Военные технологии

Авиационный двигатель Пратт-Уитни F100-PW

Авиационный двигатель Пратт-Уитни F100-PW

Неожиданное поражение американской авиации в войне во Вьетнаме, которое стало очевидным уже в конце 1960-х гг., более чем за пять лет до позорного вывода войск США и их пособников из этой страны, дало толчок к созданию нового поколения тактических истребителей, с которым командование их вооруженных сил связывало надежду на создание прочного превосходства над СССР в войне холодной, которая продолжалась. Для этого разрабатывались и новые двигатели.

Новые самолеты были действительно нового поколения и конструктивно отличались от предшествующих очень значительно, что увеличивало степень технического риска, а проектируемые для них турбореактивные двухконтурные двигатели с форсажной камерой в значительной мере опирались на предыдущие успешные разработки. Считалось, что это ускорит и удешевит их создание и повысит вероятность «успеха с первого раза»

Авиационный двигатель Пратт-Уитни F100-PW

Тактический истребитель Локхид-Мартин F-16E «Вайпер» ВВС Польши с двигателем Пратт-Уитни F100-PW-229 EEP идет на форсаже Фото: Bartosz Bera // Airliners.net

начало летных испытаний – 27.07.72 г.

F100-PW (JTF-22, ATEGG – Advanced Turbine Engine Gas Generator) проект, ТРДДФ для истребителей IV поколения. Запрос технических предложений (Request for Proposals – RFP) на разработку двигателя для истребителя IV поколения для ВМС США и ВВС США был издан в 1967 г. Он предполагал разработку унифицированных двигателей, но под разными обозначениями:

  • F401 для самолетов F-14 ВМС США;
  • F100 для самолетов F-15 для ВВС США.

Однако в дальнейшем программа создания F-14 подверглась сокращению, и он получил двигатели TF30, которые уже выпускались серийно для самолета ВВС F-111 (а также на опытном палубном перехватчике F-111B). А разработка двигателя для ВВС продолжилась.

Для ВМС разработка ТРДДФ F401-PW-400 была возобновлена в рамках программы создания модифицированного перехватчика F-14B.

Двигатели сохранили некоторую степень унификации, имея подобный газогенератор, но у F401-PW-400 увеличены размеры вентилятора и степень двухконтрурности.

Авиационный двигатель Пратт-Уитни F100-PW

Авиационный двигатель Пратт-Уитни YF100-PW-100, устанавливаемый на предсерийные тактические истребители McDonnell Douglas YF-15A Eagle Фото: архив С.Г. Мороза

YF100-PW-100 (JTF22A-25A) проект и опытная серия, ТРДДФ для тактического истребителя F-X.

Разработка задана фирме Pratt & Whitney Aircraft Co. в рамках конкурса проектов с фирмой General Electric вероятно в 1966 г.

В августе 1968 г. фирмы получили контракты на предварительное проектирование двигателей и приступили к работе.

В 1970 г. фирма «Пратт – Уитни» была объявлена победителем конкурса проектов и получила контракт на проведение комплекса НИОКР, включавшего углубленные исследования концепции двигателя, его рабочее проектирование, строительство опытных серий для различных этапов испытаний, их испытания и доводку.

Особенности конструкции двигателя:

  • двигатель представляет собой двухвальный ТРДДФ;
  • степень двухконтурности 0,7;
  • КНД 3-ступенчатый;
  • КВД 10-ступенчатый;
  • ТВД 2-ступенчатая;
  • ТНД 2-ступенчатая;
  • ОКС кольцевая;
  • ФКС прямоточная с кольцевыми стабилизаторами пламени;
  • сопло с сечением типа Лаваля регулируемое с широким диапазоном изменения проходного сечения и угла раствора на выходе;
  • система топливной автоматики электронная аналоговая;
  • используемые топлива – керосин JP-4 или JP-5 по стандарту MIL-T-5624;
  • используемые масла – любые по стандарту MIL-L-7808.

Летные испытания двигателя проходили в составе самолета McDonnell Douglas YF-15A Eagle (ко времени выкатки первого самолета было построено всего три комплектных двигателя, из них два летных, еще два запасных двигателя было сделано к первому полету YF-15A, основная программа выполнялась на 2-м опытном YF-15A «Игл» S/N 71-0281, облетанном 28 сентября 1972 г.).

Авиационный двигатель Пратт-Уитни F100-PW

Первый летный образец тактического истребителя МакДоннелл-Дуглас YF-15A-1-MC «Игл» S/N 72-0280, на котором начались полномасштабные испытания двигателей YF100-PW-100 Фото: http://www.thisdayinaviation.com/tag/yf-15a/

Всего на программу летных испытаний самолета YF-15 было заказано 58 двигателей опытной серии. В то же время число двигателей F401-PW-400, предварительно заказанных для самолетов F-14В, было сокращено в связи с уменьшением заказа на этот самолет со стороны ВМС США. Сокращение финансирования привело и к задержке в разработке двигателя F100-PW для ВВС, а также к росту стоимости единичного изделия c 1008113 долл. в 1968 г. до 1754407 долл. в 1973 г. (если бы рост стоимости носил только инфляционный характер, цена была бы 1217296 долл., прибавка стоимости одного двигателя из-за сокращения заказа составила 537111 долл.)

Плановые объемы выпуска и стоимость двигателей этого типа – см. табл.

Всего по утвержденным в 1972 г. планам требовалось поставить для самолетов F-15 1046 двигателей F100-PW-100, а их общая стоимость не должна превышать 1 млрд. 330 млн. 309 тыс. 970 долл. по курсу 1972 г., что в декабре 2018 г. составило бы 8.031.207.906 долл.

Испытания двигателя выявили большое количество КПН, на устранение которых потребовалось много времени. Разработчик объяснял это тем, что заказчик неправильно оценил количество циклов нагружения двигателя на 1 вылет, что определилось числом резких перемещений РУД, которые летчик делал в полете. Это произошло из-за того, что расчет велся по старой методике для боевых задач типа «перехват» и «удар по наземной цели» и не учитывал то, что в маневренном воздушном бою летчик пользуется РУД гораздо чаще и двигает его резче. Поскольку двигатель был спроектирован исходя из рассчитанного по такой методике и заданного заказчиком числа циклов нагружения на полет. Следствием этой ошибки были регулярно повторяющиеся случаи поломок важнейших частей двигателя, таких как лопатки 1-й ступени ТВД. Поскольку устранить полностью этот дефект не удалось, в руководство по эксплуатации (РЭ) двигателя были внесены дополнительные требования по контролю состояния этих частей и их замене при необходимости.

Наиболее серьезным дефектом двигателя, выявленным на испытаниях, был «застойный срыв потока» (“stagnation stalling”) на лопатках компрессора при маневрировании самолета на больших углах атаки – род помпажа, вызванный скосом потока в канале ВЗ. Он приводил к «запиранию» компрессора и резкому падению оборотов двигателя. При этом ОКС продолжала работать, лопатки рабочих колес и статора турбины перегревались, что вело как минимум к их повреждению, а в худшем случае – к пожару. При этом пилот самолета F-15 не имел надежной индикации возникновения такой аварийной ситуации и не чувствовал ее по поведению самолета сразу, т.к. в большинстве случаев немедленного падения скорости полета или появления разворачивающего момента по рысканию не наблюдалось. Устранить этот дефект доработкой двигателя не удалось и были введены ограничения по полетным режимам и установлены дополнительные средства предупреждения о возникновении такой аварийной ситуации.

Авиационный двигатель Пратт-Уитни F100-PW

Тактический истребитель F-16C маневрирует на форсаже на больших углах атаки в показательном полете. На этом самолете установлен усовершенствованный двигатель F100-PW-220, который такой режим допускает, пилоты же первых модификаций F-16 и F-15 сталкивались с опасным явлением «застойного срыва потока» на лопатках компрессораФото: архив С.Г. Мороза

Подобное явление «застойного срыва потока» в компрессоре вызывалось и «жестким запуском форсажа», когда местные скорости горения топливовоздушной смеси в ФКС увеличиваются до сверхзвуковых и в каком-то месте фронта происходит ее детонация. Это летчик чувствует по звуку и вздрагиванию самолета, и он должен немедленно движением РУД выключить форсаж. Если он это не сделал, несгоревшая смесь тормозится, скапливается в задней части ФКС (перед критическим сечением сопла) и резко воспламеняется там – это воспламенение также имеет взрывной характер. При этом часть взрывной волны достигает компрессора низкого давления, вызывая общее торможение тока воздуха через компрессор и срыв потока на его лопатках с теми же последствиями. Это явление возникало в полете на большой высоте с большими числами М.

Устранить полностью явление «застойного срыва потока» в обоих этих вариантах не удалось и была выработана единственная рекомендация: летчик должен выключить аварийный двигатель, дождаться когда температура перед турбиной вернется в установленные пределы и перезапустить двигатель. Испытания показали, что в таком случае в воздушном бою лучше сразу катапультироваться.

F100-PW-100 серийный, ТРДДФ для тактического истребителя MDD F-15A / TF-15A Eagle.

В ходе доводки конструкция двигателя подверглась значительным изменениям, которые привели к увеличению его длины примерно на 180 мм, а сухого веса – на 17 кг.

Несмотря на выявленные на испытаниях, но так и не устраненные до конца КПН, двигатель был запущен в серийное производство и принят на снабжение ВВС США и стран, получающих самолеты MDD F-15A / TF-15A (F-15B) Eagle. Серийные двигатели выпускались по спецификации СР2903В.

Поставки серийных двигателей были начаты в 1974 г. для самолетов MDD TF-15A (F-15B) Eagle.

Для повышения безопасности эксплуатации самолетов с двигателями этого типа и устранения их КПН были предприняты следующие меры:

  • ограничены значения максимальной тяги двигателя на взлете на полном форсаже на 159 кгс;
  • на боковых поверхностях ФКС установлены окна из кварцевого стекла и датчики фронта пламени ФКС, предупреждающие летчика о возникновении явления «жесткого запуска форсажа»;
  • доработана топливная автоматика двигателя.

Эта последняя мера снизила число случаев возникновения «застойного срыва потока» с 11…12 на 1000 ч налета в 1976 г. до 1,5 в 1981 г.

Авиационный двигатель Пратт-Уитни F100-PW

Серийный истребитель МакДоннелл-Дуглас F-15A «Игл» с двигателями F100-PW-100Фото: http://www.dodmedia.osd.mil/Assets/Still/2007/Air_Force/DF-SD-07-12188.JPEG

Попытки доводки двигателя продолжались до 1979 г., но все эти проблемы так и не были решены до конца. Далее борьба с этим КПН носила характер ужесточения контроля за эксплуатацией двигателя, который оставался одним их самых ненадежных в ВВС США.

Было принято решение о замене двигателей этого типа новыми, но быстро это сделать не удалось, и на протяжении эксплуатации самолетов F-15 с двигателями этого типа было несколько длительных периодов, когда после очередной аварии полеты не производились.

XF100-PW-100 с управляемым вектором и реверсом тяги, ТРДДФ для самолета NF-15B S/MTD Agile Eagle, ЛЛ для испытаний по программе Agile Eagle по улучшению маневренных и взлетно-посадочных свойств самолета (ставилась задача обеспечить работу самолета с участков ВПП размером 305х15 м при подавленных радионавигационных средствах авиабазы).

Основное отличие – новое 2-мерное («плоское») сопло, створки которого могут отклоняться от нейтрали вверх по командам летчика совместно с ПГО и ГО или переводится на режим обратной тяги – при условии, что опоры шасси обжаты, а двигатели на малом газу (для исключения возможности включения реверса в полете).

Установлен на ЛЛ NF-15B S/MTD для II этапа испытаний. 16 мая 1989 г. самолет совершил первый полет с новыми соплами с а/д завода фирмы MDD в Сент-Луисе. В дальнейшем его испытания переведены на а/д ИЦ ВВС США Эдвардс (Edwards AFB, Калифорния).

23 мая 1990 г. был произведен первый полет с использованием УВТ.

Испытания показали, что все поставленные цели не достигнуты в полном объеме.

Авиационный двигатель Пратт-Уитни F100-PW

Сверхманевренный тактический истребитель МакДоннелл-Дуглас NF-15B S/MTD «Эджайл Игл» с экспериментальными двигателями XF100-PW-100 c плоскими соплами с управлением вектором тяги Фото: NASA Glenn Research Center // https://fr.wikipedia.org/wiki/McDonnell_Douglas_F-15_STOL/MTD#/media/Fichier:F-15B_C-1984-6457.jpg

Доработки оказались слишком сложны, кроме того, решая свои задачи, они ухудшали другие летные данные самолета. Потому в серийное производство эту модификацию внедрять и не планировалось. Но результаты испытаний системы УВТ были использованы для создания ТРДДФ УВТ V поколения YF119-PW-100 и YF120-GE-100.

F100-PW-200 серийный, ТРДДФ для истребителей IV поколения General Dynamics F-16A/В Fighting Falcon. Модификация двигателя F100-PW-100 с незначительными отличиями в связи с другой компоновкой самолета. Двигатель страдал теми же дефектами, что и F100-PW-100, плюс проблемы, вызванные нерегулируемым воздухозаборником F-16.

Серийный выпуск начат в 1986 г.

Авиационный двигатель Пратт-Уитни F100-PW

Внедрение в серийное производство двигателя F100-PW-220 значительно расширило диапазон возможных маневров тактического истребителя Дженерал Дэйнемикс F-16C «Файтинг Фалкон» (на снимке – самолет ВВС Италии)Фото: архив С.Г. Мороза

F100-PW-220 серийный, унифицированный ТРДДФ для истребителей IV поколения McDonnell Douglas F-15С/D Eagle и General Dynamics F-16A/В Fighting Falcon. Модификация предпринята с целью:

  • повышения тяговых характеристик;
  • улучшение приемистости;
  • повышения надежности двигателя;
  • увеличения межремонтного ресурса.

Были введены следующие доработки:

  • сделан новый РНД, рассчитанный на несколько меньшие номинальные обороты и больший расход воздуха;
  • внедрены монокристаллические лопатки турбины;
  • установлена новая цифровая система управления DEEC (Digital Electronic Engine Control) с гидромеханическим резервным каналом;
  • для достижения ресурсных показателей был увеличен отбор воздуха на охлаждение турбины высокого давления, из-за чего не удалось достичь требуемого ее повышения, тяга даже незначительно снизилась – на 14 кгс на взлете на полном форсаже, на 145 кгс на промежуточном режиме (он теперь именовался «боевым»), в то же время продолжительная (крейсерская тяга по ее статическому значению) незначительно (на 5 кгс, что меньше допуска на эту величину) увеличилась при меньших оборотах РНД и РВД;
  • установлена новая многозональная форсажная камера.

Из-за доработок вес двигателя увеличился на 74 кг, а длина выросла на 257 мм.

В 1-й половине 1980-х гг. опытные двигатели этой модификации прошли летные испытания на переоборудованном для этого самолете YF-15A-4-МС (машина S/N 71-0287 этапа FSD Cat. I) с положительной оценкой.

В ноябре 1985 г. двигатели этой модификации были запущены в предсерийное производство.

Весной 1986 г. началось полномасштабное серийное производство и поставки двигателя для самолетов F-15 и F-16.

Серийные двигатели этого типа выпускались по спецификации СР11344А.

На начальном этапе эксплуатации была введена задержка 4 сек. перевода с режима «Боевой» (Mil – частичный форсаж) на «Максимальный форсажный» (Max AB) из-за опасения «застойного срыва потока» (“stagnation stalling”) в компрессоре, который вызывался в т.ч. и «жестким запуском форсажа» на первых модификациях двигателя. Когда на испытаниях убедились в отсутствии такой опасности, задержка была снята и была достигнута расчетная приемистость двигателя.

F100-PW-220E строевой модернизированный, унифицированный ТРДДФ для истребителей IV поколения McDonnell Douglas F-15С/D Eagle и General Dynamics F-16A/В Fighting Falcon. Такое обозначение присваивалось двигателям F100-PW-100 и -200, которые проходили модернизацию до стандарта -220 в ходе ремонтов в 1990-х гг.

Авиационный двигатель Пратт-Уитни F100-PW

В 1990-х гг. парк самолетов F-15 и F-16 стали переоснащать унифицированными двигателями F100-PW-220E, которые получались путем доработки существующих запасов ТРДДФ F100-PW-100 и -200. Такие двигатели поставлялись, например, в «эскадрильи Агрессор», которые постоянно совершали полеты с энергичным маневрированием. На снимке самолет McDonnell Douglas F-15C-34-MC Eagle из такой частиФото: архив С.Г. Мороза

F100-PW-220U опытный, бесфорсажный ТРДД для ДПЛА Northrop Grumman X-47B. Модификация двигателя F100-PW-220.

F100-PW-229 серийный, унифицированный ТРДДФ для истребителей поколения IV+ McDonnell Douglas F-15E Strike Eagle и General Dynamics F-16C/D Fighting Falcon. Степень повышения давления в компрессоре увеличена с 25,0 до 32,0. Статическая тяга на форсаже увеличена до 13230 кгс, без форсажа – 8075 кгс. В конструкции были использованы технологии, которые разрабатывались для ТРДДФ V поколения F118-PW (на этом двигателе они прошли опережающую отработку).

Из-за конструктивных изменений масса по сравнению с двигателями F100-PW-220 увеличилась на 230 кг, тем не менее, удельная масса с повышением тяги снизилась (хотя и не достигла уровня модификации F100-PW-100/-200).

Летные испытания начаты в 1989 г.

F100-PW-229 EEP (Engine Enhancement Package) серийный, унифицированный ТРДДФ для истребителей поколения IV+ McDonnell Douglas F-15E/I/S/K Strike Eagle, F-15SE Silent Eagle, а также General Dynamics F-16C/D Fighting Falcon и F-16E Viper. Дальнейшая модификация двигателя с конструктивно-технологическими улучшениями:

  • улучшена аэродинамика компрессора;
  • заменен материал для изготовления турбины;
  • улучшено управление системой охлаждения;
  • установлена цифровая система управления с полной ответственностью FADEC (Full-Authority Digital Engine Control).

Двигатель прошел испытания в с середине 2000-х гг.

Поставки серийных двигателей начаты в 2009 г.

Авиационный двигатель Пратт-Уитни F100-PW

Опытный самолет F-15SE Silent Eagle с контейнерной подвеской ракет AIM-120C и двигателями F100-PW-229 EEP Фото: http://nhungdoicanh.blogspot.com/2008/12/chin-u-c-m.html?m=1

Программа разработки двигателя F100-PW с самого начала шла с отклонениями от контрольных сроков, а также плановых технических показателей двигателей, которые в полной мере так и не были достигнуты. Развитие двигателя в направлениях улучшения его надежности и тяговых показателей достигалось ценой ухудшения его удельного веса, расхода топлива и повышения стоимости. В то же время унификация силовых установок основных тактических истребителей ВВС США, НАТО и других сателлитов США McDonnell Douglas F-15 Eagle / Strike Eagle и General Dynamics F-16 Fighting Falcon / Viper значительно облегчила их широкую строевую эксплуатацию и поддержание парка этих самолетов в весьма высокой степени их боевой готовности. Двигатели этого семейства показали способность интенсивной работы в самых различных климатических зонах от Арктики до экватора – как в сухих тропиках, так и во влажном морском климате в т.ч. в боевых действиях. На 2020 г. семейство ТРДДФ F100-PW остается одним из самых многочисленных по числу выпущенных двигателей этого типа и числу находящихся в эксплуатации. И несмотря на расширение поставок новых самолетов Lockheed Martin F-35, Eurofighter Typhoon II, SAABBAE Grippen и Dassault Rafale вряд ли стоит ожидать резкого сокращения парка F-15 и F-16 в ближайшие 5-10 лет, следовательно и двигатели F100-PW останутся востребованными.

Подробные тактико-технические данные двигателей этого семейства смотрите в таблице F100-PW Data

Первоначальные планы производства и стоимость двигателей F100-PW-100 на 1972 г. смотрите в таблице F100-PW Plan

Сведения об установке двигателей этого семейства на различных типах ЛА смотрите в таблице F100-PW Service

Смысл использованных в статье и таблицах определений, понятий и сокращений можно узнать, открыв наш краткий словарь по авиации и ракетной технике

Список использованных источников:

  1. Авиастроение. Т.1. М., ВИНИТИ, -1974 г.
  2. Авиастроение. Т. 2. Современные самолеты США и стран Западной Европы. Струков Ю.П. Сост. Часть II. М., ВИНИТИ, — 1976 г.
  3. Aloni S. Israel’s Storm // Air International No. 6, — 2014
  4. Baugher Joe. McDonnell Douglas F-15 Eagle. // Air International, Airscene, — 2000
  5. Characteristics Summary of Trainer TF-15A. Jan. 1976 (AFG-1, Addn 105) (179 of 206). Washington, USA, Ministry of Air Force, — 1976
  6. Godfrey, David V. H. The Day of the Eagle // Air Enthusiast International, March, — 1974
  7. Isby D. Silent Eagle // Air International No. 12, — 2014
  8. Preliminary Flight Manual USAF Series F/TF-15A Aircraft. Block 7 and up. McDonnell Aircraft F33657-70-C-0300. T.O. 1F-15A-1, Washington, DC, USA, Secretary of Air Force, — 9 May 1975
  9. Standard Aircraft Characteristics F-15С Eagle. McDonnell Douglas. Two F100-PW-220 Pratt & Whitney. By Authority of the Secretary of the Air Force. Feb 92. (AFG 2, Vol-1, Addn 61) (69 of 228)
  10. Standard Aircraft CharacteristicsTF-15A Eagle. Two F100-PW-100 Pratt & Whitney. By Authority of the Secretary of the Air Force. Nov. 74 (AFG 2, Vol-1, Addn 56) (107 of 212)
  11. The Development of the F100-PW-220 and F110-GE-100 Engines: A Case Study of Risk Assessment and Risk Management
  12. http://www.allstar.fiu.edu/aero/P&WEngines02.html
  13. http://www.nationalmuseum.af.mil/factsheets/factsheet.asp?id=15985
  14. http://www.paralay.com
По материалам

naukatehnika.com

Смотреть полностью

Похожее

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Back to top button
Close
Close

Adblock Detected

Please consider supporting us by disabling your ad blocker