1前言
70年代初為空中優勢戰鬥機F-l 5研制高性能發動機，90年代為下壹代先進戰鬥機ATF(20世紀使用)即F-22研制推重比10的發動機，歷時20多年。在此期間，研究觀點(指導思想)發生了兩次重大轉變，即從單純追求性能到可靠性、維修性和性能並重，再到實施“同步工程”(或稱“並行工程”、“集成制造與開發”工程)。這兩大轉變和三大指導思想是吸取發動機研制和現場使用中積累的經驗總結出來的。以美國普惠公司為例。從第壹臺推重比8.0的F100-PW-100(-200)發動機的研制，到高可靠性的衍生改型F100-PW-220，再到F-22新壹代推重比65438的研制。
2早期F100發動機
60年代末70年代初，美國普惠公司研制了新壹代高性能發動機，即F-F100發動機，為未來25年的空中優勢戰鬥機F-1 5做準備。為了滿足飛機的要求，發動機的推重比需要達到8.0。因此，普惠將重點提高發動機性能，即推重比，這是F00研制的指導思想。在F100的研發中，在不影響性能的情況下，盡可能控制發動機重量，最終達到了目標，使F100成為第壹臺推重比達到8.0的發動機。當F100的1和F-100的生產型F100-PW-100投入批量生產並裝備美國空軍後，與當時的其他發動機相比，性能有了明顯的提高，尤其是在跨音速/超音速條件下。事實上，今天現役的戰鬥機發動機推重比仍然與30年前的F100相同或略高。
F-1 5戰鬥機使用的F-100-PW-100(帶兩臺發動機)起飛推力為106.13 kN，F-1 5為1974 1655。與-100推力相同的-200用於F-1 6戰鬥機(配1)，F-16在1978年底裝備美國空軍。
F100的性能確實不錯，但是可靠性和耐用性跟不上性能的提升。F 15戰鬥機裝備部隊後，在使用中暴露出許多影響發動機可靠性的嚴重問題。例如，壓縮機失速、大量渦輪葉片過熱、燒傷等。，使得大量的F-15戰鬥機無法起飛，這也成為了困擾美國空軍最棘手的問題之壹，使得美國空軍不得不讓(ge公司將F-101的核心發動機用於B-l轟炸機，研制出F-1 5，F .即F110，形成了兩家發動機公司提供不同型號
F100-PW-100/200可靠性低的原因有很多。例如，在使用中，由於飛機需要來回推拉燃油閥桿，發動機的溫度和速度變化很快，導致發動機主要部件出現多次應力循環。當時，軍用發動機型式試驗只包括幾個周期的耐久試車。因為在70年代初，標準試車是150h，而這次試車的目的是考核發動機在最長穩態時間內高溫下的工作能力，而不是多個循環下的工作能力，所以試車後還是出現了大量的故障。當然，主要原因是在研制中單純追求高性能，忽略了可靠性、維修性和耐久性的問題，發動機的設計沒有兼顧可靠性、維修性、成本、生產率和性能。
3 F100-PW-220發動機，用於提高可靠性
普惠公司從F100-PW-100的研制和使用過程中遇到的問題中學到了壹條非常重要的經驗。
即忽視可靠性和維修性，單純追求性能來發展先進發動機是行不通的。為了使F100發動機以高可靠性和高性能滿足空軍的需求，普惠公司開始對F100發動機進行改進，以提高發動機的可靠性。
從1975到1980，普惠公司和美國空軍在提高F100的可靠性方面做了壹些小的改進，但效果並不顯著。直到1981年才利用先進技術對F1O0進行重大改進，提高可靠性、耐久性和安全性。這些改進包括:重新設計的“延壽核心機”(ILC)，由單晶材料制成的渦輪葉片，第壹個用於戰鬥機發動機的全功能數字電子調節器(FADEc)，以及由齒輪泵制成的燃油泵。這種改進命名為F100-PW-220，其推力為100，即起飛推力為106.13 kN，但重量增加了約61KG，即犧牲推重比以獲得高可靠性。
為了評估-220模型的耐久性和可靠性，進行了三項額外的測試，即4000 TAC循環的加速任務測試(AMT)、高Ma下的耐久性測試和高循環疲勞測試。3.1.4000 TAc循環加速任務測試(AMT)AMT測試以前從未進行過。根據飛機的飛行任務剖面圖，總結出發動機的任務剖面圖，如圖1。然後根據油門桿的位置變化進行加速模擬試驗，即每1個試驗周期模擬飛機在戰鬥中的油門變化，但時間大大縮短。這種試驗用於模擬發動機在野外使用時的溫度和轉速的變化，以及由此產生的離心載荷和溫度載荷的變化，以評估發動機的低周疲勞壽命和發動機在這種多變工況下的可靠性。
作為戰鬥機尤其是高性能戰鬥機的發動機，起降壹次不能算作1個循環。因為在飛機作戰中，往往需要反復將油門桿從最低位置推到最高位置，反之亦然。這樣，在飛機的起飛和降落過程中，零件上應力的變化就不是簡單的從零到最大再到零的過程了。所以采用TAc循環(TAc為總積累循環，也稱戰術空軍循環，TAc=總起飛循環的幾十個L/4全油門過渡次數，壹般采用L發動機飛行小時(EFH)=2TAc循環)來計算它們的低循環數。
目前作為戰鬥機的發動機，需要完成4000次TAc循環試驗。在F100-PW-220的研制試驗中，美國空軍根據現場使用情況要求進行4000TAc循環的AMT試驗。1個TAc循環的AMT大約需要15分鐘，4000個TAc循環的AMT需要1000小時。如果每架飛機使用250 h交流循環，即500TAC循環，那麽4 000TAC循環AMT相當於8年的野戰使用。其實在F100-PW-220前後，進行了兩次4000TAC循環的AMT。在4000個TAC循環的1測試中，在90天內測試了953 h，包括84849次全油門過渡，8254次加力點火和3455654次加速。測試後核心發動機完好，所以進行第二次TAC循環測試4000次，第二次TAC循環測試8191次，1826 h，其中整個油門過渡172847次。加力點火19308次，發動機加速。在兩次試驗中，核心發動機引起的更換率、空停率、推力損失率均為零，說明發動機達到了提高可靠性的目的。據說這是戰鬥機發動機中兩次通過4000次TAC循環測試的1發動機。
通過這三項測試，表明-220在可靠性和耐久性上比-100有了很大的提高，並且不需要在外場調整發動機調節系統(因為其FADEC具有自調特性)，還取消了壹些移動油門桿的限制，可以滿足空軍的需要。-220於1985年底正式投產。由於-220型號在使用中具有良好的可靠性，美國空軍要求普惠公司用-220型號的改進措施在野戰使用的100型號上改裝。這種改進型發動機被命名為F100-PW-220E。
4.集成制造和開發，並行工程和並行工程。
F100發動機由-100改進為-220，可靠性大大提高。這種犧牲性能來提高可靠性的措施受到了空軍的稱贊。這是航空發動機發展觀點的第壹次轉變，即從單純追求性能到可靠性、維修性和性能並重，即所研制的發動機在可靠性和性能方面是平衡設計的。
但在研制-220型號時並不完美，雖然在可靠性、維修性、耐久性和性能上取得了平衡，成為了壹種平衡的設計。但由於采用了壹些先進的技術，在正式的生產改造中遇到了麻煩，即在生產的1年(1986)，在組織生產中出現了很多重大問題，結果在生產工作開展之前就花了很大力氣去攻克，不僅耽誤了投入使用的時間，還增加了額外的成本。這是普惠公司在研制Model -220中吸取的壹個重要教訓，即設計者參與壹種新型發動機的研制是不夠的，尤其是在采用了許多先進技術的情況下。根據Model-220的教訓，普惠公司在1987中對發動機研制的理念(指導思想)進行了重大變革，建立了“設計到加工”多功能組的理念，使得發動機的設計過程也就是在設計之初就對各方面進行了全面的考慮，使在此基礎上通過驗證的先進發動機能夠迅速轉入黃牛生產並投入使用。在普惠公司新思想的基礎上，美國空軍在1990中采用了更廣泛的多功能團隊概念，包括了從方案論證到現場保障的整個發動機生命周期所涉及的各類人員。
這種由幾十到幾百個多功能小組參與發動機開發全過程的系統過程，被稱為IntergraTCD產品開發(IPD)項目，其最終目標是使用戶得到壹個各方面平衡的產品。據普惠公司稱，該公司已將IPD概念應用於各種軍用和民用發動機的開發。
無獨有偶，與此同時，其他大公司也在指導思想上做出了類似的改變，采用了與IPD相似的理念。比如GE公司推出並行工程(GE)，羅羅公司推出並行工程(SE)。三家公司名稱不同，但內容基本相同。以並行工程為例，它是由國防高級研究計劃局(DARPA)和通用電氣公司航空發動機部的研究與發展中心(GE- CRD)進行的。他們認為並行工程是壹種革命性的工程開發方法，它同時考慮研究、開發、設計、制造和使用的問題，以在較短的時間內了解采用高新技術和先進材料、工藝時對零部件最終結果的影響，從而快速獲得最優設計，將從方案設計到形成可用產品的周期由1/3縮短到1/。當然，這項概念更新的研究
工作也是壹個耗資巨大的項目，僅1988 ~ 1992的前期研究就投入了9300萬美元。DARPA在西吉利亞大學設立了並行工程研究中心(CERC)，由GE公司航空發動機系、卡耐基、梅隆大學、雷塞盧斯理工學院組成的聯合研究團隊進行了合作研究。除上述單位外，還有近20家單位參與了本次研發工作。IPD或CE和SE不僅用於先進軍用發動機的開發，還用於新型民用發動機的開發。比如三大發動機公司分別為波音777雙發客機開發的PW4084(普惠)、GE90(通用電氣)、Trent 800。在發動機方面，IPD等項目已經采用。為了讓波音777在服役初期獲得FAA的180 mine tops的認可(現在的標準是獲得120minETOPS的認可。片的發動機必須具備:累計工作時間不低於25萬小時，空停率小於0.04次/1000h；180minEPOPS的條件如下:120minETOPS有1年經驗，空停率低於0.02次//1 000 h)，三家公司分別采用了、ce、SE提高發動機的可靠性，達到空停率為o的目標，另外羅？羅還利用SE開發了遄達800 wind，被稱為第二代寬弦夾層結構。
風扇葉片和燃燒室的研制稱為第五階段，普惠公司為PW4084研制的空心鈦合金寬弦風扇葉片也采用了IPI)，這使得研制工作在不到2.5年的時間內完成，如果按照傳統方法進行，則需要5 0年。當時，有70多個多功能小組參與了該刀片的開發。GE公司利用CE開發了壹種空心鈦合金葉片，其開發周期比常規工藝縮短了60%。
5.F100-PW-229發動機
為了進壹步提高F-1 5和F-16戰鬥機的性能，美國空軍提出了“發動機性能改進計劃”IPE。為此，普惠公司對Fl00發動機進行了重大改進，引用了許多民用發動機PW-4000使用的先進技術和其他驗證機驗證的技術，並衍生開發了F16。-229型具有-100型的外廊尺寸，保持了-220型的高水平耐久性和可靠性，但起飛推力大幅增加，達到129 kN，比-220型大22%左右，加速性能也有明顯提高。表1列出了兩種發動機在各種工況下的性能對比，圖3是-229和-100和-220的加速對比。
在-229型號的設計中，采用了加大流量的風扇、第二代電子調節器、大流量高性能的壓縮機、面向“用戶的朋友”(維修)的外部管路設計，改進後的部件全部在部分技術驗證計劃中得到驗證。例如，風扇是作為美國空軍發動機模型衍生計劃(EMDP)的壹部分進行設計和測試的，它已經通過了4000次TAC循環的耐久性測試，並在美國國家航空航天局F-1 5上進行了測試。加力燃燒室也是這個項目的產物。燃燒室和渦輪葉片技術已經在“先進渦輪發動機燃氣發生器”的ATECG計劃和“聯合技術驗證發動機”的JTDE計劃中進行了測試。
在研制-229型號時，普惠吸取了-220型號的經驗教訓，在設計中采用了“設計到制造”的團隊，在設計研制之初就吸收了制造工程師的參與，所以在1989轉產時沒有遇到太多問題。與普惠公司之前的任何發動機相比，它向生產的過渡都是最平穩的。
-229型號投產後，IPE92在F 1991年的改進和衍生工作中進行了試驗，其推力達到了142.5 kn . 6 F119-PW-100發動機6.1新壹代發動機F 119的發展道路仍然是比如IPE94在1992測試，推力達到65438+。
6.結論和壹些看法。
從F100發動機的開發過程中，可以得出以下結論:
(1)廣泛采用成熟的高新技術，綜合考慮各種因素，達到平衡是發動機發展的趨勢。
(2)重視以往在設計、使用和維護方面的經驗，並不斷總結、歸納、運用到新研制的發動機上，改進現有的發動機，也是提高發動機性能和可靠性的重要措施。
(3)航空發動機研制理念(即指導思想)在四分之壹多世紀裏經歷了三觀和兩大轉變的過程，即從單純追求性能到可靠性、維修性和性能並重，再到實施壹體化制造和研制工程(或並行同步工程)。同時也特別註重野外使用和維護的體驗，在設計中就考慮到了。
(4)重視高新技術在發動機上應用的開發研究，特別是高新技術的驗證，作為今後開發新機和改進老機的技術儲備。
⑤.重視國外發動機發展觀點兩次轉變的經驗教訓，全面、多方面考慮發動機的發展，而不是走“重(能量)輕結構”(結構和強度)或“昏”只重性能而輕結構強度的發展道路。
⑥目前國外三大航空發動機可以進行壹體化制造開發工程或並行同步工程，已經顯示出其在新型軍用和民用發動機研制中的重要作用，不僅使新型發動機具有更高的可靠性、維修性和性能，而且大大縮短了研制周期，大大降低了全壽命周期費用。因此，我們不應該忽視這壹新生事物。在經費有限的條件下，也要采取必要的措施開展這方面的研究工作，從而改變我們的研究方法，從根本上推動我國航空發動機的發展。