Articulo de referencia

Pratt & Whitney F135

El Pratt & Whitney F135 es un turbofán con postcombustión desarrollado para el Lockheed Martin F-35 Lightning II , un caza de ataque monomotor. Tiene dos variantes: una variante...

El Pratt & Whitney F135 es un turbofán con 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 el F-35C, y una variante de despegue corto y aterrizaje vertical ( STOVL ) de dos ciclos utilizada en el F-35B que incluye un ventilador de sustentación delantero . [ 1 ] Los primeros motores de producción se entregaron en 2009. [ 2 ]

Desarrollado a partir del motor Pratt & 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 postcombustión. [ 3 ] [ 4 ] El F135 compitió con el General Electric/Rolls-Royce F136 para propulsar el F-35.    

Desarrollo

El F135 se originó en Lockheed Corporation Skunk Works , con esfuerzos para desarrollar un caza de ataque STOVL furtivo para el Cuerpo de Marines de los EE. UU. bajo un proyecto DARPA de 1986 bajo los auspicios del programa Advanced STOVL (ASTOVL), un precursor temprano del Joint Strike Fighter (JSF) que resultó en el F-35. El ingeniero de Lockheed, Paul Bevilaqua, desarrolló y finalmente patentó un concepto de aeronave y un sistema de propulsión llamado Shaft-Driven Lift Fan (SDLF), y luego recurrió a Pratt & Whitney (P&W) para construir un motor demostrador. [ 5 ] [ 6 ] El demostrador de prueba en tierra usó el ventilador de la primera etapa de un motor F119 para el ventilador de sustentación. El ventilador y el núcleo del motor F100-PW-220 se usaron para el núcleo del motor demostrador, y la turbina de baja presión más grande del F100-PW-229 se usó para la turbina de baja presión del motor demostrador. La turbina de mayor tamaño se utilizó para proporcionar la potencia adicional necesaria para accionar el ventilador de sustentación a través del eje de baja presión, que se acoplaría mediante un embrague en modo STOVL. Finalmente, se añadió una tobera deflectora de empuje variable para completar el motor demostrador "F100-229- Plus ". [ N 1 ] Este motor demostrador terrestre probó el concepto de ventilador de sustentación accionado por eje y condujo al desarrollo del motor JSF. [ 8 ]

ASTOVL continuó bajo el programa Common Affordable Lightweight Fighter (CALF) en 1993 antes de ser finalmente fusionado en Joint Advanced Strike Technology (JAST), que fue renombrado JSF en 1995; bajo el programa JSF, los contratos para aeronaves demostradoras de concepto aptas para el vuelo fueron adjudicados en 1996 a Lockheed Martin y Boeing para los diseños de la aeronave y P&W para el sistema de propulsión inicial. [ N 2 ] P&W desarrolló el motor JSF a partir de su turbofán F119 , que impulsa el F-22 Raptor , como el "F119-JSF". Un sistema prototipo apto para el vuelo que incorporaba el ventilador de sustentación accionado por eje, designado "YF119-PW-611", fue probado en la aeronave demostradora de concepto Lockheed Martin X-35 y voló por primera vez en 2000. P&W también hizo otro prototipo, el "YF119-PW-614", para el competidor Boeing X-32 que tenía un sistema de sustentación directa. En las pruebas de vuelo, el X-35B pudo demostrar el STOVL despegando en 500 pies (150 m) , luego voló supersónico antes de aterrizar verticalmente. [ 9 ] El concepto X-35 superó al X-32 en la competencia del JSF y el YF119-611 formaría la base para el F135, que integra el núcleo del F119 con nuevos componentes optimizados para el JSF. [ 10 ]  

Maqueta del motor F135-PW-600 con ventilador de sustentación , soportes de alabeo y tobera de vectorización trasera, diseñada para la variante V/STOL del F-35B , en el Salón Aeronáutico de París de 2007.

El equipo F135 está compuesto 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 para la aeronave STOVL. Hamilton Sundstrand es responsable del sistema de control electrónico del motor, el sistema de actuación, el PMAG, la caja de engranajes y los sistemas de monitoreo de salud. Woodward, Inc. es responsable del sistema de combustible. El F135 se ensambla en una planta en Middletown, Connecticut . Algunas partes del motor se fabrican en Longueuil , Quebec, Canadá, [ 11 ] y en Polonia. [ 12 ] El primer sistema de propulsión de producción para servicio operativo estaba programado para entregarse en 2007 con el propósito de servir a los EE. UU., Reino Unido y otros clientes internacionales. Los primeros F-35 entraron en producción con los motores F135, pero el equipo GE / Rolls-Royce planeó desarrollar un motor de reemplazo, el F136, 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 del motor alternativo F136, pero el Congreso ha mantenido la financiación del programa. [ 13 ]

Una planta motriz F135-PW-100 en fase de pruebas en el Complejo de Desarrollo de Ingeniería Arnold (AEDC).

En 2009, P&W desarrolló una versión más duradera del motor F135 para aumentar la vida útil de las piezas clave. La vida útil de las piezas se redujo debido a que las secciones calientes del motor (específicamente la cámara de combustión y los álabes de la turbina de alta presión) funcionaban a temperaturas superiores a las esperadas. El motor de prueba se denomina XTE68/LF1 y se prevé que las pruebas comiencen en 2010. [ 14 ] Este rediseño ha provocado un "aumento sustancial de los costos". [ 15 ]

P&W esperaba entregar el F135 por debajo del costo del F119, a pesar de que era un motor más potente. [ 16 ] Sin embargo, en febrero de 2013 se encontró una pala de turbina agrietada durante una inspección programada. La grieta fue causada por operar a altas temperaturas de la turbina durante períodos más largos de lo habitual. [ 17 ] En diciembre de 2013, el blisk hueco del ventilador de la primera etapa falló al 77% de su vida útil esperada durante una prueba en tierra. Debía ser reemplazado por una pieza sólida que agregaba 6 lb (2,7 kg) de peso. [ 18 ] En 2013, un exempleado de P&W fue sorprendido intentando enviar "numerosas cajas" de información sensible sobre el F135 a Irán. [ 19 ]  

A pesar de los problemas, el motor número 100 se entregó en 2013. [ 20 ] El LRIP-6 se acordó en 2013 por 1.100 millones de dólares para 38 motores de varios tipos, lo que ayudó a disminuir el costo unitario. [ 21 ]

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 por las demoras en las entregas. [ 22 ] Su subdirector, el contralmirante Randy Mahr, afirmó que P&W detuvo sus esfuerzos de reducción de costos después de obtener el monopolio. [ 23 ] En 2013, el precio del F-135 aumentó en 4300 millones de dólares. [ 24 ]

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 empresa evaluó que la incertidumbre no representaba un riesgo para la seguridad del vuelo, pero suspendió las entregas de motores como resultado. Bogdan apoyó las acciones de P&W y dijo que el problema ahora radicaba en A&P Alloys, el proveedor. La Agencia de Gestión de Contratos de Defensa de EE. UU. escribió en junio de 2014 que la "continua mala gestión de proveedores de Pratt & Whitney es un factor principal del aumento de las notificaciones de problemas potenciales". A&P Alloys declaró que respaldaba 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: "Es flagrantemente injusto destruir el negocio de A&P sin permitirle el acceso a los materiales en cuestión" [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]

En julio de 2014 se produjo una falla incontrolada del rotor del ventilador mientras la aeronave se preparaba para el despegue. Los fragmentos atravesaron un tanque de combustible y provocaron un incendio, dejando en tierra a la flota de F-35. [ 28 ] Durante una maniobra de alta fuerza g tres semanas antes del vuelo, la flexión del motor causó una fricción excesiva en el sello entre el blisk del ventilador y el estator del ventilador, lo que inició la falla inminente. La fricción provocó una temperatura de más de 1000  °C (1900  °F), muy por encima del límite del material de 540  °C (1000  °F). Aparecieron microfisuras en las palas del ventilador de tercera etapa, según el director del programa Christopher Bogdan, lo que provocó que las palas se separaran del disco. Las palas dañadas perforaron un tanque de combustible y la mezcla de aire caliente con el combustible provocó el incendio. [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] Como solución a corto plazo, cada aeronave vuela con un perfil de vuelo específico para permitir que el sello del rotor desgaste una ranura de acoplamiento en el estator para evitar un roce excesivo. [ 32 ]

Pratt & Whitney logró cumplir sus objetivos de producción de 2015, pero los "problemas recurrentes de calidad de fabricación" en las palas de las turbinas y los sistemas de control electrónico obligaron a retirar motores de la flota. [ 33 ]

Diseño

Tobera de vectorización de empuje de la variante STOVL F135-PW-600
Diagrama del F-35B y aeronaves de despegue vertical más pequeñas.

Derivado del motor F119 , el F135 es un turbofán de postcombustión de flujo mixto que utiliza un núcleo similar al del F119 con un nuevo ventilador y turbina de baja presión. [ 34 ] Hay dos variantes del F135: las versiones -100 y -600. [ 1 ] Se menciona una versión -400, similar a la -100, cuya principal diferencia radica en el uso de materiales resistentes a la corrosión por sal. [ 35 ] [ 36 ] La versión -600 se describe a continuación con una explicación de los cambios en la configuración del motor que se producen para el vuelo estacionario. El motor y el sistema LiftSystem de Rolls-Royce conforman el Sistema Integrado de Propulsión con Ventilador de Elevación (ILFPS). [ 37 ] [ 38 ]

El empuje vertical para la versión STOVL se obtiene de un ventilador de sustentación de dos etapas (aproximadamente 46% [ 39 ] ) delante del motor, una tobera de escape vectorial (aproximadamente 46% [ 39 ] ) y una tobera en cada ala que utiliza aire del ventilador del conducto de derivación (aproximadamente 8% [ 39 ] ). Estas contribuciones a la sustentación 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. [ 39 ] Otra fuente proporciona valores de empuje de 20 000 lbf (89 kN) , 18 000 lbf (80 kN) y 3900 lbf (17 kN) respectivamente. [ 40 ]            

En esta configuración, la mayor parte del flujo de derivación se canaliza hacia las toberas de las alas, conocidas como postes de alabeo. Parte se utiliza para enfriar la tobera de escape trasera, conocida como tobera de conducto giratorio de 3 cojinetes (3BSD). [ 41 ] 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. [ 34 ]

La turbina de baja presión (BP) acciona el ventilador de sustentación mediante una extensión del eje en la parte frontal del rotor de BP y un embrague. El motor funciona como un turbofán de flujo separado con una relación de derivación mayor. [ 42 ] La potencia para accionar el ventilador —aproximadamente 30 000 shp (22 000 kW) [ 42 ] — se obtiene de la turbina de BP aumentando el área de la boquilla caliente. [ 42 ]  

Una mayor relación de derivación aumenta el empuje para la misma potencia del motor como consecuencia fundamental de la transferencia de potencia de un chorro propulsor de diámetro pequeño a uno de mayor diámetro. [ 43 ] Cuando el F135 proporciona sustentación vertical utilizando la mayor relación de derivación del ventilador de sustentación, el aumento de empuje es del 50 % [ 39 ] sin aumento en el flujo de combustible. El aumento de empuje es del 52 % [ 39 ] en vuelo convencional cuando se utiliza el postquemador, pero con un gran aumento en el flujo de combustible.

La transferencia de aproximadamente 1/3 [ 44 ] de la potencia disponible para el empuje de la tobera caliente al ventilador de sustentación reduce la temperatura y la velocidad del chorro de sustentación trasero que incide sobre el suelo. [ 44 ] El F-35 puede alcanzar un crucero limitado al 100% de potencia sin postquemadores a Mach  1.2 durante 150 millas (240 km; 130 millas náuticas) . [ 45 ]  

Al igual que el F119, el F135 cuenta con un aumentador sigiloso donde las barras de pulverización y los estabilizadores de llama tradicionales se reemplazan por gruesas paletas 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, contribuyendo al sigilo en el sector posterior. La tobera axisimétrica consta de quince aletas parcialmente superpuestas que crean un patrón dentado en el borde de salida. Esto crea vórtices desprendidos y reduce la firma infrarroja de la columna de escape. Se informa que su eficacia es comparable a la de las toberas en cuña del F119, a la vez que resulta sustancialmente más rentable y requiere menor mantenimiento. [ 46 ]

El motor utiliza sensores alimentados por energía termoeléctrica para monitorear el estado de los cojinetes de la turbina . [ 47 ]

Mejorar la fiabilidad del motor y facilitar su mantenimiento es un objetivo fundamental para el F135. El motor tiene menos piezas que otros motores similares, lo que mejora su fiabilidad. Todos los componentes reemplazables en línea (LRC) se pueden extraer y reemplazar con un conjunto de seis herramientas manuales comunes. [ 48 ] El sistema de gestión del estado del F135 está diseñado para proporcionar datos en tiempo real a los técnicos de mantenimiento en tierra. Esto les permite diagnosticar problemas y preparar las piezas de repuesto antes de que la aeronave regrese a la base. Según Pratt & Whitney, estos datos pueden ayudar a reducir drásticamente el tiempo de diagnóstico y reemplazo, hasta en un 94 % en comparación con los motores anteriores. [ 49 ]

Mejoras planificadas

Antes de que cualquier servicio emitiera un requerimiento para un motor mejorado, Pratt & Whitney había cooperado con la Armada de los EE. UU. en un plan de mejora en dos fases para el motor F135. Los objetivos de la Fase 1 son un aumento del 7-10 % en el empuje y una reducción del 5-7 % en el consumo de combustible. Los planes incluyen una mejor tecnología de refrigeración para las palas de la turbina; esto aumentaría la vida útil del motor y reduciría sustancialmente los costos de mantenimiento. El objetivo de la Fase 2 es trabajar con el Programa de Transición de Motores Adaptativos de la Fuerza Aérea de los EE. UU. , con la intención de introducir tecnología para un motor con una potencia nominal de 45 000  lb de empuje, que se utilizaría en un caza de sexta generación. [ 50 ]

La ruta de actualización de Pratt & Whitney para el F135 cambiaría varias veces, con los Bloques 1 y 2 convirtiéndose inicialmente en la Opción de Crecimiento 1 y 2. A finales de mayo de 2017, Pratt and Whitney anunció que la Opción de Crecimiento 1 del F135 había terminado las pruebas y estaba disponible para la producción. La actualización requiere el cambio del módulo de potencia en los motores más antiguos durante la revisión en depósito y puede insertarse sin problemas en los 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 6-10% de empuje en toda la envolvente de vuelo del F-35, al tiempo que obtiene una reducción del consumo de combustible del 5-6%. [ 51 ] 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 potencia (PTMS), proporcionando opciones para los operadores, por ejemplo, si desean actualizar a armas más pesadas. [ 52 ] Aunque la Opción de Crecimiento 2.0 se concibió inicialmente como un desarrollo posterior del F135 con un ventilador adaptativo para convertirse en el XA101 , un motor de ciclo adaptativo de tres flujos , Pratt & Whitney ha separado desde entonces el XA101 como un diseño completamente separado con un nuevo núcleo, mientras que la Opción de Crecimiento 1.0 evolucionaría para convertirse en el Paquete de Mejora del Motor F135 (EEP), posteriormente renombrado Actualización del Núcleo del Motor (ECU). [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] En 2023, la USAF optó por financiar el ECU para su posterior desarrollo y despliegue para 2029 para apoyar la actualización Block IV del F-35. [ 56 ]

Variantes

Un F-35C de la Armada de los Estados Unidos despegando del USS Abraham Lincoln con postcombustión.
  • F135-PW-100/400 : Se utiliza en las variantes F-35A de despegue y aterrizaje convencional (CTOL) y F-35C naval (CV); la variante naval incorpora materiales resistentes a la corrosión por sal [ 57 ].
  • F135-PW-600 : Utilizado en la variante F-35B de despegue corto y aterrizaje vertical (STOVL) [ 57 ]

Aplicaciones

Especificaciones (F135)

F135-PW-100/400

Datos de Pratt & Whitney, [ 4 ] Orden técnica TO-00-85-20, [ 58 ] Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos , [ 59 ] Key Publishing [ 60 ]

Características generales

  • Tipo: Turboventilador de doble eje, flujo axial y aumentado
  • Longitud: 220  pulgadas (5590  mm)
  • Diámetro: 46  pulgadas (1170  mm) máximo, 43  pulgadas (1090  mm) en la entrada del ventilador.
  • Peso en seco: 6422  lb (2910  kg)

Componentes

Actuación

F135-PW-600

Datos de Pratt & Whitney, [ 4 ] TO-00-85-20, [ 58 ] Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos [ 59 ]

Características generales

  • Tipo: Turbofán de doble eje, flujo axial, aumentado con ventilador de elevación remota accionado por eje
  • Longitud: 369  pulgadas (9370  mm)
  • Diámetro: 46  pulgadas (1170  mm) máximo, entrada del ventilador de 43  pulgadas (1090 mm), entrada del ventilador de elevación de 53 pulgadas (1350 mm).   
  • Peso en seco: 7260  lb (3290  kg)

Componentes

Actuación

  • Empuje máximo :
    • Empuje militar de 27.000  lbf (120 kN) 
    • 41.000  lbf (182  kN) con postcombustión
    • 40.650  lbf (181  kN) en vuelo estacionario
  • Relación de presión global : 28:1 (convencional), 29:1 (elevación motorizada),
  • Temperatura de entrada de la turbina: 3600  °F (1980  °C; 2260  K)

Véase también

Desarrollo relacionado

Motores comparables

  • General Electric/Rolls-Royce F136

Listas relacionadas

Referencias

Notas
  1. Otros conceptos STOVL explorados bajo ASTOVL incluyeron Lift-Plus-Lift/Cruise (LPLC) de Northrop Grumman , que tenía un motor de sustentación dedicado separado, Gas-Driven Lift Fan (GDLF) de McDonnell Douglas , que usaba el aire de purga del motor principal para alimentar un ventilador de sustentación, y desarrollos posteriores de vectorización de empuje de sustentación directa similar al motor Pegasus del Harrier . [ 7 ]
  2. En los planes iniciales, todos los primeros JSF iban a estar propulsados ​​por un motor derivado del turbofán F119 de Pratt & Whitney, destinado al F-22 Advanced Tactical Fighter (ATF), pero se planeó que los contratos de motores se licitarían de forma competitiva a partir del Lote 6, con General Electric/Allison Engine Company/Rolls-Royce desarrollando un motor derivado del YF120 (finalmente designado F136) como competidor.
  3. 51.000 lbf (227 kN) con postquemador sin instalar (sin potencia del eje y sin extracción de aire de purga del motor) [ 61 ]
Citas
  1. 1 2 "F135" . prattwhitney.com .
  2. "El motor F135 supera las 12.000 horas de prueba mientras Pratt & Whitney se prepara para entregar los primeros motores de producción" (2009). Comunicado de prensa de Pratt & Whitney. 28 de julio de 2009. Enlace a PR Newswire
  3. "El caza F-35 Joint Strike Fighter de Lockheed Martin logra su primer aterrizaje vertical" . lockheedmartin.com, comunicado de prensa, 18 de marzo de 2010.
  4. 1 2 3 "Motor F135" (PDF) . f135engine.com . Archivado del original (PDF) el 24 de septiembre de 2015. Recuperado el 29 de mayo de 2016 .
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  6. "Sistema de propulsión con ventilador de sustentación accionado por eje para el Joint Strike Fighter" Paul M. Bevilaqua, 53.er Foro Anual de la American Helicopter Society, Virginia Beach, 29 de abril - 1 de mayo de 1997. Fig. 6 Mapa de rendimiento de la turbina
  7. "McDonnell Douglas revisa el diseño del JAST" . Flight International . 20 de febrero de 1996.
  8. Bevilaqua, Paul M. (septiembre de 2005). "Sistema de propulsión de doble ciclo del Joint Strike Fighter" . Journal of Propulsion and Power . 21 (5): 778– 783. doi : 10.2514/1.15228 .
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  10. Connors, pág. 171.
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  • Cómo se fabrica el motor de avión de combate más potente del mundo - Sam Eckholm (Vídeo que muestra el F135 y su planta de fabricación)