F101涡轮风扇发动机 (发动机)

F101是美国通用电气公司为战略轰炸机B-1研制的中等涵道比加力涡扇发动机。

1研制情况

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F101是美国通用电气公司为战略轰炸机B-1研制的中等涵道比加力涡扇发动机。它的研制过程可以追溯到60年代中期,当时该公司正按美国空军合同实施第二代先进涡轮发动机燃气发生器计划,编号为GE9。在1969年为争夺用于先进有人驾驶战略轰炸机的竞争中,GE9验证机获胜,从而导致在1970年6月美国空军与该公司签订一项4.06亿美元的全面研制合同,其中包括40台原型机,发动机正式编号为F101-GE-100。1971年10月核心机首次试验,1972年7月全台发动机开始运转。试飞前规定试验于1974年3月完成,同年12月没有经过空中试车台试验而直接装在B-1A原型机上试飞。1976年9月通过相当于通常的型号合格试验(MQT)的产品考核(PV)试验。1977年6月,上台不久的卡特政府认为,B-1A飞机的造价太高,而新研制的巡航导弹便宜而有效,并且B-52轰炸机还可用到80年代,所以决定停止B-1A计划。但F101-GE-100的试验计划仍一直继续到1981年,在后续工作发展计划的名义下,加速发动机的成熟,延长零部件的寿命,降低生产成本和后勤保障费用。最后,地面试验积累了40000h以上,飞行试验积累了7600h,发动机达到了可以投入使用的水平。总的研制费用为6.21亿美元。

为满足B-1A轰炸机既能在高空以M>2飞行、又能在低空跨音速突防、同时具有洲际航程的要求,对发动机来说,首先要求耗油率低并兼有大的加力比。为此,通用电气公司选择了中等涵道比、高增压比的加力涡扇循环。在研制中,利用该公司过去的J79、TF39发动机以及一系列研究和技术计划的成果,如1965年开始的先进涡轮发动机燃气发生器计划,采用Rene系列高温镍基合金、激光打孔、摩擦焊、先进的冷却技术和控制技术,F101是首次用红外线高温计作为其调节系统参数之一的发动机。高温计测取72片高压涡轮叶片的平均温度。当温度达到极限时,调速器将限制燃油流量和风扇转速。为便于维修,F101采用单元体结构并设有许多孔探仪检查口。

F101是研制中全面贯彻美国空军1969年制订的发动机结构完整性大纲的第一台发动机。该大纲的贯彻主要通过以下四条措施来保证。

(1)遵循严格的结构设计准则。在准则中,对发动机耐久性方面的要求有:发动机冷、热端部件寿命分别为13500h和4000h,或2700龊?00个低周疲劳循环。在预估寿命时要按上述两倍考虑。

(2)采用先进的结构设计和分析方法,如有限元素法、回转体、叶栅和系统动力学等电子计算机程序,合理设计各种零件。

(3)进行大量的结构强度和寿命试验。在研制中,共用40多台发动机作各种整机、部件和系统试验。F101是首次采用加速任务试验的发动机。

(4)采用先进的测试仪器和寿命监控系统,除采用加速度计、红外线高温计等测振、测温措施外,在B-1A轰炸机上加装中央综合试验分系统来监控发动机的关键参数。在使用中,可将记录的数据处理,计算出各零部件的剩余寿命,结合外场维护和孔探仪检查情况,实现视情维护原则。

1981年10月2日,美国里根政府决定重新生产100架B-1B战略轰炸机。于是,1982年美国空军给予通用电气公司一项1.822亿美元的全面研制合同,包括3台F101-GE-102原型机,用于性能和结构完整性试验。以后陆续签订了3项合同:1.25亿美元用于生产4台发动机和长周期项目的准备;2.859亿美元用于生产37台发动机;以及15.8亿美元用于生产428台发动机。

F101-GE-102型 与-100型基本相同,但耐久性有进一步提高,并根据B-1B的作战任务作了一些小的修改。通用电气公司为F101-GE-102制订了一项充分的试验计划。在3台原型机中:

1号原型机在1983年9月完成2组各由381个循环组成的加速任务试验,实际运转800h,相当于在B-1B上10年的使用寿命;2号原型机在1984年秋季完成加速任务试验,验证了10000h的冷端寿命和3000h的热端寿命;3号原型机供生产定型用,于1983年9月通过定型并正式交付给美国空军。

F101-GE-25 F101的不加力型,可能用于两种超音速的隐身飞机。

F101-GE-28 F101的又一种不加力型,可能用于美国空军一种高度保密的飞机。

2构造

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结构和系统   (F101-GE-100)

进 气 口 环形。20个进口导流叶片,前缘固定,起支板作用,后缘可调。热空气防冰。

风 扇 2级轴流式。实心钛合金工作叶片带冠,水平对开钛合金蜂窝结构机匣。压比2.0,转速7710r/min。

压 气 机 9级轴流式。零级和前5级静子叶片可调。前3级转子叶片为钛合金,后6级为A286钢。转子为惯性焊接盘鼓式,前3级盘为钛合金,后6级为DA718钢。转子和静子叶片均可单独更换。水平对开机匣,前段为钛合金,后段为IN718。压比12.5。

燃 烧 室 短环形。火焰筒由Hastelloy X合金经机加工制成。燃油经20个双锥喷嘴和小涡流杯在高能气流剪切作用下雾化,实现无烟燃烧。

高压涡轮 单级轴流式。高负荷气冷叶片,用冲击和气膜冷却。转子叶片材料为DSR80H,盘为DA718。机匣内衬扇形段,通冷却空气进行主动间隙控制。转子和静子叶片可单独更换。

低压涡轮 2级轴流式。叶尖带冠,非冷却。转子叶片均可单独更换,导向叶片分段更换。盘材料为DA718。

燃 烧 室 混合流型。盘旋式混合器使内、外涵气流有效混合并燃烧。筒体材料为IN625。

尾 喷 管 收扩式。由铰接的鱼鳞板组成主、副喷管,由作动筒、移动杯、凸轮和连杆组成液压机械式作动机构。

控制系统 机械液压式。带电子式调整器,可以对风扇转速、涡轮转子叶片温度和尾喷管面积进行控制。此外,还有中央综合测试系统,不断监控发动机性能。

燃油系统 维克斯公司的主燃油泵和喷管液压泵。森德斯特兰德公司的燃油增压泵。派克-汉尼兹公司的燃油活门组件和燃油喷嘴。伍德沃德公司的燃油控制器和传感器。

滑油系统 整体式滑油和液压油箱。

参考资料

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F101涡轮风扇发动机 图册
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  • 更新时间:2018-01-17
  • 创建者:汉斯胖
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