El General Electric YF120 , designado internamente como GE37 , fue un motor turbofán de postcombustión de ciclo variable diseñado por General Electric Aircraft Engines a fines de la década de 1980 y principios de la de 1990 para el programa Advanced Tactical Fighter (ATF) de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos . Fue diseñado para producir un empuje máximo en la clase de 35 000 lbf (156 kN). Los motores prototipo se instalaron en los dos aviones de demostración de tecnología en competencia, el Lockheed YF-22 y el Northrop YF-23 .
El F119 de Pratt & Whitney fue seleccionado en lugar del F120 para propulsar el ATF, cuya competición ganó el equipo de Lockheed y se convirtió en el F-22 Raptor .
General Electric (GE) comenzó a desarrollar el GE37, que se convertiría en la base del XF120 y el YF120, para el programa Joint Advanced Fighter Engine (JAFE) a principios de la década de 1980, destinado a suministrar el motor para el Advanced Tactical Fighter (ATF) de la Fuerza Aérea; JAFE luego pasó a llamarse programa ATF Engine (ATFE). La tecnología central utilizada en el diseño del F120 se desarrolló durante dos programas de la industria y el gobierno, los programas Advanced Technology Engine Gas Generator (ATEGG) y Joint Technology Demonstration Engine (JTDE). [1] El diseño estaba destinado a abordar el desafiante requisito de supercrucero del ATF. [2] Esto significaba que el motor tenía que producir una gran cantidad de empuje en seco (sin postcombustión) y, por lo tanto, tener una alta eficiencia fuera de diseño (el "diseño" es condiciones de crucero estándar). A diferencia de su competidor Pratt & Whitney , GE optó por no desarrollar un turbofán de derivación fija convencional y, en su lugar, eligió diseñar un motor de ciclo variable . [3] Otras innovaciones incluyen el uso de conjuntos de discos y álabes de rotor de una sola pieza, o "blisks", en las etapas de ventilador y compresor para aumentar el rendimiento y la durabilidad, así como reducir el peso y la cantidad de piezas. La solicitud de propuestas original exigía un empuje máximo en la clase de 30.000 lbf (133 kN). [4]
Debido al aumento de peso del ATF durante el desarrollo de 50.000 lb (22.700 kg) a 60.000 lb (27.200 kg), el requisito de empuje se incrementó en un 20% hasta la clase de 35.000 lbf (156 kN) para cumplir con los requisitos de rendimiento. El diseño de GE cambió para incorporar un ventilador un 12% más grande para aumentar el flujo de aire, así como el aire de refrigeración, en particular para las toberas. Para la demostración de vuelo, los YF120 fueron equipados con el ventilador más grande, a diferencia del YF119 que utilizó su pequeño ventilador original. Como resultado, ambos aviones de demostración tuvieron un mayor rendimiento con los YF120 que con los YF119. [5] El YF120 impulsó al YF-22 y al YF-23 a velocidades de supercrucero de Mach 1,58 y Mach 1,72 respectivamente. [6] [7]
La configuración de Desarrollo de Ingeniería y Fabricación (EMD) del F120 se probó en diciembre de 1990. Las mejoras de los componentes le permitieron alcanzar los niveles de empuje del YF120 a temperaturas más bajas. [8] La USAF finalmente eligió la propuesta F119 de Pratt & Whitney para el desarrollo y producción a gran escala. El diseño más ambicioso del F120 se consideró más arriesgado, y General Electric también acumuló menos horas de prueba que Pratt & Whitney. [9]
El YF120 también fue propuesto como la base para un motor más exótico, el motor de ciclo combinado basado en turbina (TBCC) que se iba a utilizar en aviones de demostración como el X-43B y futuros aviones hipersónicos. En concreto, el YF120 iba a ser la base del acelerador de turbina revolucionario (RTA-1). La tecnología de ciclo variable utilizada en el YF120 se ampliaría no solo para convertir el motor en un turborreactor sino también en un estatorreactor . En ese modo, todo el flujo de aire pasaría por alto el núcleo y se desviaría hacia el "hiperquemador" similar a un postquemador, donde se quemaría como un estatorreactor. Este motor propuesto debía acelerar de 0 a Mach 4,1 (a 56.000 pies) en ocho minutos. [10] [11]
La tecnología del YF120 se ha aplicado a los diseños posteriores de GE; en la década de 1990, GE y Rolls-Royce comenzaron a desarrollar conjuntamente el motor F136 para el programa Joint Strike Fighter , lo que dio como resultado que Lockheed Martin fuera seleccionada para desarrollar y producir el F-35 Lightning II . Si bien se basa en las lecciones aprendidas del YF120, el F136 es un diseño convencional de derivación fija; también aprovechó los avances en la tecnología de motores de turbina del programa Integrated High Performance Turbine Engine Technology (IHPTET), que continuó los desarrollos de ATEGG y JTDE. [12] A pesar de un mejor potencial de rendimiento que el actual Pratt & Whitney F135 debido a un núcleo de mayor tamaño para la entrada revisada del F-35, el F136 finalmente se canceló debido a la falta de financiación. [13]
A pesar de no haber seleccionado el YF120 para el ATF, la USAF promovería el desarrollo de la tecnología de motores de ciclo variable a través del programa Versatile Affordable Advanced Turbine Engines (VAATE), un esfuerzo conjunto del gobierno y la industria que apunta a abordar las futuras necesidades de motores de turbina. Bajo el programa VAATE, el programa Adaptive Versatile Engine Technology (ADVENT) continuaría el desarrollo de la tecnología de motores de turbina de ciclo variable en una arquitectura adaptativa de tres corrientes. [14] El programa Adaptive Engine Technology Demonstrator (AETD) y el Adaptive Engine Transition Program (AETP) resultaron en el desarrollo del GE XA100 y el P&W XA101 para la posible renovación de los motores del F-35; el programa Next Generational Adaptive Propulsion (NGAP) relacionado se lanzó para desarrollar el GE XA102 y el P&W XA103 para los programas Next Generation Air Dominance y F/A-XX , sucesores del ATF. [15] [16]
El YF120 es un turbofán de postcombustión de flujo axial de doble carrete. El diseño consta de un ventilador de dos etapas impulsado por la turbina de baja presión de una sola etapa y un compresor de cinco etapas impulsado por la turbina de alta presión de una sola etapa. Cabe destacar que el motor tiene dos canales de derivación que se encuentran en la parte delantera y trasera de la primera etapa del compresor del carrete de alta presión, también conocida como la etapa del ventilador impulsado por el núcleo; estos dos canales de derivación son clave para el funcionamiento del ciclo variable del motor. La cámara de combustión anular tiene un diseño de doble cúpula. Los carretes de alta y baja presión son contrarrotativos, lo que elimina los álabes estacionarios entre las turbinas y reduce la cantidad de piezas y el peso. [17] El motor está controlado por un sistema de control digital del motor de autoridad total (FADEC) refrigerado por combustible de tres canales . [18]
El sistema de ciclo variable del YF120 funcionaba variando la relación de derivación del motor para diferentes regímenes de vuelo, lo que permitía que el motor actuara como un turbofán de baja derivación o casi como un turborreactor . [3] Como turbofán de baja derivación (como el competidor F119 ), el motor funcionaba de manera similar a los motores comparables, con el canal de derivación de popa detrás de la etapa del ventilador impulsado por el núcleo abierto. Sin embargo, cuando era necesario, el motor podía dirigir más flujo de aire a través del núcleo caliente del motor (como un turborreactor) cerrando el canal de derivación de popa, lo que aumentaba el empuje específico del motor. Esto hacía que el motor fuera más eficiente a gran altitud y niveles de empuje elevados que un turbofán de baja derivación tradicional. La combinación de presión del ventilador con el núcleo se realizaba mediante un inyector de derivación de área variable (VABI). [19] [20]
Una desventaja esperada de este sistema de ciclo variable sería el aumento de la complejidad y el peso. GE afirma haberlo combatido utilizando válvulas simples accionadas por presión en lugar de válvulas complejas accionadas mecánicamente para desviar el flujo de aire. GE afirmó que este sistema dio como resultado que el sistema de ciclo variable agregara solo 10 libras al motor. [3] Además, se esperaba que un motor F120 de producción tuviera un 40% menos de piezas que el motor F110 . [12]
El YF120 tenía diferentes diseños de boquillas para los prototipos demostradores de tecnología YF-22 y YF-23 adaptados a la estructura del avión específico.
El motor del YF-22 contaba con una tobera de empuje vectorial bidimensional que podía orientarse en la dirección de cabeceo. Esta capacidad le dio al avión una importante ventaja en agilidad de cabeceo al aumentar en gran medida la cantidad de momento de cabeceo del morro disponible para el avión. El momento de cabeceo lo genera tradicionalmente el estabilizador horizontal (y/o el canard, si corresponde), pero con una tobera de empuje vectorial ese momento puede aumentarse con el empuje del motor. Durante las demostraciones de alto ángulo de ataque, el YF-22 con motor YF120 voló a un ángulo de ataque compensado de 60 grados a 82 nudos. En esta actitud, el avión pudo demostrar capacidad de control. Un análisis posterior reveló que el avión podría haber mantenido un vuelo controlado y compensado hasta 70 grados de ángulo de ataque. [21] Las formas de cuña de los flaps de la tobera también reducen la firma infrarroja al aplanar la columna de escape y mezclarla con vórtices desprendidos para enfriar. [22]
En el YF-23, en lugar de una tobera de vectorización de empuje, el motor tenía una tobera de rampa de expansión simple (SERN), con la parte superior compuesta por un flap externo variable, o paleta, para controlar el área de la tobera mientras que la parte inferior era una rampa fija. Los motores estaban colocados bastante por delante del borde de salida del fuselaje trasero del YF-23, donde cada tobera pasa a una zanja en la parte superior del fuselaje trasero que está revestida con material resistente al calor. Esto permite que la columna de escape se enfríe rápidamente antes de salir del avión, lo que reduce significativamente la firma infrarroja, particularmente cuando se ve desde abajo; las zanjas en la cubierta trasera estaban revestidas con baldosas que se "enfriaban por transpiración" a partir del aire purgado del motor para soportar el calor del escape. [22]
Datos de Aronstein, [23] Pace, [24] Norris [12]
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