F-35闪电II----一场空中战斗的革命

F-35 Lightning II An Air Warfare Revolution

F135的推进系统

普.惠公司F135和F119项目的业务开发总监艾德.奥唐纳(Ed O'Donnell)告诉《AIR International》杂志,F135和F119都是轴流式发动机(空气沿直线穿过发动机的机芯),它们共享一个“高度通用的机芯”。从前面到后面,这款双转子发动机“在压缩系统中基本上是通用的”,奥唐纳说,然而,共同之处主要体现在共享发动机架构的形式上,而不是共同的零配件号。F135的零件编号与F119相似部件的零件编号不同,因为美国武装部队希望能够为特定项目分配特定的零件号,以便于库存管理。

虽然它们有相似之处,但是在F135和F119之间有一些关键的区别。一个是F135需要能够为单发F-35产生高达43000磅(191.27千牛)的“湿”推力(有加力),而F119提供了35000磅(155.7千牛)的全加力推力。因此,与F119相比,F135具有更大的进气直径(43英寸/1090毫米)、更大的风扇直径(46英寸/1170毫米)和更大的发动机整体直径(51英寸/1295毫米),以获得更高的气流。普.惠公司称,F-35B短距起飞/垂直降落型的最大推力略低于F-35A常规起降型和F-35C舰载型,重开加力时的推力约为41000磅(182.4)千牛。F-35B的中间推力水平(即不开加力的净推力)约为27000磅(120.1千牛)。短距离起飞的最大推力为40740磅(181.2千牛),悬停和垂直着陆的最大向下推力为40650磅(180.8千牛)。

2006年6月29日,F135-PW-100正在加力或增强推力状态下进行生产试车。

F135发动机的基本构架

与F119一样,F135也拥有三级风扇(根据军用发动机的说法,风扇是整个低压压缩机总称)。每个风扇级包括一个整体式叶片(IBR:Integrally Bladed Rotor,或“整体叶盘”,简称“叶盘”),该转子由焊接了钛叶片的实心钛轮毂组成。第一级风扇和随后的两级都是实心钛叶片。在第三级风扇后,加速气流被分离,57%的气流通过风扇管道作为旁路空气,其余43%进入机芯进行压缩,与燃料混合,点火,然后作为热气排出,从而转动涡轮转子,在不开加力时产生高达28000磅(124.55千牛)的“干”推力。

F135机芯拥有一个六级高压压缩机(HPC:High-Pressure Compressor),同样,每一级都是一个整体叶盘。一些前方的初级高压压缩机是由钛制成的,但由于气流在经过每个压缩阶段时变得更热,因此一个或多个后方的高压压缩机是由镍基合金制成的,以承受燃烧的高温。在传统的F-35飞行中,从高压压缩机进入燃烧室的空气压力是进入风扇时的28倍,当F-35B悬停时则达到了29倍。

发动机的单环形燃烧室具有可拆卸的衬套和一系列燃料喷嘴,所有这些都位于一个扩散器壳体内。奥唐纳说,F135的燃烧室和F119是“高度相似”的,但功能得到了“一些改进,以适应大推力F135适当的温度要求”。总体而言,这两款发动机的核心----核心包括高压压缩风扇、燃烧室和高压涡轮(HPT:High-Pressure Turbine)----尺寸基本相同,由于F135必须在全推力下产生比F119更多的净推力,因此它的温度可能比F119更高。虽然F119和F135都采用单级高压涡轮,但F135拥有两级低压涡轮(LPT:Low-Pressure Turbine),而F119是单级低压涡轮。这是因为,在F-35B短距起飞/垂直降落型上,低压涡轮连接的低压转子不仅要驱动风扇,还必须驱动位于驾驶舱后面和发动机前面的罗尔斯.罗伊斯升力风扇。

F135-PW-600发动机的结构图。

升力风扇(罗尔斯.罗伊斯升力系统的三个主要部件之一,提供F-35B的悬停能力)在正常前飞时不工作,当然,在闪电II的F-35A常规起降型和F-35C舰载型中根本不存在。然而,从一开始,F-35发动机的规格就要求“三种亚型号兼容性”----为F-35A提供动力的发动机与为F-35B或F-35C提供动力的发动机是相同的。尽管如此,它们的设计是不同的:F-35A的动力装置是F135-PW-100;F-35C的发动机是F135-PW-400;F-35B是F135-PW-600。由于F-35B动力装置需要一个额外的低压涡轮级来提供转动驱动轴所需的动力(通过离合器和变速箱驱动升力风扇),为其它F-35亚型号提供动力的F135也有第二个低压涡轮。奥唐纳说:“这台发动机的设计是为了满足严格的短距起飞/垂直降落要求。”。对于为常规起降的F-35A和F-35C提供动力的发动机,额外的涡轮级提供了大量额外的动力裕度,潜在地允许了F-35重量的增长。由于发动机在许多常规起降任务中的负载并不重,因此其可维护性也得到了提高。

F135热区的冷却空气通道和气流的几何形状与F119不同。涡轮叶片热障涂层材料----用于防止来自燃烧室的镍合金涡轮叶片和风扇在超过3000°F(1649°C)的气流中熔化----也进行了更新。普惠公司可能已经能够将其为F135设计的冷却路径和涂层技术的进步应用到F119的生产中。在这两种发动机中,冷却空气来自旁路气流,并通过从高压压缩机级排出空气来冷却高压涡轮和低压涡轮,可能就是通过叶片内微小空气通道组成的复杂网络进入涡轮机壳体内,就像商用涡轮风扇一样。“即使是1500°C的空气,如果与较热的空气相比,也算是冷却空气,”奥唐纳说。“叶片的金属在我们操作的温度下熔化,很多技术都被应用在冷却和涂层上。”