F119渦輪風扇發動機是雙轉子小涵道比加力渦扇發動機，其采用了可上下偏轉的二維矢量噴管、偏轉角度達20度且推力和矢量由數字電子系統控制的一種發動機，是普惠公司為美國F-22戰斗機研制的先進雙轉子加力式渦輪風扇發動機。其由3級風扇、6級高壓壓氣機、帶氣動噴嘴、浮壁式火焰筒的環形燃燒室、單級高壓渦輪、高壓渦輪轉向相反的單級低壓渦輪、加力燃燒室與二維矢量噴管等組成。
F119是世界上第一款投入使用的第四代發動機。此外，F119-PW-100發動機是人類歷史上第一型推重比達到10的航空發動機。PW以F119發動機為基礎，設計了兩款略有不同的發動機，分別為波音公司型的F119發動機代號為JSF/F119-SE614，洛馬型的F119發動機代號為JSF/F119-SE611。
發展簡史
F119是惠普為美國第四代戰斗機研制的先進雙轉子加力式渦輪風扇發動機。其設計目標為：不加力超聲速巡航能力、非常規機動和短距離起落能力、隱身能力、壽命期費用至少降低25%、零件數量減少40-60%、推重比提高20%、耐久性提高兩倍、零件壽命延長50%。
1983年，普惠公司收到美國空軍ATF發動機招標需求后，很快就進入到F119的前身PW5000的具體方案設計中，9月30日ATF用發動機簽訂研制合同。1985年9月XF119零部件開始加工。1986年4月，首臺XF119（FX601）上臺架試車，同年10月，YF119開始地面試車。1989年1月，首臺用于飛機評定的YF119上臺機試車。1990年1月30日，YF-22/YF119進行首飛，同年8月27日，YF-23戰斗機/YF119首飛。9月18日，裝YF119的YF-23進行第一次超聲速巡航。次月30日，裝YF119的YF-22進行第一次超聲速巡航。1990年12月，裝YF119的YF-22進行第一次推力換向。1991年4月23日，美軍方出于對風險和費用的考慮，F119被選為F-22戰斗機的動力裝置。
1992年6月，F119完成了關鍵設計評審。同年11月，首臺EMD型機F119發動機開始試驗，12月其進行了地面試驗。1996年7月，首臺飛行試驗發動機組裝完畢。次年9月，進行了飛行試驗發動機的交付。1997年9月7日，首架裝有EMD型F119發動機的F-22戰斗機進行了首次試飛。1999年10月，F119發動機獲得了美國空軍頒布的合格證。2001年8月，其被批準投入批量生產。2002年7月，其獲批初步使用（此時試驗時數已超4000小時）。次年3月，獲空軍批準后勤保障系統。2005年初，F119累計試驗時數超過7500小時。2005年12月，第一支F-22/F119作戰部隊完成所有試驗和評估，正式裝備美國空軍，并按照美國軍用標準MIL-SID-879，F119的第一種生產發動機型被命名為F119-PW-100。
組成結構
F119發動機由3級風扇、6級高壓壓氣機、帶氣動噴嘴、浮壁式火焰筒的環形燃燒室、單級高壓渦輪、高壓渦輪轉向相反的單級低壓渦輪、加力燃燒室與二維矢量噴管等組成。整臺發動機分為:風扇、核心機、低壓渦輪、加力燃燒室、尾噴管和附件傳動機匣等6個單元體，另外還有附件、FADEC及發動機監測系統。
主要特點
F119是美國普惠公司為F—J_22戰斗機研制的加力式渦扇發動機，其推力能達到156千牛。F119與裝F一15和F一16的F100發動機相比，它的部件數少40％，由于部件數減少，加之采用先進的輕重量臺金，使F119的推重比達10一級，而F100為8一級。F119和F100雖都采用3級風扇，但F119的風扇整體式為葉盤結構。F119的高壓氣機為6級，而F100的僅為10，F119的高低壓渦輪各為1級，而F100的各為2級。與歐洲正為EF2000戰斗機研制的EJ200和法國正為陣風戰斗機研制的M88發動機相比，F119在結構與性能上也略勝一籌。此外F119發動機上部沒有外部構件，維修人員平均20分鐘內可拆卸和更換F119的每個LRU。
20世紀80年代初期，P&W公司研制的F119一PW一10發動機3級風扇、6級高壓壓氣機的轉子全部采用了整體葉盤，是惟一一種在風扇與壓氣機中全部采用整體葉盤結構的發動機。
F119競爭發動機YF120為變循環發動機，2級風扇后有一可調節的外涵出氣環，在高壓壓氣機中，第一級工作葉片做得較長成為風扇，稱之為核心機傳動的風扇，其后有流向外涵的出氣環，在工作中始終是打開的，因此稱主外涵出氣環。2級風扇在遇到大工況時，可調節放氣環關閉。發動機成為小涵道比渦輪風扇發動機，以此增加單位推力。風扇到核心機間的壓力匹配是通過裝在加力燃燒室前的可變面積涵道引射器（VABI）將外涵氣流引向加力燃燒室來達到。VABI除對加力燃燒室隔熱屏進行冷卻外，還會將外涵多余的氣流引射到尾噴管喉道前的排氣氣流中，借此加大推力。在低工況時，兩個外涵道均打開，使涵道比加大以獲得低的耗油率。
F119在總體結構設計上，與普惠公司以往的發動機相比，有兩個顯著的變化，其一是高壓轉子支承方式改用了GE公司慣用的形式，其二是高壓渦輪采用了單級。20世紀60年代后期，普惠公司開始研制的民用發動機（JT9D、PW2037和PW4000）及軍用發動機（F100）中，高壓轉子均采用1-1-0支承方式，即高壓壓氣機前為滾珠軸承，后支點設在高壓渦輪前，即高壓渦輪是懸臂支承的，該軸承的負荷是通過燃燒室機匣傳出的。F100-PW-100發動機也是用的該類支承，該設計使F100-PW-100發動機的承力框架數變多，而且高壓渦輪由于要裝軸承使軸徑小、且渦輪盤是懸臂支承的，給轉子動力學設計帶來困難。通用電氣的發動機（軍用的有F101，F110、F404，民用的有CFM56）中，高壓轉子則采用了1-0-1的支承方式，即轉子的后支點設在高壓渦輪后，且采用了中介軸承，即該軸承的外環固定于高壓轉子上，內環固定于低壓轉子上。這種布局不僅可減少承力框架，而且高壓渦輪軸軸徑可做得很大，增加了轉子剛性，其缺點是中介軸承的潤滑與封嚴較為復雜些。普惠在研制F119時，對高壓轉子的支承方案采用了通用電氣在F110，F404中采用1-0-1且后支點用中介軸承的設計。
在高壓渦輪的設計中，20世紀60年代后期普惠公司在研制的發動機如民用發動機JT9D、PW2037和PW4000以及軍用發動機F100均采用了雙級設計。這種設計優點是每級渦輪的負荷小，渦輪效率要大些，但帶來零件多，重量大的缺點。通用電氣則在同時期研制的發動機（軍用：F101、FllO和F404，民用：CFM56）中，均采用了單級高壓渦輪，雖渦輪效率稍低，但使其發動機的結構簡單，零件較少，重量輕等好處。普惠公司在F119設計中，為了提高推重比，則采用了單級高壓渦輪的設計。
設計特點
F119發動機的第一級風扇葉片采用寬弦、空心設計，葉片由葉盆、葉背兩塊型板經擴散連接法連接成一整葉片，3級風扇轉子均采用整體葉盤結構（在YF-22上進行驗證飛行時所采用的YF119發動機中，僅2、3級風扇采用了整體葉盤），并采用了線性摩擦焊的加工方法加工整體葉盤。F119的風扇機匣做成了整環，這能保證風扇機匣剛性一致，保持較均勻的葉尖間隙。風扇轉子做成了可拆卸式，即2級盤前、后均帶鼓環，分別與1、3級盤連接。風扇進口處采用了靠邊彎度的進口導流葉片，可大大縮小常規直靜子葉片上、下端的分離損失區。這種設計結構類似于F100發動機，葉片是利用PW開發的NASTAR程序設計的。采用彎曲靜子葉片，可提高風扇、壓氣機效率與喘振強度。這種葉片也用在F119的高壓壓氣機以及諸多民用PW4084發動機上。
F119的高壓壓氣機采用高級壓比設計，6級轉子全部采用整體葉盤結構，進口導葉與1、2級導葉是可調節的。前機匣采用
“Alloyc”阻燃鈦合金材料制造，以降低重量，采用了彎曲的靜葉。為了增加高壓壓氣機的出口處機匣（該處的直徑最小，形成了縮腰）的縱向剛性，燃燒室機匣前伸到壓氣機的3級處，使燃燒室機匣具有雙層結構：外層傳遞負荷，內層為氣流的包容環。
F119的燃燒室火焰筒為雙層浮壁式，外層為整體環形殼體，在殼體與燃氣接觸的壁面上鉚焊有沿圓周和長度切開的一塊塊瓦塊形薄板，薄板與殼體間留有一定的縫隙，使冷卻兩者的空氣由縫中流過。為了使薄板在工作中能在圓周與長度上自由膨脹，薄板在圓周與長度上均切成一段段的，形成多片瓦塊狀的薄板，因此這種火焰筒又稱為瓦塊式火焰筒。該燃燒室可以改善火焰筒的工作條件，不僅能提高火焰筒的壽命，還方便更換與燃氣接觸的瓦片，提高了發動機的可維修度，同時還可以減少污染物排放。其油嘴采用了氣動式噴嘴，能改善燃油霧化質量，提高燃燒完全度，減少排污，同時還能解決一般離心式噴嘴易生積炭的問題。
F119的高壓壓氣機采用了先進的氣膜冷卻技術，渦輪盤采用了雙重的熱處理以適應外緣與輪心的不同要求，即外緣采用了提高損傷容限能力的處理，以適應榫槽可能出現的微小裂紋，輪心部分則采用提高強度的熱處理。工作葉片葉尖噴涂有一層耐磨涂層（YF119未采用），用以減少性能的衰退率，這種措施也被PW應用在了大型民用渦輪風扇發動機上。
F119的低壓壓氣機的轉向與高壓壓氣機相反。這種高低壓轉子轉向相反的設計，可使飛機機動飛行時作用于兩轉子上的陀螺
力矩相互抵消大部分，以減少外傳到飛機機體上的力矩，來提高飛機的操縱性，這點對高機動性能戰機尤為重要。兩轉子間的中介軸承，軸承內外環轉向相反時，會大大降低保持架與滾子組合體相對內外環的轉速，對軸承的工作有利，但增加了封嚴的難度。理論上，高低壓壓氣機反向轉動時，可以不采用低壓渦輪導向器（YF120發動機即是如此），但F119為了保險起見，仍采用了導向器。低壓渦輪輪盤中心設計有大孔，便于安裝高壓轉子的后軸承（中介軸承），這與F404、M88發動機的結構類似。
F119的加力燃燒室的加力筒體采用了Alloyc阻燃鈦合金制造以減輕重量，兩者間的縫隙中流過外涵空氣對筒體進行冷卻。在YF119發動機上采用外部導管引冷卻空氣對筒體進行冷卻，F119則取消了外部導管，簡化了制造難度，減少了零部件，優化了發動機結構設計。F119發動機的尾噴管采用了獨特的二元收斂—擴張向量噴管。噴管上、下的收擴式調節片可單獨控制喉道與出口面積，而且當上、下調節片同時向上或向下擺動時，改變排氣流的方向（即推力方向），F119發動機推力可在+20°～－20°之間偏轉，借此可提高戰機的機動性。推力矢量由雙余度全權限數字電子控制系統控制，靠煤油為介質的作動筒來操控。調節片的設計成可減少雷達散射面積。通過對調節片的冷卻，減少紅外信號。尾噴管也采用了Alloyc阻燃鈦合金制造，減輕了重量。F119發動機的燃油控制系統采用的是PW設計的最新型雙余度全權限數字電子控制系統（FADEC），每臺發動機配有兩套調節器，每套調節器又配置有兩套計算機，相互備份，來確保調節系統的可靠性。
F119發動機在設計中特別加強了發動機的維修性，如大部分附件包括燃油泵和控制系統均作為外場可換組件LRU，而每個LRU拆換時間不超過20min，所需的工具也僅是11種標準手動工具。外場維修時F119需進行拆裝的緊固件不允許使用保險絲、開口銷。其次由于采用“B”型螺母，擰螺母時可不采用限扭扳手。外場維修時需進行拆裝的緊固件不允許用保險絲、開口銷，由于采用“B”型螺母，擰螺母時可不采用限扭扳手。在孔探儀的座孔設計成無螺紋內置式的，所有導管、導線均用不同的顏色予以區分，滑油箱裝有目視的油位指示器，連接件做成能快卸快裝的設計。所有的附件、導線和管路均在發動機下部，每個外場可換組件均能直接達到。發動機設計成由第5百分位女姓（身高157cm體重45kg）到第95百分位男性（身高188九體重91kg）間的維修人員穿著防護服，于戴防護手套均能對裝在飛機上的發動機進行日常的維護工作。
F119在設計中遵循“采用經過驗證的技術的”做法，F119整臺發動機結構簡單，零部件減少。因此F199發動機在性能方面較前一代F100發動機有著較大的提高，同時其采用了一些以前發動機中未采用的新技術，但它的可靠性卻比F100高上許多。在F119中，可靠性提高得最顯著的要算調節器了。該系統是在F100-PW-229的基礎上發展起來的，為雙余度的數字式電子調節器。屬普拉特·惠特尼加拿大公司的第三代FADEC。另外，它根據以往的經驗，將發動機與飛機的調節結合在一起，這樣可使飛機的調節器利用發動機的一些參數，如推力、推力方向等對飛機進行調節，使飛機性能大幅度提高。以往的經驗還指出，裝在發動機上的診斷系統能大大改善發動機的維修性，提高發動機的使用可靠性，還能降低使用成本。因此F119又進一步完善了已在一220型、一229型使用的診斷系統。
性能指標
F119的推力為一般發動機的3倍，不加力狀態下的推力比第三代航空發動機加力狀態下還要大。一架F-22戰斗機在兩臺F119發動機的推動下，在不開加力的狀態下速度便能超過馬赫1.4的速度持續飛行。F119發動機的設計遵循了“產品綜合發展”（IPD）的思想，實現了性能、安全、可靠、維修、經濟等指標的平衡。F119的主要部件比普通渦輪噴氣發動機少40％，但其耐久性更強，工作強度更低，在維修方面，對地面保障設備和人員需求減少50％，定期維護時數減少75％。其作為世界上第一種第四代發動機，F119的性能指標可謂十分亮眼，其具體性能指標參數如下表：
關鍵技術
為避免F119的設計遭到不可接受的風險，普惠公司采用了IHPTET(綜合高性能渦輪發動機技術)計劃內許多已被驗證的技術。這使得F119發動機性能有所提高，同時其可靠性、可維修性與安全性皆有所提高。
應用領域
發展趨勢
現代航空發動機的結構設計和制造技術是發動機研制、發展、使用中的一個重要環節，為滿足以F119為標志的第4代戰斗機用發動機以及未來高推比新概念發動機的性能要求，除采用先進技術減少飛機機體結構、機載設備的重量外，關鍵是要求發動機的推重比達到10.0一級，需重點突破發動機部件的氣動、結構設計、材料、工藝等方面的關鍵技術。在發動機風扇、壓氣機、渦輪上采用整體葉盤(lBisk)結構(包括整體葉輪、整體葉環等)是提高發動機性能、簡化結構、降低重量、減少故障率、提高耐久性與可靠性的重要措施。
材質和工藝
F119發動機是PW在F100-PW-100發動機基礎上發展而來的高性能發動機。F119是F100的改進與發展，其材料低溫部分使用了高溫樹脂基復合材料，尾噴管則使用了陶瓷基材料，其他部分則使用了傳統的金屬材料。傳統金屬材料能適應新的性能要求，需要在制造材料以及工藝改良上有著較大的突破。F119發動機所使用的詳細材質和工藝情況具體如下：
在軍用發動機中，復合材料用量大約占結構重量的3％。F119也采用了大量復合材料，如風扇外涵道就采用PMR15聚酰亞胺樹脂復合材料。據相關報道，F119還采用了大量由美國空軍自主研發的AFR700B超高溫樹脂基復合材料。AFR700B是以8單體為基的樹脂，其工作溫度比PMR-15高出55℃，可在371℃下工作1000小時，在316℃下工作10000小時，可用來代替鈦合金用作壓氣機的靜子結構和進氣道，也可用作后機身多用途導管。AFR700B是為代替PMR-Ⅱ-50研制的，前者的熱穩定性更高且易于制造。復合材料的應用可提高飛機的雷達及紅外隱身性能，被大規模應用到了F119發動機上。
PW公司向來都將軍民用發動機的先進技術進行相互移植，如F119的風扇基本都是照搬成熟的民用PW4084發動機所用的空心風扇葉片。這種葉片由鈦合金制造，其制造過程獨特，從鈦毛坯開始，先將毛坯切削加工成兩半部分，然后將兩半部分放在真空爐內進行擴散連接，再將葉片放在夾具中進行超塑成形得到氣動型面，最后放在成型模內在氬下進行成形，這種葉片的特點是無凸臺。
因為鈦合金在運轉過程中可能存在起火的問題，靜子將采用一種阻燃鈦合金，尾噴管和加力燃燒室也使用了這種防火鈦合金。該鈦合金使PW公司專門為F119開發的。合金牌號AlloyC（Tiadyne3515），成分為50Ti-35V-15Cr，密度為5.2克/厘米3，在425～595℃具有高的屈服強度及蠕變強度，遠高于Ti-6AL-2V-4鋯2Mo，其阻燃性優于Ti-6Al-4V。該鈦合金室溫變形性能好，冷軋及金成形時，延伸率可達40％～50％，同時它還具有良好的焊接及精密鑄造來的能力。為了阻燃，F119的葉片還使用鍍或鈦鋁化合物葉尖。
F119壓氣機的6、7、8、9級為整體葉盤，輪緣與輪心采用了不同熱處理制成，具有不同的晶粒尺寸，采用的合金為Tn100，其可使輪緣薄，減輕發動機重量，這種方法只能軍用于發動機。
該合金由PW的合作伙伴Inco跨國公司研制，它的膨脹系數比常用In718合金低20％，密度小6％，而強度兩者相當。該合金具有650℃抗氧化的能力。這種合金牌號為4005，其成分為42Ni、29.5Fe、18Co、6Al、1.5Ti。合金要求經過真空感應熔成電極，然后經真空電弧及電渣重熔。該合金不能使用鉻來防氧化。此外，Inoc公司還為F119的壓氣機、燃燒室及排氣系統機匣及環研制了另一種新型鎳-鈷-鈦基低膨脹系統高溫合金In783，其熱膨脹系數比Inoc718低20％，密度為7.78g/厘米3，抗氧化能力接近In718，且可保持在700℃以上。該合金的成為為28.5Ni，34Co，26Fe，54AI，3.0Nb，3.0Cr，0.1Ti。F、雙性能合金粉末盤F119采用單級對轉高壓及抵押渦輪轉子。為了優化材料的性能，渦輪盤將采用雙重熱處理，使輪緣為粗晶組織以滿足損傷容限要求，而輪心為細晶以滿足強度和低周疲勞性能的要求。輪心與輪緣可以通過擴散連接而成。
標準規范
F119的第一種生產發動機型根據美國軍用標準MIL-SID-879被命名為F119-PW-100。
故障與故障處理
航空發動機是高技術產品，尤其是F119采用了大量新技術、新工藝和新材料的發動機，在研制中很容易出現故障。如研制初期F119出現過風扇在低轉速下效率低而使這種狀態下的油耗增大和低壓渦輪振動等故障。1993年又出現了高壓渦輪轉子葉片振動應力與渦輪效率低于預計值的問題。F119在進入試驗約一個月后，高壓渦輪就出了故障。普惠公司用了11個月時間對此進行診斷，并進行了全面設計評審，美空軍為此單獨成立了評審小組對惠普的改進進行評定。后經惠普公司研究發現，振動應力是由于低壓渦輪導向器葉片激渡反射到高壓渦輪轉子葉片引起的，并通過加強渦輪轉子葉片強度與剛性、重新設計導向器葉片構形和增加葉片數，排除了故障。為了評審渦輪改進，普惠公司還進行了F119原型機試驗，試驗表明改進渦輪的轉子葉片上的應力幾乎為零。為進一步驗證高壓渦輪故障是否完全排除，普惠公司對Fx621F119又進行了10小時試驗，試驗證明完全達到了改進目的。
參考資料 >
日本展示新戰機發動機核心機原型 計劃渦前溫度達到F-22水平.觀察者.2024-02-21
中美俄隱身戰斗機發動機對比.荔枝網.2024-02-21
講武談兵丨百煉成鋼:造出一臺可靠的先進航空發動機有多難.澎湃新聞.2024-02-22
波音公司將發動機安裝到X-32A聯合攻擊戰斗機中。.國防日報.2024-02-22
洛克希德-波音-通用動力公司 YF-22.archive..2024-02-22
美國X-35B完成短距起飛/垂直著陸和超音速飛行.新浪網.2024-02-22