Pratt & Whitney F119

El Pratt & Whitney F119 , designación de la compañía PW5000 , es un motor turbofán con postcombustión desarrollado por Pratt & Whitney para el programa Advanced Tactical Fighter (ATF), que dio como resultado el Lockheed Martin F-22 Raptor . El motor entrega un empuje de la clase 35,000 lbf (156 kN) y fue diseñado para vuelo supersónico sostenido sin postcombustión, o supercrucero ; el F119 permite que el F-22 alcance velocidades de supercrucero de hasta Mach 1.8. ^{[ N 1 ] [ 1 ] [ 2 ]} Las toberas del F119 incorporan vectorización de empuje que les permite dirigir el empuje del motor ±20° en el eje de cabeceo para darle al F-22 una maniobrabilidad mejorada.  

El F119 también sirve de base para el sistema de propulsión del Joint Strike Fighter (JSF), con variantes que impulsan tanto al Boeing X-32 como al Lockheed Martin X-35, prototipos del avión de combate. El X-35 ganó el concurso del 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. ^{[ 3 ]}  

El F119 surgió del programa Joint Advanced Fighter Engine (JAFE) a principios de la década de 1980, cuyo objetivo era suministrar la planta motriz para el Advanced Tactical Fighter (ATF) de la Fuerza Aérea y el Advanced Carrier-Based Multirole Fighter (VFMX) de la Armada. El diseño detallado de la propuesta de Pratt & Whitney, designada internamente como PW5000, comenzó cuando se publicó la solicitud de propuestas (RFP) para JAFE, posteriormente renombrado como programa ATF Engine (ATFE) tras la cancelación de VFMX, en mayo de 1983. ^{[ 4 ]} Los avances en la tecnología de motores, como los de los programas Advanced Turbine Engine Gas Generator (ATEGG) y Joint Technology Demonstration Engine (JTDE), permitieron que el diseño realizara más trabajo con menos etapas, ya que 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 contrarrotatorias, lo que redujo las fuerzas giroscópicas en el motor; se esperaba que la contrarrotación eliminara una fila de estatores de turbina para una interfaz de turbina de alta y baja presión sin álabes, lo que ahorraría peso y reduciría el número de piezas, pero esto finalmente no tuvo éxito y los estatores se mantuvieron. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Las etapas del ventilador y del compresor debían usar rotores de álabes 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 PW5000 tiene una baja relación de derivación, altas temperaturas de entrada del núcleo y de la turbina, y una tobera convergente-divergente totalmente variable para lograr un alto empuje específico en potencia intermedia o sin postcombustión. El combustor, llamado internamente Floatwall, eliminó las soldaduras para mitigar el crecimiento de grietas debido al ciclo térmico. La solicitud de propuestas original requería un empuje máximo de la clase 30 000 lbf (133 kN) para un peso bruto de la aeronave de 50 000 lb (22 700 kg) . ^{[ 7 ]}    

Pratt & Whitney y General Electric fueron seleccionados para fabricar motores prototipo, designados YF119 y YF120 respectivamente, para demostración y validación (Dem/Val). Ambos fabricantes de motores proporcionarían motores para los demostradores de tecnología y vuelo ATF Lockheed/Boeing/General Dynamics YF-22 y Northrop/McDonnell Douglas YF-23 . El peso creciente del ATF durante el desarrollo requirió más empuje para cumplir con los requisitos de rendimiento; a medida que el peso bruto aumentó a 60,000 lb (27,200 kg) , el empuje requerido aumentó en un 20% a más de 23,500 lbf (105 kN) en potencia militar/intermedia y clase de 35,000 lbf (156 kN) en postcombustión completa. ^{[ 8 ]} El diseño de Pratt & 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 el vuelo para los demostradores de vuelo de la ATF para evitar posibles problemas de fiabilidad. En cambio, el ventilador revisado se probó 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 inferior con los YF119 que con los YF120. ^{[ N 2 ] [ 8 ]}      

El 3 de agosto de 1991, Pratt & Whitney obtuvo el contrato de desarrollo a gran escala, o de ingeniería y desarrollo de fabricación (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 (un 50 % más) y priorizó la fiabilidad y el menor riesgo. ^{[ 8 ]}

Las pruebas en tierra de la configuración EMD F119 se realizaron por primera vez en febrero de 1993. ^{[ 8 ]} El desarrollo a gran escala inicialmente encontró problemas con la turbina de alta presión que causaron que el diseño no cumpliera con sus requisitos de eficiencia de combustible subsónico, o consumo específico de combustible (SFC), hasta en un 8%; los cambios de ingeniería en la turbina y el estator permitieron que el motor alcanzara dentro del 2% del requisito. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 6 ]} La configuración EMD del F119 para el EMD/producción F-22 , designada F119-PW-100, voló por primera vez en el vuelo inaugural de la aeronave el 7 de septiembre de 1997. ^{[ 11 ]} Se produjeron un total de 507 motores. ^{[ 12 ]} El Centro de Mantenimiento Pesado (HMC) del F119 para la revisión de depósito está ubicado en la Base de la Fuerza Aérea Tinker, Oklahoma, y ​​el primero en general se completó en 2013. ^{[ 13 ]}

Los avances en motores de turbina de ATEGG y JTDE continuaron con el programa Integrated High Performance Turbine Engine Technology (IHPTET), con aplicaciones en paquetes de mejora y derivados del F119. Las variantes prototipo YF119 impulsaron el Boeing X-32 y el demostrador de concepto del Lockheed Martin X-35 Joint Strike Fighter (JSF), y el posterior desarrollo a gran escala del derivado del F119 dio como resultado la familia de motores F135 que impulsa el Lockheed Martin F-35 Lightning II . ^{[ 5 ]} Los datos operativos también han permitido a Pratt & Whitney ajustar el software para aumentar el empuje dinámico en ciertas partes de la envolvente. ^{[ 14 ]}

Para el futuro del F119-PW-100, Pratt & Whitney obtuvo un contrato de 1.500 millones de dólares en febrero de 2025 para el mantenimiento de los motores. Junto con este mantenimiento, Pratt & Whitney también modernizará el motor con aspectos como la facilidad de mantenimiento, la disponibilidad y la modernización general ^{[ 15 ].}

El F119 es un turbofán de doble eje, flujo axial y bajo índice de derivación. Cuenta con un ventilador de tres etapas accionado por una turbina de baja presión de una sola etapa y un compresor de alta presión de seis etapas accionado por una turbina de alta presión de una sola etapa. El ventilador, sin cubierta, tiene álabes huecos de titanio de cuerda ancha y baja relación de aspecto, soldados por fricción lineal a los discos para formar rotores de álabes integrales (IBR) de una sola pieza, o blisks. Los estatores del ventilador y del compresor, así como la tobera de vectorización de empuje, utilizan una aleación de titanio resistente a la combustión denominada Aleación C, con la primera fila de álabes variables para aumentar el margen de entrada en pérdida y de sobretensión. La cámara de combustión anular Floatwall está revestida con material de alto contenido en cobalto para una mayor resistencia a la oxidación y durabilidad, y garantiza una combustión limpia del combustible y una menor generación de NOx . Dentro de la carcasa de escape de la turbina, los álabes de la turbina de alta presión están fabricados con superaleaciones monocristalinas y se enfrían por impacto utilizando aire del compresor de alta presión. Los carretes de alta y baja presión giran en sentido contrario. El requisito de que el ATF pueda volar a velocidad supersónica sin postquemadores resulta en una relación de derivación muy baja de 0,30 para el F119-PW-100 con el fin de lograr un alto empuje específico . El F119 tiene un control digital de motor de autoridad completa ( FADEC ) de doble redundancia , también conocido internamente como Control Electrónico Digital de Motor (DEEC), suministrado por Hamilton Standard y totalmente integrado en el sistema de gestión del vehículo del F-22, lo que hace que el motor sea altamente confiable, resistente a la entrada en pérdida y tolerante a entradas rápidas del acelerador. ^{[ 16 ]}

El postquemador de tres zonas (reducido de cuatro en el prototipo), o aumentador, contribuye al sigilo de la aeronave mediante inyectores de combustible integrados en gruesas paletas curvas recubiertas con materiales cerámicos absorbentes de radar (RAM). Estas paletas reemplazan las barras de pulverización de combustible y los soportes de llama tradicionales y bloquean la línea de visión de las turbinas. La tobera de vectorización de empuje bidimensional, rectangular y convergente-divergente, es totalmente variable tanto para la garganta convergente como para la salida divergente, lo que permite una alta relación de presión de la tobera y puede vectorizar ±20° en el eje de cabeceo, mejorando notablemente la autoridad de cabeceo de la aeronave al aumentar el momento de cabeceo de la cola con el empuje del motor; esto permite que el F-22 se mantenga controlable mientras vuela con un alfa compensado de más de 60°. La vectorización de empuje está totalmente integrada en el sistema de control de vuelo del F-22 para facilitar su manejo. La sección divergente de la boquilla rectangular consta de dos aletas en forma de cuña para lograr sigilo y también contribuye a una menor firma infrarroja al aplanar la columna de escape y facilitar su mezcla con el aire ambiente a través de vórtices desprendidos. ^{[ 17 ]}

El F119 pone un gran énfasis en la integración de sistemas humanos ; las características que facilitan el mantenimiento y servicio del motor incluyen un diseño modular como una carcasa dividida axialmente, cables y arneses codificados por colores y una reducción del número de herramientas manuales necesarias para el servicio a solo cinco. La mayoría de los componentes están en una sola profundidad y el servicio se puede realizar con ropa protectora contra materiales peligrosos. ^{[ 18 ]} El motor tiene una vida útil de diseño de 8650 ciclos acumulados totales, con inspección y revisión de la sección caliente aproximadamente cada 2000 horas y de la sección fría cada 4000 horas. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

Variantes prototipo

Si bien la tobera F119 de producción del F-22 incorpora boquillas rectangulares de vectorización de empuje, las variantes prototipo de otros aviones contaban con soluciones de toberas diferentes, adaptadas a la estructura del avión.

La tobera YF119 del YF-23 tenía una tobera de rampa de expansión simple (SERN) que consistía en una aleta de cuña variable, o paleta, en la parte superior para controlar el área de la tobera y una rampa fija en la parte inferior, que luego se transformaba en un canal en la parte superior de la cubierta trasera del fuselaje. Si bien la SERN carecía de capacidad de vectorización de empuje, permitía que los gases de escape se enfriaran aún más en los canales, reduciendo significativamente la firma infrarroja vista desde debajo de la aeronave; los canales en la cubierta trasera estaban revestidos con baldosas disipadoras de calor hechas de un material poroso llamado "Lamilloy" de Detroit Diesel Allison y " enfriadas por transpiración " con aire de purga del motor para soportar el calor de los gases de escape. ^{[ 17 ]}

Las variantes especializadas del motor YF119 en los aviones X-32 y X-35 contaban con provisiones para operaciones de despegue corto y aterrizaje vertical (STOVL). Ambos eran motores de clase de empuje de 40 000 lbf (178 kN) . El YF119-PW-614 del X-32 tenía una tobera de vectorización de empuje en el eje de cabeceo y válvulas que podían redirigir el escape del motor y el aire de purga para proporcionar sustentación directa, similar al motor Pegasus del Harrier . En contraste, el YF119-PW-611 del X-35 tenía una tobera axisimétrica redonda que podía girar hacia abajo mientras el carrete de baja presión accionaba un ventilador de sustentación que se activaba mediante un embrague; el aire de derivación del motor también se dirigía a los soportes de alabeo para obtener sustentación y estabilidad adicionales. El X-35 ganó la competición 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. ^{[ 21 ]}  

• YF119-PW-100L : Motor prototipo para el YF-22 ; con una potencia nominal de 30 000 lbf de empuje.
• YF119-PW-100N : Motor prototipo para el YF-23 ; con una potencia nominal de 30 000 lbf de empuje.
• F119-PW-100 : Motor de producción para el F-22A con ventilador más grande y mayor relación de derivación (BPR), clasificado para una clase de empuje de 35 000 lbf.
• YF119-PW-611 : Motor prototipo para el X-35 ; con una potencia nominal de 40.000 lbf de empuje.
• YF119-PW-614 : Motor prototipo para el X-32 ; con una potencia nominal de 40.000 lbf de empuje.

• 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)
• Rockwell B-1R Lancer (Propuesto) (F119-PW-100)

Datos de Aronstein & Hirschberg, ^{[ 8 ] [ 5 ]} Pratt & Whitney, ^{[ 22 ]} RAND, ^{[ 11 ]} Aviation Week, ^{[ 23 ]} USAF TO-00-85-20. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

Características generales

• Tipo: Turboventilador de doble eje y flujo axial aumentado
• Longitud: 196  pulgadas (497,8  cm) con las aletas de la boquilla abiertas ^{[ N 3 ]}
• Diámetro: 97  cm (38  pulgadas) de entrada, 122  cm (48  pulgadas) de longitud total, 127  cm (50  pulgadas) de longitud máxima.
• Peso en seco: Aprox. 5000  lb (2270  kg) en total ^{[ 25 ] [ N 4 ]}

Componentes

• Compresor: Ventilador de 3 etapas, compresor de alta presión de 6 etapas.
• Relación de derivación : 0,30:1
• Cámaras de combustión : Cámara de combustión anular
• Turbina : Turbinas contrarrotatorias de 1 etapa de alta presión y 1 etapa de baja presión.
• Boquilla : vectorización bidimensional convergente-divergente
• Tipo de combustible: JP-8

Actuación

• Empuje máximo :
  • 26.000  lbf (116  kN) (potencia militar/intermedia)
  • >35.000  lbf (156  kN) (con postcombustión ) ^{[ N 5 ] [ 28 ]}
• Relación de presión total : 26:1
• Temperatura de entrada de la turbina: 3000  °F (1649  °C; 1922  K)
• Relación empuje-peso : 5,2:1 (intermedio), 7,0:1 (postcombustión)

Desarrollo relacionado

• Pratt & Whitney F135

Motores comparables

• General Electric YF120
• Saturno AL-41
• Saturno AL-51
• Xian WS-15

Listas relacionadas

• Lista de motores de aeronaves

• Pratt & Whitney F119
• Página F119 en GlobalSecurity.org