1 Prólogo
A principios de la década de 1970, se desarrollaron motores de alto rendimiento para el caza de superioridad aérea F-15. En la década de 1990, se desarrollaron. Para el caza avanzado ATF de próxima generación (utilizado en el siglo XX), es decir, el motor F-100 22, se necesitaron más de 20 años para desarrollar un motor con una relación empuje-peso de 10. Durante este período, el punto de vista de la investigación (ideología rectora) ha experimentado dos cambios importantes, a saber, de la búsqueda pura del rendimiento al énfasis igual en la confiabilidad, la mantenibilidad y el rendimiento, y luego a la implementación de la "ingeniería sincrónica" (o "ingeniería concurrente"). , "fabricación integrada") y proyecto de Desarrollo). Estos dos cambios principales y las tres ideas rectoras principales se resumen absorbiendo la experiencia acumulada en el desarrollo de motores y su uso en el campo. Tomemos como ejemplo a Pratt & Whitney. Desde el desarrollo del primer motor F100-PW-100 (-200) con una relación empuje-peso de 8,0, hasta el derivado altamente confiable F100-PW-220, hasta el desarrollo de la nueva generación F-22 con un relación empuje-peso de 65438.
2 primeros motores F100
A finales de los años 1960 y principios de los años 1970, Pratt & Whitney de Estados Unidos desarrolló una nueva generación de motores de alto rendimiento, el motor F-F100, para Proporcionar superioridad aérea durante los próximos 25 años. Se prepara el caza F-1 5. Para cumplir con los requisitos del avión, la relación empuje-peso del motor debe alcanzar 8,0. Por lo tanto, Pratt & Whitney se centrará en mejorar el rendimiento del motor, es decir, la relación empuje-peso, que es la ideología rectora para el desarrollo del F00. Durante el desarrollo del F100, el peso del motor se controló tanto como fue posible sin afectar el rendimiento, y finalmente se logró el objetivo: convertir al F100 en el primer motor con una relación empuje-peso de 8,0. Cuando el F100 1 y la versión de producción del F-100 F-100-PW-100 se pusieron en producción en masa y se equiparon con la Fuerza Aérea de los EE. UU., el rendimiento mejoró significativamente en comparación con otros motores en ese momento, especialmente en condiciones transónicas/supersónicas. . De hecho, la relación empuje-peso de los motores de combate en servicio hoy en día sigue siendo la misma o ligeramente superior a la del F100 hace 30 años.
El F-100-PW-100 (con dos motores) utilizado por el avión de combate F-15 tiene un empuje de despegue de 106,13 kN, y el F-15 es 1974-1655. El -200, que tiene el mismo empuje que el -100, se utiliza en el caza F-16 (equipado con 1 El F-16 fue equipado con la Fuerza Aérea de EE. UU. a finales de 1978).
El rendimiento del F100 es realmente bueno, pero la confiabilidad y durabilidad no pueden seguir el ritmo de la mejora del rendimiento. Después de que el avión de combate F-15 fuera equipado con las tropas, durante su uso quedaron expuestos muchos problemas graves que afectaban a la fiabilidad del motor. Por ejemplo, parada del compresor, sobrecalentamiento de una gran cantidad de álabes de turbina, quemaduras, etc. , impidiendo el despegue de una gran cantidad de aviones de combate F-15, lo que se ha convertido en uno de los problemas más difíciles que afectan a la Fuerza Aérea de los EE. UU., lo que obligó a la Fuerza Aérea de los EE. UU. a permitir que (GE) use el motor central del F-101 para el bombardero B-1 y desarrollar los aviones de combate F-15 1 5, F. Es decir, F110, formando dos compañías de motores para ofrecer diferentes modelos.
Hay muchas razones para la baja confiabilidad del F100-. PW-100/200, por ejemplo, en uso, porque el avión necesita ser empujado y tirado hacia adelante y hacia atrás, la temperatura y la velocidad del vástago de la válvula de combustible cambian rápidamente, lo que provoca múltiples ciclos de tensión en los componentes principales del motor. En ese momento, las pruebas de tipos de motores militares solo incluían unos pocos ciclos de pruebas de resistencia porque a principios de la década de 1970, la prueba estándar era de 150 horas. El propósito de esta prueba es evaluar la capacidad de funcionamiento del motor a altas temperaturas durante el estado estable más prolongado. tiempo, en lugar de evaluar la capacidad de trabajo en múltiples ciclos. Por lo tanto, el motor todavía tiene muchas fallas después de la prueba. La razón principal es que está en desarrollo la pura búsqueda de un alto rendimiento ignora las cuestiones de confiabilidad, mantenibilidad y. durabilidad El diseño del motor no tiene en cuenta la fiabilidad, la mantenibilidad, el coste, la productividad y el rendimiento
3 motor F100-PW-220, utilizado para mejorar la fiabilidad.
Pratt. & Whitney aprendió una lección muy importante de los problemas encontrados durante el desarrollo y uso del F100-PW-100.
Es decir, ignorar la confiabilidad para que el motor F100 satisfaga las necesidades del Air. Fuerza con alta confiabilidad y alto rendimiento, Pratt & Whitney comenzó a mejorar el motor F100 para mejorar la confiabilidad del motor.
De 1975 a 1980, Pratt & Whitney y la Fuerza Aérea de EE. UU. realizaron algunas mejoras menores. mejorar la confiabilidad del F100, pero el efecto no fue significativo hasta 1981, antes de que se realizaran mejoras importantes en el F1O0 utilizando tecnología avanzada, mejorando la confiabilidad, la durabilidad y la seguridad.
Estas mejoras incluyen: un "Núcleo de Extensión de Vida" (ILC) rediseñado, palas de turbina hechas de materiales monocristalinos, el primer regulador electrónico digital completamente funcional (FADEc) para un motor de combate y una bomba de engranajes hecha de bomba de combustible. Esta mejora se denomina F100-PW-220. Su empuje es 100, es decir, el empuje de despegue es de 106,13 kN, pero el peso aumenta en unos 61 kg, es decir, se sacrifica la relación empuje-peso para obtener un alto. fiabilidad.
Para evaluar la durabilidad y confiabilidad del modelo -220, se realizaron tres pruebas adicionales: prueba de tarea acelerada (AMT) de 4000 ciclos TAC, prueba de durabilidad con Ma alto y prueba de fatiga de ciclo alto. 3.1.4000 Prueba de tarea acelerada por ciclo TAc (AMT) La prueba AMT nunca se ha realizado antes. Según el perfil de misión de vuelo de la aeronave, se resume el perfil de misión del motor, como se muestra en la Figura 1. Luego se realiza una prueba de simulación de aceleración basada en el cambio de posición de la palanca del acelerador, es decir, cada ciclo de prueba simula los cambios de aceleración del avión en combate, pero el tiempo se acorta considerablemente. Esta prueba se utiliza para simular cambios de temperatura y velocidad cuando el motor se utiliza en el campo, así como los cambios resultantes en la carga centrífuga y la carga de temperatura, para evaluar la vida de fatiga de ciclo bajo del motor y el rendimiento del motor. bajo condiciones de operación tan variables.
Como motor de un avión de combate, especialmente de un avión de combate de alto rendimiento, un despegue y un aterrizaje no pueden contarse como un ciclo. Porque en el combate aéreo, a menudo es necesario empujar repetidamente la palanca del acelerador desde la posición más baja a la más alta, y viceversa. De esta forma, durante el despegue y el aterrizaje de la aeronave, el cambio de tensión en las piezas no es un proceso sencillo de cero al máximo y luego a cero. Por lo tanto, el ciclo TAc (TAc es el ciclo de acumulación total, también llamado ciclo táctico de la fuerza aérea, TAc = docenas de tiempos de transición de aceleración máxima L/4 del ciclo total de despegue, generalmente usando L horas de vuelo del motor (EFH) = ciclo 2TAc ) para calcularlos bajo número de ciclos.
Actualmente, como motor para aviones de combate, necesita completar 4.000 pruebas de ciclo TAc. Durante el desarrollo y las pruebas del F100-PW-220, la Fuerza Aérea de EE. UU. realizó una prueba AMT de ciclo de 4000 TAc basada en los requisitos de uso en campo. AMT para 1 ciclo de TAc tarda aproximadamente 15 minutos y AMT para 4000 ciclos de TAc tarda 1000 horas. Si cada aeronave utiliza ciclos AC de 250 h, es decir, 500 ciclos TAC, entonces 4 000 ciclos TAC AMT equivalen a 8 años de uso en campo. De hecho, antes y después del F100-PW-220, se realizaron dos AMT de ciclo 4000TAC. Durante las 4.000 pruebas de 1 ciclo TAC, se probaron 90 h durante 953 días, incluidas 84.849 transiciones de aceleración máxima, 8.254 encendidos de poscombustión y 3455.654 aceleraciones. Después de la prueba, el motor central estaba intacto, por lo que la prueba del segundo ciclo TAC se realizó 4.000 veces, y la prueba del segundo ciclo TAC fue 8.191 veces, 1.826 h, de las cuales la transición completa del acelerador fue 172.847 veces. El encendido del postquemador se produjo 19.308 veces y el motor aceleró. En las dos pruebas, la tasa de reemplazo, la tasa de parada en ralentí y la tasa de pérdida de empuje causadas por el motor central fueron todas cero, lo que indica que el motor logró el propósito de mejorar la confiabilidad. Se dice que este es el primer motor entre los motores de aviones de combate que ha pasado dos veces las pruebas de ciclo 4000 TAC.
A través de estas tres pruebas, se demuestra que el -220 ha mejorado mucho la confiabilidad y durabilidad en comparación con el -100, y no necesita ajustar el sistema de ajuste del motor en el campo (porque su FADEC tiene características autoajustables ), y también elimina algunas restricciones al mover la palanca del acelerador para satisfacer las necesidades de la Fuerza Aérea. -220 se puso oficialmente en producción a finales de 1985. Debido a la buena confiabilidad del modelo -220 en uso, la Fuerza Aérea de EE. UU. pidió a Pratt & Whitney que utilizara las mejoras del modelo -220 para modificar el modelo 100 utilizado en el campo. Este motor mejorado se denomina F100-PW-220E.
4. Fabricación y desarrollo integrados, ingeniería concurrente e ingeniería concurrente.
El motor F100 se ha mejorado de -100 a -220 y su confiabilidad ha mejorado enormemente. Este sacrificio de rendimiento para mejorar la confiabilidad fue elogiado por la Fuerza Aérea. Este es el primer cambio en la perspectiva del desarrollo de motores aeronáuticos, es decir, de la pura búsqueda del rendimiento al énfasis igual en la confiabilidad, la mantenibilidad y el rendimiento, es decir, el motor desarrollado está diseñado para estar equilibrado en términos de confiabilidad y actuación.
Pero no fue perfecto al desarrollar el modelo -220. Aunque logró un equilibrio en confiabilidad, mantenibilidad, durabilidad y rendimiento, se convirtió en un diseño equilibrado.
Sin embargo, debido a la adopción de algunas tecnologías avanzadas, surgieron problemas en la transformación de la producción formal, es decir, en el primer año de producción (1986), surgieron muchos problemas importantes en la organización de la producción y, como resultado, se perdió una gran cantidad de dinero. se gastó antes de que se pudiera llevar a cabo el trabajo de producción. Intentar conquistarlo con todas tus fuerzas no sólo retrasa el tiempo de su puesta en uso, sino que también añade costos adicionales. Esta es una lección importante que Pratt & Whitney aprendió en el desarrollo del Modelo -220, es decir, no es suficiente que los diseñadores participen en el desarrollo de un nuevo tipo de motor, especialmente cuando se adoptan muchas tecnologías avanzadas. Basándose en las lecciones aprendidas del Modelo-220, Pratt & Whitney realizó cambios importantes en el concepto (filosofía rectora) del desarrollo de motores en 1987 y estableció el concepto de un grupo multifuncional "del diseño al procesamiento", de modo que el diseño del motor El proceso también es anterior al diseño. Se han considerado exhaustivamente todos los aspectos desde el principio, de modo que los motores avanzados que han sido verificados sobre esta base puedan transferirse rápidamente a la producción de revendedores y ponerse en uso. Basándose en el nuevo pensamiento de Pratt & Whitney, la Fuerza Aérea de EE. UU. adoptó un concepto de equipo multifuncional más amplio en 1990, que incluía todo tipo de personal involucrado en todo el ciclo de vida del motor, desde la demostración del programa hasta el apoyo en el campo.
Este proceso sistemático, en el que participan entre decenas y cientos de equipos multifuncionales en todo el proceso de desarrollo del motor, se denomina proyecto IntergraTCD Product Development (IPD). Su objetivo final es permitir a los usuarios obtener un motor. Equilibrio en todos los aspectos. Según Pratt & Whitney, la empresa ha aplicado los conceptos de IPD al desarrollo de diversos motores militares y civiles.
Casualmente, al mismo tiempo, otras grandes empresas también han realizado cambios similares en su ideología rectora y han adoptado conceptos similares a IPD. Por ejemplo, GE lanzó la ingeniería concurrente (GE) y Rolls-Royce lanzó la ingeniería concurrente (SE). Las tres empresas tienen nombres diferentes, pero su contenido es básicamente el mismo. Tomemos como ejemplo la ingeniería concurrente, que lleva a cabo la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) y el Centro de Investigación y Desarrollo de la División de Motores Aeroespaciales de General Electric (GE-CRD). Creen que la ingeniería concurrente es un método revolucionario de desarrollo de ingeniería que considera simultáneamente cuestiones de investigación, desarrollo, diseño, fabricación y uso para comprender el impacto final de piezas y componentes cuando se utilizan materiales y procesos avanzados y de alta tecnología en un corto período de tiempo. El impacto de los resultados permite obtener rápidamente el diseño óptimo, acortando el ciclo desde el diseño del proyecto hasta los productos utilizables de 1/3 a 1/. Por supuesto, esta investigación de actualización de conceptos también es un proyecto costoso: sólo entre 1988 y 1992 se invirtieron 93 millones de dólares en la investigación preliminar. DARPA estableció el Centro de Investigación de Ingeniería Concurrente (CERC) en la Universidad de West Virginia, y un equipo de investigación conjunto compuesto por el Departamento de Motores Aeroespaciales de GE, Carnegie, la Universidad Mellon y el Instituto de Tecnología Reselaus llevaron a cabo una investigación colaborativa. Además de las unidades mencionadas anteriormente, en este trabajo de investigación y desarrollo participaron cerca de 20 unidades. IPD o CE y SE no sólo se utilizan en el desarrollo de motores militares avanzados, sino también en el desarrollo de nuevos motores civiles. Por ejemplo, las tres principales compañías de motores desarrollaron PW4084 (Pratt & Whitney), GE90 (General Electric) y Trent 800 para el avión de pasajeros bimotor Boeing 777. En cuanto a motores, se han adoptado proyectos como IPD. Para que el Boeing 777 sea aprobado por la FAA para 180 minas en las primeras etapas de servicio (el estándar actual es obtener aprobación para 120 minutos ETOPS), el motor debe tener: el tiempo de funcionamiento acumulado no es inferior a 250.000 horas , y la tasa de paradas aéreas es inferior a 0,04 veces/1000 h. Las condiciones para 180 minEPOPS son las siguientes: 120 minETOPS tiene 1 año de experiencia y la tasa de paradas aéreas es inferior a 0,02 veces//1 000 h). han adoptado CE, SE y SE respectivamente para mejorar la confiabilidad del motor y lograr el objetivo de tasa de parada de aire cero. Además, Luo? Luo también utilizó SE para desarrollar el viento Trent 800, conocido como estructura sándwich de cuerda ancha de segunda generación.
El desarrollo de las aspas del ventilador y las cámaras de combustión se denomina quinta etapa. Las aspas del ventilador de cuerda ancha huecas de aleación de titanio desarrolladas por Pratt & Whitney para PW4084 también utilizan IPI), lo que hace que el desarrollo funcione en menos de un minuto. 2,5 años Se completará en un período de tiempo determinado. Si se realiza según los métodos tradicionales, tardará 50 años. En aquel momento, más de 70 grupos multifuncionales participaron en el desarrollo de la pala. GE utilizó CE para desarrollar una hoja hueca de aleación de titanio, cuyo ciclo de desarrollo se acortó en un 60 % en comparación con los procesos convencionales.
Motor 5.F100-PW-229
Para mejorar aún más el rendimiento de los aviones de combate F-15 y F-16, la Fuerza Aérea de EE. UU. propuso el programa "Mejora del rendimiento del motor". Plan"IPE. Con este fin, Pratt & Whitney realizó importantes mejoras en el motor Fl00, citando muchas tecnologías avanzadas utilizadas en el motor civil PW-4000 y tecnologías verificadas por otros aviones de demostración, y derivadas de él para desarrollar el F16. El tipo -229 tiene el tamaño de galería exterior del tipo -100, manteniendo el alto nivel de durabilidad y confiabilidad del tipo -220, pero el empuje de despegue aumenta considerablemente, alcanzando 129 kN, que es aproximadamente un 22% mayor que el tipo -220 y el rendimiento de aceleración también ha mejorado significativamente. La Tabla 1 enumera la comparación de rendimiento de los dos motores en diversas condiciones de trabajo. La Figura 3 muestra la comparación de aceleración de -229, -100 y -220.
En el diseño del modelo -229 se ha incorporado un ventilador de mayor caudal, un regulador electrónico de segunda generación, un compresor de alto caudal y altas prestaciones y una tubería externa para los "amigos del usuario" (mantenimiento). ) se utilizan el diseño de la carretera, todos los componentes mejorados se han verificado en parte del programa de verificación técnica. Por ejemplo, el ventilador fue diseñado y probado como parte del Programa Derivado de Modelos de Motor (EMDP) de la Fuerza Aérea de EE. UU. y pasó pruebas de durabilidad durante 4000 ciclos TAC y fue probado en el F-1 5 de la NASA. El postquemador también es producto de este proyecto. La tecnología de la cámara de combustión y las palas de la turbina se ha probado en el programa ATECG del generador de gas para motores de turbina avanzados y en el programa JTDE del motor de demostración de tecnología conjunta.
Al desarrollar el modelo -229, Pratt & Whitney aprendió de la experiencia y las lecciones del modelo -220, adoptó un equipo de "diseño a fabricación" en el diseño y absorbió la participación de ingenieros de fabricación. al comienzo del diseño y desarrollo, por lo que no encontramos muchos problemas cuando cambiamos de producción en 1989. Tuvo la transición a producción más suave que cualquier motor Pratt & Whitney anterior.
Después de la puesta en producción del modelo -229, el IPE92 fue probado en el trabajo de mejora y derivación del F 1991, y su empuje alcanzó los 142,5 nudos 6 Motor F119-PW-100 6.1 Desarrollo de la nueva generación. motor F 119 La carretera todavía es como IPE94 probado en 1992, el empuje alcanzó 65438+.
6. Conclusión y algunas opiniones.
Del proceso de desarrollo del motor F100, se pueden extraer las siguientes conclusiones:
(1) Uso extensivo de altas y nuevas tecnologías maduras, consideración integral de varios factores y logro El equilibrio es la clave para la tendencia de desarrollo del motor.
(2) Prestar atención a la experiencia pasada en diseño, uso y mantenimiento, y resumirla, resumirla y aplicarla constantemente a los motores recientemente desarrollados. La mejora de los motores existentes también es la clave para mejorar el rendimiento y la confiabilidad del motor. medidas.
(3) El concepto de desarrollo de motores aeronáuticos (es decir, la ideología rectora) ha experimentado tres visiones y dos cambios importantes en más de un cuarto de siglo, es decir, de la pura búsqueda del rendimiento a la confiabilidad, mantenibilidad y Preste la misma atención al rendimiento y luego implemente ingeniería integrada de fabricación y desarrollo (o ingeniería síncrona paralela). Al mismo tiempo, se presta especial atención a la experiencia de uso y mantenimiento en exteriores, que se tiene en cuenta en el diseño.
(4) Prestar atención al desarrollo y la investigación de la aplicación de altas y nuevas tecnologías en motores, especialmente a la verificación de altas y nuevas tecnologías, como reserva técnica para el futuro desarrollo de nuevos motores y mejora de motores viejos.
⑤. Preste atención a las experiencias y lecciones de los dos cambios en las perspectivas de desarrollo de motores extranjeros y considere el desarrollo de motores de manera integral y desde muchos aspectos, en lugar de optar por una estructura "pesada (energía) y liviana". " (estructura y resistencia) o "débil" Un camino de desarrollo que enfatiza el desempeño sobre la resistencia estructural.
⑥ En la actualidad, los tres principales motores aeronáuticos extranjeros pueden llevar a cabo ingeniería de fabricación y desarrollo integrada o ingeniería sincrónica paralela, lo que ha demostrado su importante papel en el desarrollo de nuevos motores militares y civiles. Los nuevos motores tienen mayor confiabilidad, mantenibilidad y rendimiento, y acortan en gran medida el ciclo de desarrollo y reducen en gran medida el costo del ciclo de vida completo. Por tanto, no debemos ignorar esta novedad. En condiciones de fondos limitados, se deben tomar las medidas necesarias para llevar a cabo trabajos de investigación en esta área, cambiando así nuestros métodos de investigación y promoviendo fundamentalmente el desarrollo de los motores aeroespaciales de mi país.