普惠F135發(fā)動機故障概覽

■ 劉金龍 馮建文/中國航發(fā)研究院 歐陽志高/中國航發(fā)動研所

普惠公司的F135發(fā)動機是應F-35戰(zhàn)斗機的前身——聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機（JSF）項目需求啟動研制的。2003—2004年，普惠公司相繼開始了常規(guī)起降型以及短距起飛/垂直降落型F135發(fā)動機的試驗測試工作。2006年12月15日，F-35A完成了首飛；2008年6月11日，F-35B完成了首飛；2010年3月17日，F-35B完成了首次懸停試驗；2010年6月7日，F-35C完成首飛。美國海軍陸戰(zhàn)隊、空軍、海軍分別于2015年7月、2016年8月以及2019年2月宣布F-35B、F-35A、F-35C機隊形成戰(zhàn)斗力。2018年4月，普惠公司宣布完成了F135項目的型號開發(fā)與飛行驗證試驗工作。普惠公司從F135發(fā)動機的一系列試驗失敗中不斷汲取教訓，成為了軍用發(fā)動機的王者。

F135發(fā)動機基本情況

圖1 F119發(fā)動機結構圖

JSF在立項之初便要求在同一個平臺的基礎上滿足3個不同軍種的使用要求，最終的F-35戰(zhàn)斗機包括常規(guī)起降型（CTOL）F-35A、艦載型（CV）F-35C和短距起飛/垂直降落型（STOVL）F-35B等3種不同型號。與F-35戰(zhàn)斗機型號相匹配，F135發(fā)動機有3個不同的型號，F135-PW-100為F-35A空軍型的動力裝置 ；F135-PW-400為F-35C海軍艦載型的動力裝置 ；而由羅羅公司提供升力系統(tǒng)(LiftSystem)的F135-PW-600為F-35B海軍陸戰(zhàn)隊短距起飛/垂直降落型的動力裝置。F135發(fā)動機由F119發(fā)動機衍生而來。F119發(fā)動機是美國重型制空型戰(zhàn)斗機F-22的動力裝置，涵道比為0.3∶1，非加力狀態(tài)下推重比為6.7，加力狀態(tài)下推重比達到9.0。F119發(fā)動機包括3級風扇、6級高壓壓氣機、環(huán)形燃燒室、1級高壓渦輪、1級低壓渦輪以及二維矢量噴管，結構如圖 1所示。

F-35與F-22的作戰(zhàn)任務不同，因此F135發(fā)動機基本保留了F119核心機的設計，而涵道比增大為0.57∶1。F135發(fā)動機重新設計了低壓部分，低壓渦輪也從F119發(fā)動機的1級變?yōu)?級以提供更大的低壓軸功率。F135發(fā)動機的剖視圖如圖2和圖3所示。

F135發(fā)動機的設計特點

由于F135發(fā)動機是美國高度機密的軍事裝備，因此官方公布的技術細節(jié)很少。根據簡氏航空發(fā)動機（Jane’s Aero Engines）數據庫資料介紹，F135-PW-100型發(fā)動機的結構設計特點如下。

圖2 F135發(fā)動機常規(guī)起降型

圖3 F135發(fā)動機短距起飛/垂直降落型

圖4 F135的升力系統(tǒng)

進氣口

進氣口直徑為1.168m，包含21個靜子導葉，導葉后緣與機匣鉸接并兼作低壓軸的前支點。

風扇（低壓壓氣機）

風扇包括3組整體葉盤轉子，在F119發(fā)動機風扇的基礎上提高了空氣流量及壓比。第一級風扇靜子由復合材料制成，后兩級靜子為鈦合金。

高壓壓氣機

高壓壓氣機共6級，全部轉/靜子均為整體結構。前兩級轉子為考慮損傷容限設計的鈦合金結構，后4級轉子為高強度鎳基合金。前兩級靜子為可調葉片，后幾級靜子為鑄造鎳基合金。高壓壓氣機空氣流量為129.6kg /s。

燃燒室

燃燒室由F119發(fā)動機的燃燒室改進而來。燃燒室外機匣長度和直徑均為0.762m，可以承受溫度為920K，壓強為4150kPa的高溫氣體壓力。燃燒室直徑為0.51m，長度為0.23m。浮壁式燃燒室通過襯片引入沖擊制冷以及薄膜冷卻。襯片為鎳基材料，表面鍍陶瓷并留有近千個氣膜孔。

高壓渦輪

高壓渦輪直徑為0.914m，轉速超過15000r/min，功率為47725kW。高壓渦輪的冷卻氣流在F119技術的基礎上增加了一倍。

低壓渦輪

兩級低壓渦輪與高壓渦輪反向對轉，工作溫度約1360K。

加力燃燒室

包括收斂-擴散噴管以及15個液壓驅動的鉸接魚鱗片。加力燃燒室氣壓為621kPa，溫度為2200K。

F135-PW-400型發(fā)動機結構與F135-PW-100型發(fā)動機接近，但包含了更多抗鹽霧腐蝕的材料。短距起飛/垂直降落F135-PW-600型發(fā)動機則加裝了羅羅公司的升力系統(tǒng)。升力系統(tǒng)主要包括由F135發(fā)動機低壓軸驅動的前置升力風扇、安裝在主發(fā)動機側面的滾轉控制噴管以及機尾的全向矢量噴管3個部件，如圖 4所示。

普惠公司網站公布的F135發(fā)動機性能指標如表 1所示。

表1 F135發(fā)動機性能參數

F135故障歷史

F135發(fā)動機自開展試驗測試以來，就相繼曝出了一系列問題，甚至受到了美國政府問責辦公室（GAO）的嚴厲指責。由于F135的高度機密，美國軍方及普惠公司對F135發(fā)動機研發(fā)過程信息的披露少之又少，本文通過公開的新聞報道，對F135的故障情況進行了梳理。

2004年6月，短距起飛/垂直降落型F135發(fā)動機試驗中發(fā)現第二級渦輪導向葉片發(fā)生了較為嚴重的腐蝕，普惠公司更換了涂層材料。

2006年5月，F135發(fā)動機試驗中實測溫度比設計值高出90℃，給飛機熱管理系統(tǒng)帶來了問題，普惠公司通過采用優(yōu)化涵道比、利用氣流冷卻、改進密封等措施解決了發(fā)動機過熱問題。

2007年6月，F135-PW-600型發(fā)動機在佛羅里達州進行升力風扇失速測試時發(fā)動機發(fā)生損壞（見圖 5）。原因是當流道關閉的面積為正常使用狀態(tài)的300%時發(fā)生了非常嚴重的失速，升力風扇傳動軸斷裂脫落并打傷了發(fā)動機葉片。JSF推進系統(tǒng)負責人伯恩斯稱這次試驗的條件遠超過了發(fā)動機實際飛行中可能遇到的情況，并不代表發(fā)動機設計存在問題。

2007年8月，F135發(fā)動機暫停了地面測試，原因是試驗中發(fā)現一片渦輪葉片損壞。JSF項目負責人表示第三級渦輪葉片在使用環(huán)境、材料、制造工藝等多種原因下發(fā)生了高周疲勞破壞。

2007年12月，F-35C機載發(fā)電機供應商漢勝公司發(fā)現其發(fā)電機功率只能滿足機載電力需求的65%。為了增加發(fā)電機功率，普惠公司需要重新設計F135的傳動附件，但是此舉會帶來發(fā)動機推力損失。

2008年2月4日，短距起飛/垂直降落型F135發(fā)動機第六號飛行測試發(fā)動機發(fā)生了第二起第三級渦輪葉片高周疲勞破壞。普惠認為事故是由于第三級渦輪靜子導向葉片的尾流誘發(fā)轉子葉片振動發(fā)生破壞，短距起飛/垂直降落型發(fā)動機的低壓渦輪需要額外驅動升力風扇，因此其工作條件更嚴苛，葉片更容易破壞，而常規(guī)起降型F135發(fā)動機渦輪葉片則沒有發(fā)生過高周疲勞斷裂事故。

圖5 F-35B升力風扇排氣口

圖6 發(fā)生掉塊的F135發(fā)動機風扇

2008年2月，一臺F135發(fā)動機在進行地面超聲速試車時被發(fā)現有火花從噴管冒出，停車后發(fā)現該發(fā)動機的風扇出現掉塊，如圖6所示，掉塊打傷了第一級和第二級高壓壓氣機，但沒有傷及燃燒室和渦輪。普惠稱事故發(fā)動機已經累計2455循環(huán)，相當于經歷了8年的服役期。

2009年9月，每日防務網站披露，一臺F135發(fā)動機在測試中發(fā)生損壞，普惠公司表示將會對F135第一級風扇葉片尖端作進一步改進。

2011財年，美國國防部的一份年度總結報告中提到了F135-PW-600測試中暴露的一些問題，其中包括升力風扇的傳動軸在遇到熱變形、公差、機動載荷撓曲下配合存在問題，且第一次重新設計的傳動軸沒有通過試驗測試，需要第二次重新設計；升力風扇的離合器在工作中存在過熱問題；滾轉控制噴管出口處溫度過高，影響了作動筒的正常工作，需增加隔熱裝置。

2013年1月，恩格林空軍基地一架測試用F-35B的推力矢量噴口控制液壓管道失效，導致全部F-35B飛機停飛。事故調查表明問題由管道供應商派克漢尼芬公司的制造缺陷導致。

2013年2月，愛德華空軍基地一臺F135發(fā)動機渦輪葉片發(fā)現了約15mm長裂紋，但是普惠公司表示該事故可能由于孤立制造缺陷或者長期過熱環(huán)境使用導致，不涉及設計問題。但是此次故障一度引發(fā)了全部F-35飛機的停飛。

2013年12月，一臺測試用F135在使用時間達到設計壽命的77%時發(fā)生了第一級空心風扇葉盤破裂。普惠公司打算將第一級風扇葉盤改為抗裂性能更好的實心葉盤結構，但會增加約2.7kg的質量。

圖7 F135發(fā)動機風扇級間封嚴

2014年6月，一架F-35B空中發(fā)生了險情并緊急降落。事故懷疑由F135的一個油門閥缺陷引起。普惠對所有F135進行了篩查，發(fā)現數臺發(fā)動機均存在隱患。

2014年6月23日，恩格林空軍基地一架F-35A起飛時突然起火造成飛機嚴重損毀。事故調查委員會（AIB）的調查表明該事故由F135發(fā)動機整體葉盤第三級風扇葉片碰磨所致。F135發(fā)動機風扇轉子和靜子之間采用板式封嚴(plate seal)，轉子軸頸凸出的肋板與附有泡沫耐磨條帶的靜子凹槽互相配合形成封嚴，如圖 7所示。這種封嚴結構在正常使用狀態(tài)不會出現碰摩或者僅產生非常有限的碰摩，據稱起火事故是由于3個星期前該飛機在一次機動飛行中轉靜子碰摩引起的。該機動動作包括了持續(xù)2s的偏航、滾轉與大過載組合，引起了轉靜子碰摩導致材料溫度達到了1038℃（1900°F），超過了材料538℃（1000°F）的許用溫度，使轉子葉片出現了微裂紋。

圖8 F135發(fā)動機轉子斷裂發(fā)展次序

AIB的事故報告中公布了斷裂的發(fā)展過程，如圖8所示。疲勞裂紋始于封嚴肋板邊緣并沿徑向向內側擴展，裂紋侵入鼓筒，裂紋同時沿鼓筒向前后擴展，使軸頸失去了環(huán)箍強度，導致封嚴肋板處以及軸頸處均發(fā)生軸向斷裂破壞。

2018年9月28日， 一 架F-35B型戰(zhàn)斗機在美國南卡羅來納州進行訓練飛行時墜毀，飛行員成功逃生。10月11日，美國國防部宣布，所有F-35戰(zhàn)機暫時停飛以進行檢查。美國政府問責辦公室在2019年5月的一份報告中將這一事故的原因歸為發(fā)動機燃油管制造缺陷，導致其在飛行中斷裂，發(fā)動機推力喪失。

結束語

航空發(fā)動機是一個高度復雜的系統(tǒng)工程，很多問題無法通過事先分析或仿真預料得到，只有在試驗以及使用中不斷暴露問題并逐步完善產品。即使是經驗豐富的普惠公司，在成熟的F119核心機基礎上開發(fā)一款新產品也難免經歷很多挫折。以現在的角度來衡量，F135是一款成功的發(fā)動機。截至2018年8月，F135發(fā)動機產量已經突破400臺。此外，普惠公司對F135進一步推出了兩階段增推計劃。2018年3月，F135推力達到了204kN，這一紀錄使得其他軍用發(fā)動機難以望其項背。