F100发动机简史
1前言
由20世纪70年代初期为空中优势战斗机F-l 5发展高性能的发动机起，到90年代为下一代先进战斗机ATF(用于21世纪)即F-22发展推重比为10一级的发动机，历时20余年。其间研制观点(指导思想)有两个大的转变，即从单纯追求性能转变为可靠性、可维修性与性能并重，再转为推行“同期工程”，(或“并行工程”、“一体化制造与发展”工程)。这两大转变，三种指导思想是吸取了发动机研制、外场使用等中积累的经验而总结出来的。以美国普惠公司为例，它从研制第一种推重比为8.0的F100-PW-100(-200)发动机起，到衍生改型的具有高可靠性的F100-PW-220，到发展新一代的、用于F-22的推重比为10.O的F119发动机，长达四分之一世纪多的整个发展过程充分说明了发动机研制观点转变的过程与背景，能代表世界航空发动机发展的趋势。
2早期的F100发动机
60年代末70年代初，美国普惠公司为准备用于下一个25年的空中优势战斗机F-1 5发展了新一代的高性能发动机，即F100发动机。为满足飞机要求，发动机推重比需达到8.0一级才行。为此，普惠公司将提高发动机性能即推重比作为重点予以保证，也即以提高发动机性能为F00研制的指导思想。在F100的研制、发展中，尽量控制发动机重量而不影响性能，最终达到了目的，使F100成为第一种投入使用的推重比为8.0一级的发动机。当F100的第1个、用于F-1 5的生产型F100-PW-100转入批生产并开始装备美国空军时，与当时其它发动机相比，性能有明显的改进，特别是其跨声／超声条件下的性能有显著的提高。事实上，时至今日，当今在役的战斗机发动机的推重比也仍同等或稍高于30年前F100的推重比。
用于F-1 5战斗机的F100-PW-100(装2台)发动机的起飞推力为106.13 kN，F-1 5于1974年11月开始装备美国空军，与-100型推力相等的-200型用于F-1 6战斗机(装1台)，F-16于1978年底开始装备美国空军。
F100的性能的确不错，但它的可靠性与耐久性却未能与性能的提高相匹配，F-1 5战斗机装备部队后，在使用中暴露出发动机有许多影响可靠性的严重问题。例如压气机失速，大量涡轮叶片超温、烧伤等，曾使大批F-15战斗机扒地不能起飞，成为困扰美国空军的最棘手问题之一，使美国空军不得不让(GE公司利用用于B-l轰炸机的F101发动机的核心机，发展一种适用于F-1 5，F-1 6的发动机，即F110，形成了由两家发动机公司同时为F-15和F-16提供不同型号发动机的局而，一直沿用至今。
F100-PW-100/200出现可靠性不高的原因是多方面的，例如在使用中，由于飞机的要求需来回快速拉、推油门杆，因而使发动机的温度与转速快速变化，造成发动机主要零件应力循环变化多，而当时的军用发动机定型试车仅包含极少循环的耐久试车。因为在70年代初期，标准的定型试车为150h试车，这种试车的目的是考核在最长的稳态时间内发动机在高温下的工作能力，而不是考核多次循环下的工作能力等，因而定型后发动机仍然出现大量故障。当然，主要原因还是由于研制中，单纯追求了高的性能，忽视了可靠性、可维修性和耐久性问题，发动机的设计没有在可靠性，可维修性、成本和可生产性等以及性能等诸方面取得平衡而造成的。
3 提高可靠性的F100-PW-220发动机
普惠公司从F100-PW-100的发展、使用过程中遇到的问题，吸取了一条很重要的经验，
那就是忽视可靠性、可维修性而单纯追求性能的发展先进发动机的道路是行不通的。为了使F100发动机能满足空军既有高的可靠性又有高性能的发动机需要，普惠公司着手对F100进行改进，以提高发动机的可靠性。
虽然由1975年到1980年，普惠公司与美国空军在改善F100的可靠性方面做了一些小的改进，但收效不显著。直到1981年，才开始利用先进技术对F1O0进行重大改进，以提高可靠性、耐久性与安全性。这些改进包括：重新设计的“加大寿命的核心机”(ILC)、单晶材料作的涡轮叶片、第一种用于战斗机发动机的全功能数字式电子调节器(FADEc)、齿轮泵作的燃油泵等。此改进型被命名为F100-PW-220，其推力维持100型的即起飞推力为106.13 kN，但重量加大约61KG，也即牺牲了推重比而获得高的可靠性。
为考核-220型的耐久性与可靠性，补充进行了三种试验，即4000个TAC循环的加速任务试验(AMT)、高Ma下的耐久性试验与高周疲劳试验。3.1 4 000个TAc循环的加速任务试验(AMT) 加速任务试验AMT试验是以前未曾进行过的，是按飞机的飞行任务剖面，归纳出发动机的任务剖面图，如图1所示。然后按油门杆位置变化情况进行加速模拟试验，即每1个试验循环模拟飞机作战时的油门变化，但时间却大大缩短。用这种试验．模拟发动机在外场使用时，温度与转速的变化以及由此产生的离心负荷与温 度负荷的变化，用以考核发动机低循环疲劳寿命以及在这种多变工况下发动机的可靠性。
作为战斗机特别是高性能战斗机的发动机， 就不能按飞机一次起降作为1个循环计。因为在飞机作战中，往往要反复将油门杆从最低位置推到最高位置，或反之。这样，在飞机一次起降中， 零件上应力的变化就不单纯是一种从零到最大再 到零的过程。为此，采用了TAc循环(TAc为总 的积累循环，也称战术空军循环，TAc=总的起飞循环数十l／4全程油门过渡次数，一般，l发动机飞行小时(EFH)=2TAc循环)来计算它们的低循环数。
目前，作为战斗机的发动机，需要完成一次4000个TAc循环试验。在F100-PW-220发展试验中，美国空军根据外场使用情况，要求进行一次4000TAc循环的AMT试验，每1个TAc循环的AMT约耗时15min，4000TAc循环AMT约耗时1000 h。若按每架飞机每年使用250 h即500TAC循环，则4 000TAC循环AMT，相当外场使用8年。实际上，F100-PW-220前后共进行了两次4000TAC循环AMT，第1次4000个TAC循环试验中，在90天时间内共试验了953 h，其中全程油门过渡84849次，加力燃烧室点火8254次，加速34551次，相当外场工作九年。试验后，核心机完好无损，于是又进行了第2次4000个TAC循环试验，两次共进行了8191个循环，1826 h，其中全程油门过渡172847次．加力燃烧室点火19308次，发动机加速76738次．相当外场使用18年。两次试验中，由核心机引起的换发率、空中停车率、推力损失率均为0，说明该型发动机达到了提高可靠性的目的。据称这是战斗机用发动机中，第1种通过2次4000个TAC循环试验的发动机。
通过这三种考核试验后表明-220型较-100型在可靠性，耐久性方面均得到大幅度提高，而且它在外场不需对发动机的调节系统进行调节(因为它的FADEC具有自调特性)，还取消了对移动油门杆的一些限制，能满足空军的需要，-220型于1985年底正式投产。由于-220型在使用中反映出有较好的可靠性，因此美国空军让普惠公司用-220型的改进措施换装在外场使用的100型上，这种改装的发动机命名为F100-PW-220E。
4、 一体化制造与发展、并行工程、同期工程
F100发动机由-100型改进到-220型，可靠性得到大大提高，这种用牺牲性能来提高可靠性的措施，得到空军的赞许。这就是航空发动机研制观点的第一改转变，即由单纯追求性能转变为可靠性、可维修性与性能并重，也即所研制的发动机是在可靠性，性能等诸方面得到平 衡的设计。
但是，在发展-220型时并不是十全十美，虽然它做到了在可靠性、维修性、耐久性及性能等方面进行平衡，成为一种进行平衡后的设计。但是由于采用一些先进技术，在正式转产时却遇到了麻烦，即在投产的第1年(1986年)中，在组织生产中出现了许多重大难题，结果花了很大力气去克服才使生产工作进行下去，不仅延误了投入使用的时间，而且也增加了额外费用。这是普惠公司在发展一220型中吸取的一个重要教训，即仅由设汁人员参与发展一种新型发动机，特别是在采用许多先进技术时是不够的根据-220的教训，引发了普惠公司在1987年对发动机的研制观点(指导思想)做了一个重大转变，建立了称之为“设计到加工”多功能小组的概念，使得在发动机设计过程中，就吸收 制造、材料、供应和质量等方面的工程人员参与。即在设计之初，就全盘考虑各方面问题，使得在此基础上通过验证的先进发动机，能很快转入牛产，投入使用中去。美国空军在普惠公司这一新思想的基础上，于1990年采用了更为广泛的多功能小组概念，它包括了整个发动机寿命循环中从方案论证到外场支援的各阶段参与工作的各种人员。
这种由几十个到百多个的多功能小组参与发动机发展全过程的系统上程称为一体化制造与发展(Intergratcd ProductDevelopment,IPD)工程，其最终目的是让用户能得到一种各方面得到平衡的产品。据普惠 公司称，目前该公司已将IPD概念应用到各种军、民用发动机的研制中。
无独有偶，与此同时其他的大公司也做了类似的指导思想转变过程，采用了类似IPD的概念，例如GE公司开展了并行工程(ConcurrentEnginccring.GE)罗.罗公司开展了同期工 程(Simultaneous Engineering,SE).三者名称不一 ，但内容基本是一致的。以并行工程为例，它是由美国国防先进研究计划局(DARPA)主持，GE公司航空发动机部研究发展中心(GE- CRD)进行研究的。他们认为并行工程是一种革命性的工程发展方法，它同时考虑研究、发展、设计、制造与使用的问题，以期在相对较短的时间内，了解在采用高、新技术，先进材料与工艺时对部、组件最终结果的影响，以便快速的获得最优设计，使从方案设计到形成可供使用的产品的周期缩短1/3到1／2，并相应减少研制费用与风险。当然，这项概念更新的研究
工作，也是耗资巨大的工程，仅在1988～1992年的初始阶段研究中即投资9300万美元。DARPA除在西弗吉利亚大学建立了一个并行工程研究中心(CERC)外，还由GE公司航空发动机部联合卡内基、梅隆大学，瑞塞勒斯工学院组成联台研究小组，分工合作进行研究，除上述单位外，还有近20个单位参与这项研究、开发工作。IPD或CE、SE不仅在发展先进的军用发动机机采用，在发展新型民用发动机中同样也采用，例如：三大发动机公司为波音公司的波音777双发型客机分别发展的PW4084(普惠)、GE90(GE)和遄达800(罗•罗)发动机中，均采用了IPD等工程。为使波音777在服役之初 即可获得FAA的180minETOPSs(双发客机延程飞行)批准(现行标准是为获得120minETOPS批准．所采片的发动机必须具备：积累的工作时间不少于25万小时，空中停车率低于0.04次/1000h;180minEPOPS的条件是：120minETOPS已有1年经验空中停车率低于0.02次／1 000 h)，三公司分别采用了IPD，CE和SE来提高发动机的可靠性，以达到空中停车率为O的目标，另外，罗•罗公司还将SE用于发展遄达800的称为第二代宽弦夹层结构的风
扇叶片与称为第5阶段的燃烧室的发展工作，普惠公司为PW4084研制的空心钛合金宽弦风扇叶片也采用IPI)而使研制工作在不到2.5年的时间完成，如按传统作法则需5 0年时间。当时参与研制该叶片的多功能小组有70余人。GE公司采用CE研制了一种空心的钛合金叶片，其研制周期比按常规程序研制要短60％。
5、F100-PW-229发动机
美国空军为了进一步提高F-1 5和F-16战斗机的性能，要求提高发动机性能，固而 提出了“改进发动机性能计划”IPE，为此，普惠公司对Fl00发动机做了重大改进，引用了在民用发动机PW-4000上采用的许多先进技术以及其他验证机验证的技术，衍生发展了F100-PW-229。-229型具有-100型的外廊尺寸，保持了-220型高的耐久性与可靠性的水平，但起飞推力却大幅度加大，达到129 kN，约比-220型的大22％，加速性能也有明显改善。表1列出了在各种状态下，两型发动机的性能比较，图3示出了-229与-100，-220加速性的比较。
-229型的设计中采用了：增大流量的风扇，第二代电子调节器，流量与性能均较高的压气机，为“用户朋友”(指维修)的外部管路设计等，其中所有改进的部件均在一些技术验证计划中得到验证。例如风扇是作为美国空军发动机型号衍生计划(EMDP)的一部分设计并试验的，已通过4000个TAC循环的耐久性试验，并在NASA的F-1 5上进行过飞行试验，加力燃烧室也属于这项计划的产物。燃烧室与涡轮叶片技术曾在“先进涡轮发动机燃气发生器”ATECG计划及“联合技术验证发动机”JTDE计划的一部分进行过试验。
在发展-229型时，普惠吸取了-220型的经验教训，在设计中就采用了“设计到制造”的小组，在设计发展之初就吸收了制造工程师参与，因而在1989年转产时没有遇到太多的问题，与普惠以前的任何发动机相比，它的转产过渡最为平滑。
在-229型投产后，F100的改进衍生工作1991年试验了IPE92，其推力达到142.5kN，6 F119-PW-100发动机6.1新一代发动机F119的发展途径增大推力而保持其可靠性水平)仍在进行，例如1992年试验了IPE94，其推力达到152.4 kN。
6、结论与几点看法
从F100发动机的发展过程，可以归纳出下述结论：
①、广泛采取经过验证的高、新技术并考虑各方面因素而达到的一种平衡没计，是发动机发展的趋势。
②、重视以往设计、使用和维修等方面的经验，不断总结、归纳并运用到新研制的发动机中以及对现有发动机进行改进，也是提高发动机性能与可靠性的重要措施。
③、航空发动机研制观点(即指导思想)在四分之一世纪多的时间中经历了三种观点、两大转变的过程，即由单纯追求性能转变为可靠性、维修性与性能并重，继而转变为推行一体化制造与发展工程(或并行、同期工程)。同时，还特别重视外场使用、维护的经验，并在设计中予以考虑。
④、应重视高、新技术在发动机中应用的开发研究工作，特别要重视高、新技术验证工作，以作为今后发展新机、改进老机的技术储备。
⑤、重视国外发展发动机中两次研制观点转变的经验教训，应全面、多方面考虑发动机的发展，不能走“重性(能)轻构”(结构，强度)或“有气无力”仅注视性能而忽视结构强度的发展道路。
⑥、目前国外三大航空发动机公可推行一体化制造与发展工程或并行、同期工程，在新的军、民用发动机发展中．已显示出其不可忽视的重要作用，不仅使新发动机具有较高的可靠性、维修性与性能，而且可大大缩短研制周期，大幅度降低全寿命期费用。因此，我们不应忽视这一新鲜事物，在经费有限的条件下，也应采取必要的措施，开展这方面的研究工作，以改变我们的研制方法，从根本上促进我国航空发动机的发展。
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