Пратт и Уитни F135 - Pratt & Whitney F135

F135
Sdd f135 018.jpg
Двигатель F135 на этапе разработки и демонстрации системы JSF (SDD)
Тип Турбовентиляторный
национальное происхождение Соединенные Штаты
Производитель Пратт и Уитни
Основные приложения Lockheed Martin F-35 Lightning II
Разработано из Пратт и Уитни F119

Pratt & Whitney F135 является дожиганием ТРДД разработан для Lockheed Martin F-35 Lightning II , страйк истребитель с одним двигателем. Имеется два варианта; вариант с обычным взлетом и посадкой ( CTOL ), используемый в F-35A и F-35C, и вариант с вертикальной посадкой с коротким взлетом ( STOVL ), используемый в F-35B, который включает передний подъемный вентилятор . Первые серийные двигатели были поставлены в 2009 году.

Разработанный на основе двигателя Pratt & Whitney F119, используемого на F-22 Raptor , F135 развивает тягу около 40 000 фунтов-силы (191 кН). F135 конкурировал с General Electric / Rolls-Royce F136, чтобы установить F-35.

Разработка

F135 был создан компанией Lockheed Corporation Skunk Works , с усилиями по разработке скрытого ударного истребителя STOVL для Корпуса морской пехоты США в рамках программы DARPA 1986 года . Сотрудник Lockheed Пол Бевилаква разработал и запатентовал концептуальный самолет и силовую установку, а затем обратился к Pratt & Whitney (P&W) для создания демонстрационного двигателя. Демонстратор наземных испытаний использовал вентилятор первой ступени от двигателя F119 в качестве подъемного вентилятора. Вентилятор двигателя и сердечник от F100-220 использовались в качестве сердечника демонстрационного двигателя, а большая турбина низкого давления от F100-229 использовалась для турбины низкого давления демонстрационного двигателя. Турбина большего размера использовалась для обеспечения дополнительной мощности, необходимой для работы подъемного вентилятора. Наконец, в демонстрационный двигатель «Ф100-229- Плюс » было добавлено отклоняющее сопло с регулируемой тягой . Этот двигатель подтвердил концепцию подъемного вентилятора и привел к разработке современного двигателя F135.

Команда F135 состоит из компаний Pratt & Whitney , Rolls-Royce и Hamilton Sundstrand . Pratt & Whitney является генеральным подрядчиком по главному двигателю и системной интеграции. Rolls-Royce отвечает за систему вертикального подъема самолета STOVL. Гамильтон Сандстранд отвечает за электронную систему управления двигателем, исполнительную систему, PMAG, коробку передач и системы мониторинга состояния. Woodward, Inc. несет ответственность за топливную систему.

Компания P&W разработала F135 на основе своего турбовентиляторного двигателя F119 , на котором установлен F-22 Raptor , под названием «F119-JSF». F135 объединяет ядро ​​F119 с новыми компонентами, оптимизированными для JSF. F135 собирается на заводе в Мидлтауне, штат Коннектикут . Некоторые части двигателя производятся в Лонгёле , Квебеке, Канаде и Польше.

Макет двигателя F135-PW-600 с подъемным вентилятором , опорными стойками и задним направляющим соплом, разработанный для варианта F-35B V / STOL , на Парижском авиасалоне, 2007 г.

Первая серийная силовая установка для эксплуатационного обслуживания была запланирована к поставке в 2007 году для обслуживания клиентов в США, Великобритании и других странах. Первые F-35 пошли в производство с двигателями F135, но команда GE / Rolls-Royce планировала разработать замену двигателя F136 в июле 2009 года. В 2010 году Пентагон планировал провести конкурс на участие в тендере на две силовые установки. Однако с 2006 года министерство обороны не запрашивало финансирование альтернативной программы двигателей F136, но Конгресс сохранил финансирование программы.

Силовая установка F135-PW-100 проходит испытания в AEDC

В 2009 году компания P&W разработала более прочную версию двигателя F135 для увеличения срока службы основных деталей. Ожидаемый срок службы деталей был сокращен, поскольку горячие части двигателя (в частности, камера сгорания и лопатки турбины высокого давления) были более горячими, чем ожидалось. Тестовый двигатель получил обозначение XTE68 / LF1 , и ожидается, что тестирование начнется в 2010 году. Этот редизайн вызвал «существенный рост стоимости».

P&W рассчитывает поставить F135 по цене ниже F119, хотя это более мощный двигатель. Однако в феврале 2013 года при плановой проверке была обнаружена треснувшая лопатка турбины. Трещина была вызвана работой турбины при высоких температурах в течение более длительного времени, чем обычно. В декабре 2013 года полый блиск вентилятора первой ступени вышел из строя на 77% от ожидаемого срока службы во время наземных испытаний. Он будет заменен твердой частью, увеличивающей вес на 6 фунтов (2,7 кг). В 2013 году бывший сотрудник P&W был пойман на попытке отправить «многочисленные ящики» конфиденциальной информации о F135 в Иран.

Несмотря на неприятности, в 2013 году был поставлен 100-й двигатель. В 2013 году был согласован ЛРИП-6 за 1,1 млрд долларов на 38 двигателей различных типов, что позволило снизить удельную стоимость.

Генерал-лейтенант ВВС Кристофер Богдан, исполнительный директор программы F-35, обвинил P&W в недостатке качества изготовления двигателей и медленных поставках. Его заместитель контр-адмирал Рэнди Мар сказал, что P&W прекратила свои усилия по сокращению затрат после того, как «они получили монополию». В 2013 году цена F135 выросла на 4,3 миллиарда долларов.

В мае 2014 года компания Pratt & Whitney обнаружила противоречивую документацию о происхождении титанового материала, используемого в некоторых из ее двигателей, включая F135. Компания оценила, что неопределенность не представляет риска для безопасности полета, но в результате приостановила поставки двигателей. Богдан поддержал действия P&W и сказал, что проблема теперь связана с поставщиком A&P Alloys. В июне 2014 года Агентство по управлению оборонными контрактами США написало, что «продолжающееся неэффективное управление поставщиками компании Pratt & Whitney является основным фактором увеличения количества уведомлений о потенциальных проблемах». A&P Alloys заявила, что они поддерживают свой продукт, даже несмотря на то, что им не предоставили доступ к деталям для проведения собственных испытаний. Трейси Майнер, поверенный из бостонской компании Demeo LLP, представляющий компанию A&P Alloys, заявила: «Совершенно несправедливо разрушать бизнес A&P, не разрешая A&P доступ к рассматриваемым материалам».

В июле 2014 г. при подготовке к взлету произошел неконтролируемый отказ ротора вентилятора. Детали прошли через топливный бак и вызвали пожар, в результате чего самолет F-35 был заземлен. Во время маневрирования с высокой перегрузкой за три недели до полета изгиб двигателя вызвал чрезмерное трение уплотнения между лопастным двигателем и статором вентилятора, что привело к надвигающемуся отказу. Из-за трения температура превысила 1000 ° C (1900 ° F), что значительно превышает предел материала в 540 ° C (1000 ° F). По словам руководителя программы Кристофера Богдана, в лопастях вентилятора третьей ступени появились микротрещины, в результате чего лопасти отделились от диска. Отказавшие лопасти пробили топливный элемент, и смешивание горячего воздуха с топливом для реактивных двигателей вызвало пожар. В качестве краткосрочного решения каждый самолет летает по определенному профилю полета, чтобы уплотнение ротора могло износиться в сопряженной канавке в статоре, чтобы предотвратить чрезмерное трение.

Pratt & Whitney удалось достичь своих производственных целей на 2015 год, но «повторяющиеся проблемы с качеством производства» лопаток турбин и электронных систем управления потребовали снятия двигателей с парка.

Дизайн

Сопло с вектором тяги варианта F135-PW-600 STOVL
Схема F-35B и малолитражных самолетов с механизированной подъемной силой

Созданный на базе двигателя F119, F135 представляет собой турбовентиляторный двигатель с дожиганием смешанного потока с новым вентилятором и турбиной низкого давления.

Существует 2 варианта F135: двигатель -100 и двигатель -600. В других источниках упоминается двигатель -400, аналогичный -100, главное отличие заключается в использовании материалов, устойчивых к солевой коррозии. -600 описан ниже с объяснением изменений конфигурации двигателя, которые происходят при зависании. Двигатель и Rolls-Royce LiftSystem составляют интегрированную силовую установку подъемного вентилятора (ILFPS).

Подъемная сила для версии STOVL в режиме висения достигается за счет двухступенчатого подъемного вентилятора (около 46%) перед двигателем, выпускного сопла с векторным выхлопом (около 46%) и сопла в каждом крыле, использующего воздух от вентилятора. байпасный канал (около 8%). Эти относительные вклады в общую подъемную силу основаны на значениях тяги 18 680 фунтов, 18 680 фунтов и 3290 фунтов соответственно. Другой источник дает значения тяги 20 000 фунтов, 18 000 фунтов и 3900 фунтов соответственно.

В этой конфигурации большая часть байпасного потока направляется к соплам крыльев, известным как стойки валков. Некоторые из них используются для охлаждения заднего выхлопного сопла, известного как 3-подшипниковое поворотное сопло (3BSD). В то же время в верхней части самолета открывается дополнительный воздухозаборник, чтобы подавать дополнительный воздух в двигатель с минимальными искажениями во время зависания.

Турбина низкого давления приводит в движение подъемный вентилятор через удлинитель вала в передней части ротора низкого давления и муфту. Двигатель работает как турбовентиляторный двигатель с отдельным потоком и большей степенью двухконтурности. Мощность для привода вентилятора (около 30 000 л.с.) получается от турбины низкого давления за счет увеличения площади горячего сопла.

Более высокая степень двухконтурности увеличивает тягу при той же мощности двигателя, что является основным следствием передачи мощности от реактивного двигателя малого диаметра к реактивному двигателю большего диаметра. Когда F135 находится в режиме висения, используя значительно увеличенную степень двухконтурности от лифтового вентилятора, увеличение тяги составляет 50% без увеличения расхода топлива. Увеличение тяги составляет 52% в обычном полете с использованием форсажной камеры, но с большим увеличением расхода топлива.

Передача приблизительно 1 / 3 мощности , доступной для горячей тяги сопла до подъема вентилятора уменьшает температуру и скорость подъема задней реактивной падающих на землю. F-35 может достичь ограниченного 100% -ного крейсерского режима без форсажных двигателей на скорости 1,2 Маха на протяжении 150 миль.

Как и у F119, у F135 есть скрытый усилитель, в котором традиционные распылители и стабилизаторы пламени заменены толстыми изогнутыми лопатками, покрытыми керамическими радиопоглощающими материалами (RAM). Форсунки форсажной камеры интегрированы в эти лопатки, которые блокируют прямой видимости турбин, способствуя малозаметности в кормовой части. Осесимметричное сопло состоит из пятнадцати частично перекрывающихся створок, образующих пилообразный рисунок на задней кромке. Это создает вихри и уменьшает инфракрасную сигнатуру выхлопного шлейфа. Сообщается, что эффективность сопоставима с клиновыми форсунками F119, но при этом они значительно более рентабельны и требуют меньшего обслуживания.

В двигателе используются датчики с термоэлектрическим питанием для контроля состояния подшипников турбины .

Повышение надежности двигателя и простота обслуживания - основная цель F135. В двигателе меньше деталей, чем в аналогичных двигателях, что повышает надежность. Все заменяемые на линии компоненты (LRC) можно снять и заменить с помощью набора из шести обычных ручных инструментов. Система управления работоспособностью F135 предназначена для предоставления данных в реальном времени обслуживающему персоналу на местах. Это позволяет им устранять проблемы и готовить запасные части до того, как самолет вернется на базу. По словам Pratt & Whitney, эти данные могут помочь значительно сократить время поиска и устранения неисправностей и время замены, до 94% по сравнению с устаревшими двигателями.

Планируемые улучшения

Хотя ни одна служба не выдвигала требования к модернизированному двигателю, Пратт и Уитни сотрудничают с ВМС США по двухблочному плану улучшения двигателя F135. Цели Блока 1 - увеличение тяги на 7–10% и снижение расхода топлива на 5–7%. В планах улучшение технологии охлаждения лопаток турбин; это увеличит срок службы двигателя и существенно снизит затраты на техническое обслуживание. Цель Block 2 - работать с программой Adaptive Engine Transition Program ВВС США с целью внедрения технологии для двигателя с тягой 45000 фунтов, который будет использоваться в истребителе шестого поколения.

Варианты роста

GO1

В конце мая 2017 года Пратт и Уитни объявили, что F135 Growth Option 1 завершил испытания и готов к производству. Обновление требует замены силового модуля на старых двигателях и может быть легко вставлено в будущие серийные двигатели с минимальным увеличением удельной стоимости и без влияния на график поставки. Вариант роста 1 предлагает улучшение тяги на 6-10% в диапазоне полета F-35, а также снижение расхода топлива на 5-6%.

GO2

В июне 2018 года United Technologies , материнская компания P&W, анонсировала Growth Option 2.0, чтобы помочь увеличить мощность системы управления мощностью и температурой (PTMS), предоставляя операторам возможности, например, если они хотят перейти на более тяжелое вооружение.

Варианты

  • F135-PW-100  : используется в варианте F-35A с обычным взлетом и посадкой (CTOL).
  • F135-PW-400  : используется в военно-морском варианте F-35C, построенном из материалов, устойчивых к солевой коррозии.
  • F135-PW-600  : используется в варианте с коротким взлетом и вертикальной посадкой F-35B.

Приложения

Технические характеристики (F135)

F135-PW-100

Данные с базы ВВС США Тинкер F135engine.com , Американское общество инженеров-механиков

Общие характеристики

  • Тип: Двухконтактный, осевой, турбовентиляторный с форсированным двигателем
  • Длина: 220 дюймов (559 см)
  • Диаметр: 46 дюймов (117 см) макс., 43 дюйма (109 см) на входе вентилятора
  • Сухой вес: 3750 фунтов (1701 кг)

Компоненты

Представление

  • Максимальная тяга :
    • Военная тяга 28000 фунтов силы (128 кН),
    • 43000 фунтов-силы (191 кН) с форсажной камерой
  • Общий коэффициент давления : 28: 1 общее соотношение давления
  • Температура на входе в турбину: 3600 ° F (1980 ° C; 2260 K)
  • Тяговооружённость : 7,47: 1 военной тяга, 11.47: 1 дополненной

F135-PW-600

Данные F135engine.com , Tinker AFB, Американское общество инженеров-механиков.

Общие характеристики

  • Тип: Двухконтактный, осевой, ТРДД с приводом от вала и выносным подъемным вентилятором
  • Длина: 937,3 см (369 дюймов)
  • Диаметр: 46 дюймов (116,8 см) максимум, 43 дюйма (109,2 см) на входе для вентилятора, 53 дюйма (134,6 см) на входе для подъемного вентилятора
  • Сухой вес:

Компоненты

Представление

  • Максимальная тяга :
    • 27000 фунтов силы (120 кН) военная тяга
    • 41000 фунтов силы (182 кН) с форсажной камерой
    • 40650 фунтов силы (181 кН) в зависании
  • Общий коэффициент давлений : общий коэффициент давлений 28: 1 (обычный), общий коэффициент давлений 29: 1 (механический подъем),
  • Температура на входе в турбину: 3600 ° F (1980 ° C; 2260 K)
  • Удельная мощность :

Смотрите также

Связанная разработка

Сопоставимые двигатели

Связанные списки

использованная литература

Библиография

внешние ссылки