Pratt & Whitney F135

El Pratt & Whitney F135 es un turbofan de postcombustión desarrollado para el Lockheed Martin F-35 Lightning II, un caza de ataque monomotor. Tiene dos variantes; una variante de despegue y aterrizaje convencional (CTOL) utilizada en el F-35A y F-35C, y una variante de despegue y aterrizaje vertical de dos ciclos cortos (STOVL) utilizada en el F-35B que incluye un ventilador de elevación hacia adelante. Los primeros motores de producción se entregaron en 2009.

Desarrollado a partir de Pratt & El motor Whitney F119 utilizado en el F-22 Raptor, el F135 produce alrededor de 28.000 lbf (125 kN) de empuje y 43.000 lbf (191 kN) con postquemador. El F135 compitió con el General Electric/Rolls-Royce F136 para impulsar el F-35.

Desarrollo

El F135 se originó en Lockheed Corporation Skunk Works, con esfuerzos para desarrollar un caza de ataque STOVL sigiloso para el Cuerpo de Marines de EE. UU. bajo un programa DARPA de 1986. Paul Bevilaqua, empleado de Lockheed, desarrolló y patentó un concepto de avión y sistema de propulsión, y luego recurrió a Pratt & Whitney (P&W) para construir un motor de demostración. El demostrador de pruebas en tierra utilizó el ventilador de primera etapa de un motor F119 como ventilador de elevación. El ventilador del motor y el núcleo del F100-220 se utilizaron para el núcleo del motor de demostración, y la turbina de baja presión más grande del F100-229 se utilizó para la turbina de baja presión del motor de demostración. La turbina más grande se utilizó para proporcionar la energía adicional necesaria para operar el ventilador del ascensor. Finalmente, se agregó una boquilla de desviación de empuje variable para completar el sistema "F100-229-Plus" motor demostrador. Este motor demostró el concepto de ventilador de elevación y condujo al desarrollo del actual motor F135.

El equipo F135 está formado por Pratt & Whitney, Rolls-Royce y Hamilton Sundstrand. Pratt & Whitney es el contratista principal del motor principal y la integración de sistemas. Rolls-Royce es responsable del sistema de elevación vertical del avión STOVL. Hamilton Sundstrand es responsable del sistema de control electrónico del motor, el sistema de actuación, el PMAG, la caja de cambios y los sistemas de control del estado. Woodward, Inc. es responsable del sistema de combustible.

P&W desarrolló el F135 a partir de su turbofan F119, que impulsa al F-22 Raptor, como el "F119-JSF". El F135 integra el núcleo F119 con nuevos componentes optimizados para el JSF. El F135 se ensambla en una planta en Middletown, Connecticut. Algunas piezas del motor se fabrican en Longueuil, Quebec, Canadá y Polonia.

La entrega del primer sistema de propulsión de producción para servicio operativo estaba prevista para 2007 con el objetivo de prestar servicio a clientes de EE. UU., Reino Unido y otros clientes internacionales. Los F-35 iniciales entraron en producción con los motores F135, pero el equipo GE/Rolls-Royce planeó desarrollar un motor F136 de reemplazo en julio de 2009. En 2010, el Pentágono planeó licitar competitivamente los dos sistemas de propulsión. Sin embargo, desde 2006 el Departamento de Defensa no ha solicitado financiación para el programa de motores alternativos F136, pero el Congreso ha mantenido la financiación del programa.

A partir de 2009, P&W desarrolló una versión más duradera del motor F135 para aumentar la vida útil de las piezas clave. La esperanza de vida de las piezas se redujo porque las secciones calientes del motor (específicamente la cámara de combustión y las palas de la turbina de alta presión) se calentaron más de lo esperado. El motor de prueba se denomina XTE68/LF1 y se espera que las pruebas comiencen en 2010. Este rediseño ha provocado un "crecimiento sustancial de costos".

P&W esperaba entregar el F135 por debajo del costo del F119, a pesar de que era un motor más potente. Sin embargo, en febrero de 2013 se encontró una pala de turbina rota durante una inspección programada. La grieta fue causada por operar la turbina a altas temperaturas durante períodos más largos de lo habitual. En diciembre de 2013, el ventilador hueco de la primera etapa falló al 77% de su vida útil esperada durante una prueba en tierra. Debía ser reemplazada por una pieza sólida que agregaría 2,7 kg (6 lb) de peso. En 2013, un exempleado de P&W fue sorprendido intentando enviar "numerosas cajas" a un país. de información sensible sobre el F135 a Irán.

A pesar de los problemas, el motor número 100 se entregó en 2013. El LRIP-6 se acordó en 2013 por 1.100 millones de dólares para 38 motores de distintos tipos, lo que ayudó a reducir el coste unitario.

El teniente general de la Fuerza Aérea Christopher C. Bogdan, director ejecutivo del programa F-35, criticó a P&W por no cumplir con la calidad de fabricación de los motores y las entregas lentas. Su subdirector, el contraalmirante Randy Mahr, dijo que P&W detuvo sus esfuerzos de reducción de costos después de "obtener el monopolio". En 2013, el precio del F135 aumentó en 4,3 mil millones de dólares.

En mayo de 2014, Pratt & Whitney descubrió documentación contradictoria sobre el origen del material de titanio utilizado en algunos de sus motores, incluido el F135. La compañía evaluó que la incertidumbre no representaba un riesgo para la seguridad del vuelo y, como resultado, suspendió las entregas de motores. Bogdan apoyó las acciones de P&W y dijo que el problema ahora estaba en A&P Alloys, el proveedor. La Agencia de Gestión de Contratos de Defensa de EE. UU. escribió en junio de 2014 que Pratt & La "continua mala gestión de los proveedores" de Whitney es el principal factor del aumento de las notificaciones de posibles problemas. A&P Alloys declaró que respaldaban su producto a pesar de que no se les dio acceso a las piezas para realizar sus propias pruebas. Tracy Miner, abogada de Demeo LLP, con sede en Boston, que representa a A&P Alloys, dijo que "es descaradamente injusto destruir el negocio de A&P sin permitirle acceso a los materiales en cuestión".

En julio de 2014 se produjo un fallo incontrolado en el rotor de un ventilador mientras el avión se preparaba para el despegue. Las piezas pasaron a través de un tanque de combustible y provocaron un incendio, dejando en tierra la flota de F-35. Durante unas maniobras de alta fuerza G tres semanas antes del vuelo, la flexión del motor provocó un roce excesivo en el sello entre el ventilador y el estator del ventilador, iniciando la falla inminente. El roce provocó una temperatura de más de 1000 °C (1900 °F), mucho más allá del límite material de 540 °C (1000 °F). Según el director del programa, Christopher Bogdan, aparecieron microfisuras en las aspas del ventilador de la tercera etapa, lo que provocó que las aspas se separaran del disco. Las palas averiadas perforaron un tanque de combustible y el aire caliente mezclado con el combustible provocó el incendio. Como solución a corto plazo, cada avión vuela con un perfil de vuelo específico para permitir que el sello del rotor desgaste una ranura de acoplamiento en el estator para evitar el roce excesivo.

Pratt & Whitney logró cumplir sus objetivos de producción para 2015, pero surgieron "problemas recurrentes de calidad de fabricación". en las palas de las turbinas y los sistemas de control electrónico requirieron que los motores fueran retirados de la flota.

Diseño

Derivado del motor F119, el F135 es un turbofan de postcombustión de flujo mixto con un nuevo ventilador y turbina LP.

Hay dos variantes del F135: las versiones -100 y -600. Se menciona una versión -400, similar a la -100, siendo la principal diferencia el uso de materiales resistentes a la corrosión por sal. El -600 se describe a continuación con una explicación de los cambios de configuración del motor que se producen al flotar. El motor y el sistema de elevación Rolls-Royce forman el sistema integrado de propulsión del ventilador de elevación (ILFPS).

El empuje vertical para la versión STOVL se obtiene de un ventilador de elevación de dos etapas (aproximadamente 46 %) frente al motor, una boquilla de escape vectorial (aproximadamente 46 %) y una boquilla en cada ala que utiliza aire del ventilador de el conducto de derivación (alrededor del 8%). Estas contribuciones a la elevación total se basan en valores de empuje de 18.680 lbf (83,1 kN), 18.680 lbf (83,1 kN) y 3290 lbf (14,6 kN), respectivamente. Otra fuente proporciona valores de empuje de 20 000 lbf (89 kN), 18 000 lbf (80 kN) y 3900 lbf (17 kN) respectivamente.

En esta configuración, la mayor parte del flujo de derivación se conduce a las boquillas de las alas, conocidas como postes giratorios. Parte se utiliza para enfriar la boquilla de escape trasera, conocida como boquilla de conducto giratorio de 3 cojinetes (3BSD). Al mismo tiempo, se abre una entrada auxiliar en la parte superior de la aeronave para proporcionar aire adicional al motor con baja distorsión durante el vuelo estacionario.

La turbina de baja presión (LP) impulsa el ventilador de elevación a través de una extensión del eje en la parte delantera del rotor de LP y un embrague. El motor funciona como un turbofan de flujo separado con una relación de derivación más alta. La potencia para impulsar el ventilador (alrededor de 30 000 shp (22 000 kW)) se obtiene de la turbina LP aumentando el área de la boquilla caliente.

Una relación de derivación más alta aumenta el empuje para la misma potencia del motor como consecuencia fundamental de la transferencia de potencia de un chorro propulsor de pequeño diámetro a uno de mayor diámetro. Cuando el F135 proporciona elevación vertical utilizando la relación de derivación aumentada del ventilador de elevación, el aumento de empuje es del 50 % sin aumento en el flujo de combustible. El aumento de empuje es del 52% en vuelo convencional cuando se utiliza el postquemador, pero con un gran aumento en el flujo de combustible.

La transferencia de aproximadamente 1⁄3 de la potencia disponible para el empuje de la boquilla caliente al ventilador de elevación reduce la temperatura y la velocidad del chorro de elevación trasero que incide en el suelo. El F-35 puede alcanzar un crucero limitado al 100% del acelerador sin postquemadores de Mach 1,2 durante 150 millas (240 km; 130 nmi).

Al igual que el F119, el F135 tiene un aumentador sigiloso donde las barras rociadoras y los portallamas tradicionales se reemplazan por paletas gruesas y curvas recubiertas con materiales cerámicos absorbentes de radar (RAM). Los inyectores de combustible del postquemador están integrados en estas paletas, que bloquean la línea de visión de las turbinas, lo que contribuye al sigilo del sector de popa. La boquilla axisimétrica consta de quince aletas parcialmente superpuestas que crean un patrón de dientes de sierra en el borde de salida. Esto crea vórtices y reduce la firma infrarroja de la columna de escape. Según se informa, la eficacia es comparable a la de las boquillas de cuña del F119, aunque es sustancialmente más rentable y requiere menos mantenimiento.

El motor utiliza sensores termoeléctricos para controlar el estado de los cojinetes de la turbina.

Mejorar la confiabilidad del motor y la facilidad de mantenimiento es un objetivo importante para el F135. El motor tiene menos piezas que motores similares, lo que mejora la fiabilidad. Todos los componentes reemplazables en línea (LRC) se pueden quitar y reemplazar con un conjunto de seis herramientas manuales comunes. El sistema de gestión de salud del F135 está diseñado para proporcionar datos en tiempo real a los encargados de mantenimiento en tierra. Esto les permite solucionar problemas y preparar piezas de repuesto antes de que el avión regrese a la base. Según Pratt & Whitney, estos datos pueden ayudar a reducir drásticamente el tiempo de resolución de problemas y reemplazo, hasta en un 94% en comparación con los motores heredados.

Mejoras planificadas

Aunque ningún servicio ha emitido un requisito para un motor mejorado, Pratt and Whitney está cooperando con la Marina de los EE. UU. en un plan de mejora de dos bloques para el motor F135. Los objetivos del Bloque 1 son un aumento del 7% al 10% en el empuje y una reducción del consumo de combustible del 5% al 7%. Los planes incluyen una mejor tecnología de enfriamiento para las palas de las turbinas; esto aumentaría la longevidad del motor y reduciría sustancialmente los costos de mantenimiento. El objetivo del Bloque 2 es trabajar con el Programa de Transición de Motores Adaptativos de la Fuerza Aérea de EE. UU., con la intención de introducir tecnología para un motor con una potencia de 45.000 libras de empuje, que se utilizará en un caza de sexta generación.

Opciones de crecimiento

GO1

A finales de mayo de 2017, Pratt y Whitney anunciaron que el F135 Growth Option 1 había terminado las pruebas y estaba disponible para producción. La actualización requiere el cambio del módulo de potencia en motores más antiguos y puede insertarse sin problemas en futuros motores de producción con un aumento mínimo en el costo unitario y sin impacto en el cronograma de entrega. La Opción de Crecimiento 1 ofrece una mejora del 6 al 10 % en el empuje en toda la envolvente de vuelo del F-35 y, al mismo tiempo, una reducción del consumo de combustible del 5 al 6 %.

GO2

En junio de 2018, United Technologies, empresa matriz de P&W, anunció la Opción de Crecimiento 2.0 para ayudar a proporcionar una mayor capacidad del sistema de gestión térmica y de energía (PTMS), brindando opciones para los operadores, por ejemplo, si desean actualizar a armas más pesadas..

Variantes

• F135-PW-100: Utilizado en la variante F-35A de Take-Off y Landing (CTOL)
• F135-PW-400: Utilizado en la variante naval F-35C construida con materiales resistentes a la corrosión de sal
• F135-PW-600: Utilizado en la variante de aterrizaje vertical F-35B

Aplicaciones

• Lockheed Martin F-35 Lightning II
• Northrop Grumman B-21 Raider (variante modificada)

Especificaciones (F135)

F135-PW-100

Datos de Pratt & Whitney, Base de la Fuerza Aérea Tinker, Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos

Características generales

• Tipo: Flujo axial, turbofan aumentada
• Duración: 220 en (5.590 mm)
• Diámetro: 46 en (1,170 mm) max., 43 en (1,090 mm) en la entrada de ventilador
• Peso seco: 3.750 libras (1.700 kg)

Componentes

• Compresor: ventilador de 3 etapas, compresor de alta presión de 6 etapas
• Combustores: combustión anular
• Turbina: Turbina de alta presión de 1 etapa, turbina de baja presión de 2 etapas
• Tasa de bypass: 0,57:1

Rendimiento

• Propulsión máxima:
  
  • 28,000 lbf (125 kN) impulso militar,
  • 43,000 lbf (191 kN) con afterburner
• Tasa general de presión: 28:1
• Temperatura de entrada de Turbina: 3,600 °F (1,980 °C; 2,260 K)
• Relación entre el peso y el peso: 7.47:1 empuje militar, 11.47:1 aumentado

F135-PW-600

Datos de Pratt & Whitney, Tinker AFB, Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos

Características generales

• Tipo: Flujo axial de dos compartimentos, turbofán aumentado con ventilador de elevación a distancia
• Duración: 369 en (9.370 mm)
• Diámetro: 46 en (1,170 mm) máximo, 43 en entrada de ventilador (1,090 mm), 53 en entrada de ventilador de ascensor (1,350 mm)
• Peso seco:

Componentes

• Compresor: Ventilador de 3 etapas, compresor de alta presión de 6 etapas, 2 etapas, contra-rotante, ventilador de elevación con eje
• Combustores: combustión anular
• Turbina: Turbina de alta presión de estadio único, turbina de baja presión de 2 etapas
• Tasa de bypass: 0,56:1 convencional, 0,51:1 elevador alimentado

Rendimiento

• Propulsión máxima:
  
  • 27.000 lbf (120 kN) impulso militar
  • 41,000 lbf (182 kN) con postburner
  • 40,650 lbf (181 kN) hovering
• Tasa general de presión: 28:1 (convencional), 29:1 (montaje propulsado),
• Temperatura de entrada de Turbina: 3,600 °F (1,980 °C; 2,260 K)