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“闪电”之心——谈谈F135发动机

发布时间:2016-01-12  原作者:Armsrtong   点击数:

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  F-35“闪电II”战斗机使用的F135发动机是有史以来战斗机上安装过的推力最大的喷气式发动机。其中,用于F-35B的型号还集成了罗尔斯•罗伊斯公司的升力系统,使该机能实现短距起飞垂直降落(STOVL)。那么这种发动机在设计上有什么独到之处呢?

F135发动机解剖图

F135发动机解剖图

F135推进系统

  F135的直径和空气流量都比F-22“猛禽”战斗机使用的F119发动机大。

  F135和F119都是轴流式发动机,也就是说气流沿直线穿过发动机核心,这两种发动机共享一个“高度通用核心”。

  从前往后看,这两种双转子发动机的压缩机系统大体相同,当然这种相同主要指F135和F119共享发动机架构,而不是使用了相同的零件。

  当然除这些相似性之外两种发动机存在一些重要区别。由于单发的F-35需要F135产生高达43000磅(19504千克/191.27kN)的“湿”推力(也就是全加力推力,注意本文中的推力都是指推力级别,而不是具体数据),而F119的全加力推力是35000磅(15876千克/155.7kN)。所以F135需要比F119更大的气流流量,为此加大了进气口直径(1168毫米)和风扇直径(1270毫米),发动机总体直径也更大了(1295毫米)。

  与F119相同,F135也采用三级风扇(在军用涡扇发动机上,风扇是指整个低压压缩机组件)。每级风扇都包括一个单片式整体叶片转子(IBR,或简称为“叶盘”,由实心钛合金盘体和钛叶片焊接而成)。

  第一级叶盘的中空叶片通过线性摩擦焊工艺焊接在盘提上,然后再加工成规定直径。第二级叶盘采用实心叶片,使用相同技术焊接而成。线性摩擦焊是利用两个工件以一定的频率和振幅往复运动而产生的热量进行焊接的方法,接合面受热熔化后在压力下使工件结为整体。

  经过加速的气流在第三级风扇后被一分为二,57%进入风扇涵道成为旁通气流,剩余43%进入核心继续压缩(Air International的数据,普惠官方的数据仅0.57),与燃油混合,燃烧成炽热燃气,再进入涡轮级,从而产生最大28000磅(12700千克/124.55kN)的干推力(非加力)。

  F135有一个六级高压压气机(HPC)单元,每级同样都采用了整体叶盘。前几级叶盘采用钛合金制造,由于气流经过每一级的压缩后都会变得更热,所以后面一级或多级叶盘改用镍基合金制造,以承受更高的温度。F-35做常规飞行时,被高压压缩机压缩进入燃烧室的气流压力是刚进入风扇时的28倍,在F-35B悬停飞行时,这个比值上升到了29倍。

  F135的单环形燃烧室具有可拆卸衬垫和一组燃油喷嘴,全部容纳在一个扩散机匣内。F135的燃烧室和F119十分相似,不过经过改进能承受更高温度,以适应F-35的高推力要求。总体而言,这两种发动机的核心机,也就是高压压气机+燃烧室+高压涡轮的尺寸基本相同,F135的最大干推力大于F119,所以运行温度也必然更高。

  F119和F135都采用了单级高压涡轮(HPT),不过F135的低压涡轮(LPT)是两级,而不是F119的一级。之所以这么改动,原因在于F-35B短距起飞垂直降落型。

  F-35B发动机低压涡轮所在的低压转子不仅被用于驱动风扇级,也被用于驱动一根传动轴,这样才能使座舱之后发动机之前的罗尔斯•罗伊斯升力风扇产生垂直升力。这个升力风扇是罗尔斯•罗伊斯升力系统的三大组件之一,正式这套升力系统使F-35B具有了悬停能力。

  那么,这和F135的两级低压涡轮有什么关系呢?这是因为从项目一开始,F135发动机就被要求实现“三型兼容”,也就是说F-35A所用的发动机要能与F-35B/C的保持尽可能多的通用度。当然,这三种发动机直接仍存在一些具体据别,所以获得了各自的编号:F-35A的是F135-PW-100,F-35C是F135-PW-400,F-35B是F135-PW-600。其中,F135-PW-600被设计来满足F-35B严苛的短距起飞垂直降落要求,所以需要一级额外的低压涡轮来驱动传动轴,于是为了保持通用性,F135-PW-100/-400保留这个第二级低压涡轮。

  当然,第二级低压涡轮也给F-35A/C带来了一些好处,这级涡轮提供了大量额外的推力余量,能应对F-35的潜在重量增长。由于F135-PW-100/-400无需为短距起飞垂直降落任务作出牺牲,所以可维护性也得到改善。

  F135热段冷却空气通道布局和冷却气流与F119不同,此外,涡轮叶片表面的隔热涂层材料也进行了改进,这层涂料能够保护镍基超级合金制成的涡轮叶片和定子叶片不会被燃烧室喷出的1649度炽热燃气融化。

  F135和F119上,用于冷却高低压压气机的空气都引自旁通气流和高压压缩机引气,在涡轮叶片和涡轮段壳体中布置有复杂的细小空气通道管网,这点与商用涡扇发动机类似。

F-35A使用的F135-PW-100
F-35A使用的F135-PW-100

安装在F-35B上的F135-PW-600发动机
安装在F-35B上的F135-PW-600发动机

STOVL模式下的F-35B
STOVL模式下的F-35B

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