Pratt & Whitney F119

El Pratt & Whitney F119, designación de la empresa PW5000, es un motor turbofan de postcombustión desarrollado por Pratt & Whitney para el programa Advanced Tactical Fighter (ATF), que resultó en el Lockheed Martin F-22 Raptor. El motor ofrece un empuje en la clase de 35.000 lbf (156 kN) y fue diseñado para vuelos supersónicos sostenidos sin postquemadores ni supercrucero. Al ofrecer casi un 22 % más de empuje con un 40 % menos de piezas que su predecesor F100, el F119 permite al F-22 alcanzar velocidades de supercrucero de hasta Mach 1,8. Las boquillas del F119 incorporan vectorización de empuje que les permite dirigir el empuje del motor ±20° en el eje de paso para darle al F-22 una mayor maniobrabilidad.

El F119 también es la base del sistema de propulsión Joint Strike Fighter (JSF), con variantes que impulsan los demostradores conceptuales Boeing X-32 y Lockheed Martin X-35. El X-35 ganó la competencia JSF y el Lockheed Martin F-35 Lightning II de producción está propulsado por un derivado del F119, el Pratt & Whitney F135 que produce hasta 43.000 lbf (191 kN) de empuje.

Historia

El F119 fue el resultado del programa Joint Advanced Fighter Engine (JAFE) a principios de la década de 1980, cuyo objetivo era suministrar el motor para el Advanced Tactical Fighter (ATF) de la Fuerza Aérea. Diseño detallado de Pratt & La presentación de Whitney, designada internamente como PW5000, comenzó cuando la solicitud de propuestas (RFP) para JAFE, más tarde rebautizada como ATF Engine, se publicó en mayo de 1983. Avances en la tecnología de motores, como los del generador de gas para motores de turbina avanzados (ATEGG) y los programas Joint Technology Demonstration Engine (JTDE), permitieron que el diseño hiciera más trabajo con menos etapas, y el compresor del PW5000 tenía solo 6 etapas en comparación con las 10 etapas del compresor del F100.. Las turbinas de alta y baja presión eran de una sola etapa y contrarrotativas, lo que reducía las fuerzas giroscópicas sobre el motor; Se esperaba que la contrarrotación eliminaría una fila de estatores de turbina, lo que ahorraría peso y reduciría el número de piezas, pero finalmente no tuvo éxito y se conservaron los estatores. Las etapas del ventilador y del compresor debían utilizar rotores de palas integrales (IBR), también conocidos como blisks, para reducir el peso y el costo y mejorar el rendimiento. Debido a los exigentes requisitos del ATF para supercrucero, el diseño del PW5000 tiene una baja relación de derivación, altas temperaturas de entrada del núcleo y de la turbina, y una boquilla convergente-divergente totalmente variable para lograr un alto empuje específico en potencia intermedia o sin postcombustión. La cámara de combustión, denominada internamente Floatwall, eliminó las soldaduras para mitigar el crecimiento de grietas debido al ciclo térmico. La RFP original pedía un empuje máximo en la clase de 30.000 lbf (133 kN) para un avión con un peso bruto de 50.000 lb (22.700 kg).

Pratt & Whitney y General Electric fueron seleccionadas para fabricar prototipos de motores, denominados YF119 y YF120 respectivamente, para demostración y validación (Dem/Val). Ambos fabricantes de motores proporcionarían motores para la tecnología ATF Lockheed/Boeing/General Dynamics YF-22 y para los demostradores de vuelo y Northrop/McDonnell Douglas YF-23. El creciente peso del ATF durante el desarrollo requirió más impulso para cumplir con los requisitos de desempeño; A medida que el peso bruto aumentó a 60 000 lb (27 200 kg), el empuje máximo requerido se incrementó en un 20% a la clase 35 000 lbf (156 kN). Pratt & El diseño de Whitney cambió para incorporar un ventilador un 15% más grande, aumentando la relación de derivación de 0,25 a 0,30. Sin embargo, a diferencia de General Electric, Pratt & Whitney no instaló su ventilador más grande en los YF119 aptos para volar para los demostradores de vuelo de la ATF para evitar posibles problemas de confiabilidad que puedan surgir. En cambio, el ventilador revisado fue probado exhaustivamente en tierra en la Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson. Como resultado, tanto el YF-22 como el YF-23 tuvieron un rendimiento menor con los YF119 que con los YF120.

El 3 de agosto de 1991, Pratt & Whitney obtuvo el contrato EMD para el motor ATF, mientras que el equipo Lockheed/Boeing/General Dynamics ganó el contrato para la estructura del avión ATF. Si bien el YF119 tenía un diseño más convencional en comparación con el YF120 de ciclo variable de General Electric, Pratt & Whitney acumuló muchas más horas de prueba y enfatizó la confiabilidad y el menor riesgo. Las pruebas en tierra del F119-PW-100 se realizaron por primera vez en febrero de 1993. Los motores de producción se instalaron en el F-22 de producción y volaron por primera vez en el vuelo inaugural del F-22 el 7 de septiembre de 1997. Un total Se produjeron 507 motores. En 2013, Pratt & Whitney ayudó al Centro de mantenimiento pesado (HMC) del F119 en la Base de la Fuerza Aérea Tinker, Oklahoma, en la primera revisión del depósito del F119.

Los avances en motores de turbina de ATEGG y JTDE continuaron con el programa Integrated High Performance Turbine Engine Technology (IHPTET), con aplicaciones en los paquetes de mejora F119 y derivados. Las variantes del prototipo YF119 impulsaron el avión demostrador conceptual Boeing X-32 y Lockheed Martin X-35 Joint Strike Fighter (JSF), y el posterior desarrollo a gran escala del derivado F119 dio como resultado la familia de motores F135 que impulsa el Lockheed Martin F-35 Lightning. II.

Diseño

El F119 es un turbofán de baja deriva de flujo axial doble. Tiene un ventilador de tres etapas impulsado por una turbina de baja presión de una sola etapa y un compresor de alta presión de seis etapas impulsado por una turbina de alta presión de una sola etapa. El ventilador sin brillo tiene cuchillas de ventilador de titanio hueco de gran calidad y baja relación de aspecto que son de fricción lineal soldadas a los discos para formar rotores integralmente de una sola pieza (IBRs), o bien dichosks. Los estatores del compresor y la boquilla de venado de empuje utilizan una aleación de titanio resistente a quemaduras llamada Aleación C, con la primera hilera de vainas variable para aumentar el margen de onda. El combustión anular Floatwall está forrado con material de alto cobalto para la resistencia a la oxidación y durabilidad de la cámara de combustión, y garantiza la quema limpia del combustible y la generación de NOx reducida. Las cuchillas de turbina de alta presión están hechas de superaleaciones de un solo cristal y de impingimiento refrigerados con aire del compresor de alta presión. Las bobinas de alta y baja presión son contra-rotantes. El requisito para que la ATF supercruise, o vuele supersónico sin postburners, resulta en una proporción de bypass muy baja de 0.30 para el F119-PW-100 con el fin de lograr un empuje específico alto. El F119 tiene control digital de motores de doble pendiente (FADEC), también conocido internamente como Control Digital de Motores Electrónicos (DEEC), suministrado por Hamilton Standard e integrado completamente en el sistema de gestión de vehículos F-22.

El postquemador de tres zonas, o aumentador, contribuye al sigilo de la aeronave al tener inyectores de combustible integrados en gruesas paletas curvas recubiertas con materiales cerámicos absorbentes de radar (RAM). Estas paletas reemplazan las tradicionales barras rociadoras de combustible y porta llamas y bloquean la línea de visión de las turbinas. La boquilla convergente-divergente puede tener un vector de ±20° en el eje de cabeceo, lo que mejora en gran medida la autoridad de cabeceo del avión al aumentar el momento de cabeceo de la cola con el empuje del motor; esto permite que el F-22 siga siendo controlable mientras vuela a un alfa recortado de más de 60°. La vectorización de empuje está completamente integrada en el sistema de control de vuelo del F-22 para facilitar el manejo. La boquilla rectangular consta de dos aletas en forma de cuña para mayor sigilo y también contribuye a reducir la firma infrarroja al aplanar la columna de escape y facilitar su mezcla con el aire ambiente a través de vórtices.

El F119 tiene una vida útil de diseño de 8650 ciclos totales acumulados, con revisión de la sección caliente aproximadamente cada 2000 horas y de la sección fría cada 4000 horas.

Variantes de prototipo

Si bien el F119 de producción del F-22 incorpora boquillas de vectorización de empuje rectangulares, las variantes de prototipos en otros aviones tenían diferentes soluciones de boquillas que se adaptan al fuselaje.

El YF119 en el YF-23 tenía una boquilla de rampa de una sola expansión (SERN) que consistía en una bofetada variable en la parte superior y una rampa fija en la parte inferior, que luego pasa a una trinchera en la parte superior del fuselaje de popa. Mientras que el SERN carecía de capacidad de vectorización de empuje, permitió que el escape se enfriara más en las trincheras, reduciendo significativamente la firma infrarroja cuando se veía desde debajo del avión; las trincheras en la cubierta de popa estaban alineadas con las baldosas que se "enfriaron" del aire sangriento del motor para soportar el calor del escape.

Las variantes especializadas YF119 en el X-32 y X-35 tenían disposiciones para operaciones de despegue corto y aterrizaje vertical (STOVL). El YF119-PW-614 en el X-32 tenía una boquilla de vectorización de empuje en el eje de paso y válvulas que podían redirigir el escape del motor y purgar el aire para proporcionar elevación directa, similar al motor Pegasus del Harrier. En contraste, el YF119-PW-611 en el X-35 tenía una boquilla axisimétrica redonda que puede girar hacia abajo mientras el carrete de baja presión impulsa un ventilador de elevación que se activa mediante un embrague; El aire de derivación del motor también se dirige a los postes rodantes para mayor elevación y estabilidad. El X-35 ganó la competencia JSF y su sistema de ventilador de elevación accionado por eje, llamado LiftSystem, fue desarrollado íntegramente por Rolls-Royce y Pratt & Whitney para el F135-PW-600.

variantes

• YF119-PW-100L: Motor Prototipo para la clase de empuje YF-22; valorado 30.000 lbf.
• YF119-PW-100N: Motor Prototipo para la clase de empuje YF-23; valorado 30.000 lbf.
• F119-PW-100: Motor de producción para la F-22A con mayor ventilador y mayor relación de bypass (BPR) valorado por 35,000 lbf clase de empuje.
• YF119-PW-611: Motor prototipo para el X-35.
• YF119-PW-614: Motor prototipo para el X-32.

Aplicaciones

• Boeing X-32 (YF119-PW-614)
• Lockheed YF-22 (YF119-PW-100L)
• Lockheed Martin F-22 Raptor (F119-PW-100)
• Lockheed Martin X-35 (YF119-PW-611)
• Northrop YF-23 (YF119-PW-100N)

Especificaciones (F119-PW-100)

Datos de Pratt & Whitney, Museo Nacional de la Fuerza Aérea de EE. UU., RAND, Semana de la Aviación, USAF.

Características generales

• Tipo: Turbofan aumentada de flujo axial
• Duración: 203 en (516 cm)
• Diámetro: Aprox. 46 en (117 cm)
• Peso seco: 3.900 libras (1.769 kg)

Componentes

• Compresor: ventilador de 3 etapas, compresor de alta presión de 6 etapas
• Tasa de bypass: 0.30:1
• Combustores: Combustible anular
• Turbina: turbinas de alta presión de 1 etapa, de baja presión de 1 etapa
• Boquilla: 2-dimensional vectoring convergent-divergent

Ejecución

• Propulsión máxima:
  
  • (poder militar/intermedio) Estos datos son un indicador de diseño
  • (con postburner)
• Temperatura de entrada de Turbina: 3000 °F (1,649 °C; 1,922 K)
• Relación entre el peso y el peso: 6.7:1 (intermedio), 9.0:1 (después de quemar)