Турбореактивный двигатель F135: разработка и применение.

Введение

Последожигательный турбовентиляторный авиационный двигатель

Двигатель Pratt & Whitney F135 – последожигательный турбовентилятор, разработанный для истребителя-штурмовика Lockheed Martin F-35 Lightning II. Он имеет два варианта: вариант с обычным взлетом и посадкой (CTOL), используемый в F-35A и F-35C, и вариант с коротким взлетом и вертикальной посадкой (STOVL), используемый в F-35B, включающий 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 100 тонн и с включенным форсажем. Компания разработала концепт самолета и двигательной установки, а затем обратилась к Pratt & Whitney (P&W) для создания демонстрационного образца. В демонстрационном наземном испытании использовался вентилятор первой ступени от двигателя F119 для подъемного вентилятора. Вентилятор и основная часть двигателя от F100-220 использовались в качестве ядра демонстрационного двигателя, а большая турбина низкого давления от F100-229 – в качестве турбины низкого давления демонстрационного двигателя. Большая турбина обеспечивала дополнительную мощность, необходимую для работы подъемного вентилятора. Наконец, для завершения демонстрационного двигателя "F100-229 Plus" был добавлен поворотный сопло с изменяемым вектором тяги. Этот двигатель подтвердил концепцию подъемного вентилятора и привел к разработке современного двигателя F135. Команда F135 состоит из Pratt & Whitney, Rolls Royce и Hamilton Sundstrand. Pratt & Whitney является основным подрядчиком по производству основных двигателей и интеграции систем. Rolls Royce отвечает за систему вертикального взлета и посадки для самолетов STOVL. Hamilton Sundstrand отвечает за электронную систему управления двигателем, систему привода, PMAG, редуктор и системы мониторинга состояния. Woodward, Inc. отвечает за топливную систему. P&W разработала F135 на базе своего турбовентиляторного двигателя F119, который устанавливается на F-22 Raptor, под обозначением "F119 JSF". F135 объединяет ядро F119 с новыми компонентами, оптимизированными для JSF. Сборка F135 осуществляется на заводе в Миддлтауне, штат Коннектикут. Некоторые детали двигателя производятся в Лонгёе (Квебек, Канада) и в Польше. Первая серийная двигательная установка для эксплуатации планировалась к поставке в 2007 году для обеспечения нужд США, Великобритании и других международных заказчиков. Первоначальные F-35 поступили в производство с двигателями F135, однако команда GE/Rolls Royce планировала разработать замену – двигатель F136 в июле 2009 года. В 2010 году Пентагон планировал проведение конкурсных торгов на поставку двух двигательных систем. Однако с 2006 года Министерство обороны не запрашивало финансирование альтернативной программы двигателей F136, хотя Конгресс продолжал финансировать программу. В 2009 году P&W разработала более долговечную версию двигателя F135 для увеличения ресурса ключевых деталей. Ресурс деталей был снижен из-за того, что горячие части двигателя (в частности, лопатки компрессора и турбины высокого давления) работали при более высокой температуре, чем ожидалось. Испытательный двигатель получил обозначение XTE68/LF1, и начало испытаний планировалось на 2010 год. Эта модернизация привела к "значительному увеличению стоимости". P&W рассчитывала, что стоимость F135 будет ниже, чем у F119, несмотря на большую мощность. Однако в феврале 2013 года при плановой проверке была обнаружена трещина в лопатке турбины. Трещина была вызвана работой при высоких температурах турбины в течение более длительного времени, чем обычно. В декабре 2013 года полый вентилятор первой ступени вышел из строя во время наземных испытаний, пройдя 77% от расчетного ресурса. Его заменили на цельную деталь, что привело к увеличению веса. В 2013 году бывший сотрудник P&W был задержан при попытке отправить в Иран "многочисленные коробки" с конфиденциальной информацией о F135. Несмотря на проблемы, в 2013 году был поставлен 100-й двигатель. В 2013 году был согласован LRIP 6 на сумму 1,1 миллиарда долларов США на поставку 38 двигателей различных типов, что способствовало снижению удельной стоимости. Генерал-лейтенант ВВС Кристофер Богдан, исполнительный директор программы F-35, раскритиковал P&W за низкое качество производства двигателей и медленные поставки. Его заместитель директора, контр-адмирал Рэнди Махр, заявил, что P&W прекратила усилия по сокращению затрат после того, как "получила монополию". В 2013 году цена F135 увеличилась на 4,3 миллиарда долларов США. В мае 2014 года Pratt & Whitney обнаружила противоречивую документацию о происхождении титанового материала, используемого в некоторых своих двигателях, включая F135. Компания оценила, что неопределенность не представляет угрозы безопасности полетов, но приостановила поставки двигателей в результате этого. Богдан поддержал действия P&W и заявил, что проблема теперь связана с компанией A&P Alloys, поставщиком материала. Агентство США по управлению оборонными контрактами в июне 2014 года заявило, что "ненадлежащее управление поставщиками со стороны Pratt & Whitney является основной причиной увеличения количества потенциальных уведомлений о проблемах". A&P Alloys заявила, что подтверждает качество своей продукции, даже несмотря на то, что ей не был предоставлен доступ к деталям для проведения собственных испытаний. Трейси Майнер, адвокат компании Demeo LLP из Бостона, представляющей интересы A&P Alloys, заявила: "совершенно несправедливо уничтожать бизнес A&P, не предоставляя ей доступа к рассматриваемым материалам".

The Pratt & Whitney F135 is an afterburning turbofan developed for the Lockheed Martin F 35 Lightning II, a single engine strike fighter. It has two variants; a Conventional Take Off and Landing (CTOL) variant used in the F 35A and F 35C, and a two cycle Short Take Off Vertical Landing (STOVL) variant used in the F 35B that includes a forward lift fan. The first production engines were delivered in 2009. Developed from the Pratt & Whitney F119 engine used on the F 22 Raptor, the F135 produces around of thrust and with afterburner. a concept aircraft and propulsion system, and then turned to Pratt & Whitney (P&W) to build a demonstrator engine. The ground test demonstrator used the first stage fan from a F119 engine for the lift fan. The engine fan and core from the F100 220 were used for the core of the demonstrator engine, and the larger low pressure turbine from the F100 229 was used for the low pressure turbine of the demonstrator engine. The larger turbine was used to provide the additional power required to operate the lift fan. Finally, a variable thrust deflecting nozzle was added to complete the "F100 229 Plus" demonstrator engine. This engine proved the lift fan concept and led to the development of the current F135 engine. The F135 team is made up of Pratt & Whitney, Rolls Royce and Hamilton Sundstrand. Pratt & Whitney is the prime contractor for the main engine, and systems integration. Rolls Royce is responsible for the vertical lift system for the STOVL aircraft. Hamilton Sundstrand is responsible for the electronic engine control system, actuation system, PMAG, gearbox, and health monitoring systems. Woodward, Inc. is responsible for the fuel system. P&W developed the F135 from their F119 turbofan, which powers the F 22 Raptor, as the "F119 JSF". The F135 integrates the F119 core with new components optimized for the JSF. The F135 is assembled at a plant in Middletown, Connecticut. Some parts of the engine are made in Longueuil, Quebec, Canada, and in Poland. The first production propulsion system for operational service was scheduled for delivery in 2007 with the purpose of serving the U. S., UK, and other international customers. The initial F 35s went into production with the F135 engines, but the GE/Rolls Royce team planned to develop a replacement F136 engine in July 2009. In 2010, the Pentagon planned for the two propulsion systems to be competitively tendered. However, since 2006 the Defense Department has not requested funding for the alternate F136 engine program, but Congress has maintained program funding. As of 2009, P&W developed a more durable version of the F135 engine to increase the service life of key parts. The life expectancy of the parts was reduced because the hot sections of the engine (combustor and high pressure turbine blades specifically) ran hotter than expected. The test engine is designated XTE68/LF1, and testing is expected to begin in 2010. This redesign has caused "substantial cost growth". P&W expected to deliver the F135 below the cost of the F119, even though it was a more powerful engine. However, in February 2013 a cracked turbine blade was found during a scheduled inspection. The crack was caused by operating at high turbine temperatures for longer periods than usual. In December 2013 the hollow first stage fan blisk failed at 77% of its expected life during a ground test. It was to be replaced by a solid part adding in weight. In 2013, a former P&W employee was caught attempting to ship "numerous boxes" of sensitive information about the F135 to Iran. Despite the troubles, the 100th engine was delivered in 2013. LRIP 6 was agreed in 2013 for $1.1 billion for 38 engines of various types, which helped to decrease the unit cost. Air Force Lt. Gen. Christopher C. Bogdan, the executive officer of the F 35 program, has called out P&W for falling short on manufacturing quality of the engines and slow deliveries. His deputy director Rear Admiral Randy Mahr said that P&W stopped their cost cutting efforts after "they got the monopoly". In 2013 the price of the F135 increased by $4.3 billion. In May 2014, Pratt & Whitney discovered conflicting documentation about the origin of titanium material used in some of its engines, including the F135. The company assessed that the uncertainty did not pose a risk to safety of flight but suspended engine deliveries as a result. Bogdan supported P&W's actions and said the problem was now with A&P Alloys, the supplier. The US Defense Contract Management Agency wrote in June 2014 that Pratt & Whitney's "continued poor management of suppliers is a primary driver for the increased potential problem notifications." A&P Alloys stated that they stood behind their product even though they were not given access to the parts to do their own testing. Tracy Miner, an attorney with Boston based Demeo LLP representing A&P Alloys said, "it is blatantly unfair to destroy A&P’s business without allowing A&P access to the materials in question"

В июле 2014 года произошла неконтролируемая поломка ротора вентилятора во время подготовки самолета к взлету. Обломки прошли через топливный бак и вызвали пожар, что привело к приостановке эксплуатации парка F-35. Во время выполнения маневров с высокой перегрузкой за три недели до полета изгиб двигателя вызвал чрезмерное трение между лопатками вентилятора и направляющими аппаратами вентилятора, что привело к надвигающейся поломке. Трение вызвало температуру более 1000 °C, что значительно превышает предел прочности материала в 540 °C. По словам руководителя программы Кристофера Богдана, в лопатках вентилятора третьей ступени появились микротрещины, что привело к их отделению от диска. Отделившиеся лопатки пробили топливный бак, и смешение горячего воздуха с топливом вызвало пожар. В качестве временного решения каждый самолет эксплуатируется по определенному профилю полета, чтобы обеспечить выработку канавки в направляющих аппаратах вентилятора для предотвращения чрезмерного трения. Pratt & Whitney удалось выполнить производственные цели на 2015 год, но "повторяющиеся проблемы с качеством производства" в лопатках турбин и электронных системах управления потребовали снятия двигателей с эксплуатации.

Планируемые улучшения

Хотя ни одна служба не предъявила требования к модернизированному двигателю, Pratt and Whitney сотрудничает с ВМС США в рамках двухэтапного плана по улучшению двигателя F135. Цели первого этапа – увеличение тяги на 7–10% и снижение расхода топлива на 5–7%. Планы включают в себя усовершенствованную технологию охлаждения лопаток турбины, что повысит долговечность двигателя и значительно снизит затраты на техническое обслуживание. Цель второго этапа – сотрудничество с программой адаптивного перехода двигателя ВВС США с намерением внедрить технологии для двигателя мощностью 45 000 фунтов тяги, предназначенного для использования в истребителе шестого поколения.

ГО1

В конце мая 2017 года компания Pratt and Whitney объявила об окончании испытаний и готовности к производству F135 Growth Option 1. Модернизация предполагает замену силового модуля на существующих двигателях и может быть бесшовно интегрирована в будущие двигатели серийного производства с минимальным увеличением стоимости единицы и без влияния на сроки поставки. Опция роста 1 обеспечивает увеличение тяги на 6–10% во всем диапазоне полета F-35, а также снижение расхода топлива на 5–6%.

GO2

В июне 2018 года United Technologies, материнская компания P&W, объявила о программе развития "Вариант роста 2.0", направленной на увеличение мощности и пропускной способности системы управления энергоснабжением и теплоотводом (PTMS), предоставляя операторам возможности, например, для модернизации до более тяжелого вооружения.