噴管滾轉噴管通過各自的管道與發(fā)動機相連。這根管道有著復雜外形，與發(fā)動機連接的一頭為圓形截面，然后過渡到噴管一端的復雜截面。這些鈦合金管道使用了超塑成形、擴散連接和激光焊接制造工藝。滾轉噴管位于兩側翼根下方，噴管截面積可調，在F-35B懸停時提供滾轉控制。為了實現(xiàn)這點，噴管管道從發(fā)動機引出旁通空下噴出?？刂艶-35B在滾轉軸上的姿態(tài)。滾轉噴管位于兩側翼根下方，噴管截面積可調滾轉噴管的安裝位置滾轉噴管的管道修改前的升力風扇級間導向葉片其中的離合器、齒輪箱和風扇模塊有各自的獨立組裝線。該工廠目前每月生產(chǎn)一套完整的升力風扇系統(tǒng)，在F-35B生產(chǎn)高峰時，產(chǎn)印第安納波利斯工廠還負責組裝3BSM噴管，上面的致動器來自英國穆格工廠，此外還生產(chǎn)滾轉噴管和VAVB噴管。3BSM噴管的殼體在英國布里斯托爾工廠加工并安裝上環(huán)形軸承，然后被運至印第安納波利斯進行組裝，內容包括安裝致動器BSMF被設計挑戰(zhàn)羅爾斯?羅伊斯公司在設計這個升力系統(tǒng)時也遇到了不小的挑戰(zhàn)。以升力系統(tǒng)項目主任賈萊特?瓊斯為首的一個團隊專注于改進在最初試飛中，升力風扇級間導向葉片在特定模式下會出現(xiàn)振動，給飛機帶來了操作限制。最初抑制振動的解決方案在寒冷天F底消除限制。3BSM噴管的測試發(fā)現(xiàn)從軸承中泄漏的冷卻氣流會沖擊飛機結構，讓飛機的鋁合金結構件一直吹熱風絕不是個好主意。團隊在進行了臺架試驗后確定軸承無需氣流冷卻。于是他們重新設計軸承去掉了氣冷功能，于是也成功消除了熱空氣沖擊結構的風險。都是在布里斯托爾完成的。不過羅爾斯?羅伊斯公司的團隊在設計升力系統(tǒng)中遭遇的最大挑戰(zhàn)是齒輪箱。由于齒輪承受的負荷遠高于預計，所以他們必須用對齒輪進行有限元應力模擬分析，沒有使用業(yè)界標準的齒輪設計方法。必須對計算機模型進行大量驗證，才能獲得滿足短距