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[军事] 详解“超级大黄蜂”之心,通用电气的F414涡扇发动机

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发表于 2017-6-18 12:10 PM |显示全部楼层








详解“超级大黄蜂”之心,通用电气的F414涡扇发动机 

 2017-06-18 Armstrong 空军之翼

  通用电气公司为波音F/A-18E/F“超级大黄蜂”以及EA-18G“咆哮者”研制的F414是一种优秀的中等推力战斗机涡扇发动机,虽然以F404为基础研制,但这种低涵道比双转子涡扇发动机基本是一种全新的设计。


F404发动机外形图


F414-GE-400外形图


F414结构图

  F414的核心机设计来自通用电气的F412非加力涡扇发动机,而这种发动机是为麦道/通用动力A-12“复仇者II”舰载隐身攻击机研制的。“复仇者II”在1988年赢得了美国海军先进战术飞机(ATA)的竞标,通用电气为该机开始研制派生自F404的F412。

  但由于延迟和成本超支,A-12项目在1991年被取消,并引发了激烈的争议和诉讼。好在通用电气研制F412的努力没有白费,麦道在1991年开始研究F/A-18“大黄蜂”战斗机的重大改型(后演变成F/A-18E/F“超级大黄蜂”),要求航程和作战性能比现有“大黄蜂”大幅提高,通用电气于是提出了采用F412先进技术的F414发动机概念。1993年5月20日,F414原型发动机进行了首次试车。


F412原型机

  通用电气通过把F412的核心机与F404低压压气机以及F120变循环涡扇发动机的径向火焰稳定器相结合创造出了F414。F120参加了美国空军的先进战术战斗机(ATF)发动机竞争,最后败给了普惠F119,让后者成为洛克希德F-22“猛禽”战斗机的动力装置。但最终统计数据显示F-22仅187架的产量使F119的生产数量远小于F414,所以失之东隅,收之桑榆,通用电气从美国海军这里获得了回报。


最终统计数据显示F-22仅187架的产量使F119的生产数量远小于F414,所以失之东隅,收之桑榆,通用电气从美国海军这里获得了回报

  为了使“超级大黄蜂”的后机身设计的改动最小化,美国海军规定F414发动机必须能装入与F404相同的发动机舱空间,但两者安装点有所不同。

  于是F414的外部尺寸与F404相同,都是3912毫米长,最大直径889毫米,这样一来增加推力就成了艰巨任务。设计要求F414的每秒最大核心气流比F404高出20%,最大加力推力比F404高出24%,为了满足核心气流和推力要求,通用电气加大了F414风扇的等效直径并提高了发动机整体增压比。

  最后通用电气成功实现了设计目标。虽然F414的三级低压风扇系统比F404的长了125毫米,但通用电气通过把燃烧室长度缩短25毫米,把加力燃烧室长度缩短100毫米,使新发动机的总长度保持与F404一致。


F414与F404的参数对比


F414的结构和设计特点

  虽然F404和F414的风扇最大直径都是889毫米,但F414的三级风扇采用了更先进的叶片气动设计。


F414采用模块化设计

  此外,F414风扇的第二第三级是连成一体的转子结构(也就是叶盘),成为一个单独部件。这样就使F414每级风扇的盘毂直径都能小于F404,这意味着在风扇直径相同的情况下,F414每级风扇的叶片都比F404长,增加了风扇的等效面积。再加上叶片的气动改进,结果就是F414基本型的最大空气流量从F404的64.41千克/秒提高到了77.11千克/秒。F414风扇的第一级叶片可拆换,带有中间凸台。


F414正面的进口导向叶片

  虽然F404和F414都具有七级高压压气机(HPC),但F414的高压压气机包含两个整体叶盘部件,其中之一是第一第二级压气机的串联整体叶盘,其次是第三级压气机整体叶盘。通用电气通过在F414的两级风扇和三级高压压气机上采用整体叶盘,从而取消了叶片与盘毂间的传统燕尾榫接头,不仅减重可观,还提高了发动机的可靠性和耐用性。仅在风扇和压气机模块上,F414的零件数量就比F404少了484个。

  与F404相比,F414的燃烧室在空气动力学和材料上都有所改进。其贯流式环形燃烧室采用雾化燃料喷嘴,多孔冷却结构火焰筒不仅提高了使用寿命,还降低了重量,据报道上面有30000个激光钻孔来降低侧壁温度。


F414的燃烧室模块

  与F404一样,F414也采用单级高压涡轮(HPT)和单级低压涡轮(LPT)设计,并都由风扇引气冷却。F414的涡轮叶片由单晶合金制成,涂有热障涂层以提高耐久性。F414基本型热段有2000小时使用寿命,其他旋转部件和结构部件有4000小时使用寿命。

  与F404的环形加力燃烧室不同,F414的加力燃烧室采用了更先进的设计。其火焰稳定器由中心环状V型稳定器与12根径向稳定器组成.每根径向稳定器均带有隔热罩,并由风扇引气进行冷却。两种发动机之间的另一个区别是F414的尾喷管是燃油驱动的,而F404则由液压驱动,这项改进能降低重量。F414的径向火焰稳定器和尾喷管二级调节片和封严片都能在安装在飞机上时单独更换。


F414加力燃烧室的径向火焰稳定器


F414尾喷管的钛合金鱼鳞片

  根据通用电气的数据,F414重1152千克,仅比1023千克的F404高出129千克,但F414的军用推力却增加了约27%,从F404的4990千克(48.9千牛)增加到6350千克(62.3千牛),同时加力推力增加了24%,从F404的8028千克(78.7千牛)增加到9979千克(98千牛)。F414的总增压比从F404的26提高到30,推重比从F404的7.8提高到9。


全加力试车中的F414

  除了军用推力比F404提高27.25%以外,F414还为“超级大黄蜂”的任务关键飞行包线区域提供更大的推力优势。在近距空战包线区域,F414能提供比F404高30%至40%的推力;在高空截击任务中,F404的超音速推力也比F404提高了25%至30%;在低空空地任务中,F414的推力也高出40%,能增强飞机的生存能力。

  除了使用F412的核心机外,F414的另一项重要改进就是引入F120的全权限数字发动机控制(FADEC)单元。这是一种安装在发动机上的双通道FADEC单元,可以调节推力、管理燃油供应并控制发动机,并具有先进故障检测功能,能对发动机系统的故障进行识别、报告和采用应对措施。


“超级大黄蜂”的发动机维护,可以看到进气道内的雷达屏障


陶瓷基复合材料与降噪套件

  目前在产F414的尾喷管二级封严片是用陶瓷基复合材料(CMC)制造的。根据通用电气的说法,F414先后采用过两种陶瓷基复合材料来制造二级封严片,首先是碳化硅/碳(SiC/C),也就是陶瓷级碳化硅纤维增强的碳基材;然后是氧化物/氧化物(Ox/Ox),也就是使用氧化铝-莫来石陶瓷纤维增强的氧化铝-氧化硅基材。2011年生产的F414开始安装Ox/Ox材料制造的封严片。


现有F414的CMC封严片有两种,一种是这种全白的,应该是Ox-Ox材料


另一种是这种带白点的,应该是SiC-C材料

  但这两种陶瓷基复合材料还无法承受高压涡轮要面对的极端高温,无法制成高压涡轮压片使用。通用电气正在研究更有前途碳化硅/碳化硅(SiC/SiC)的陶瓷基复合材料,即碳化硅纤维增强的碳化硅基材。这种材料在涂上合适的环境障涂层(EBC)后能承受极端高温,可以用来制造涡轮叶片、定子叶片或其他高温部件。使用SiC/SiC材料制造的高压涡轮叶片比镍基高温合金(如因科镍718合金)叶片轻许多,而且更加坚固。

  通用电气表示SiC/SiC叶片能承受的工作温度比高温合金叶片高上许多,仅要求环境障涂层降低叶片工作温度149摄氏度就能够承受1649摄氏度的大型喷气发动机涡轮进口温度。通用电气已经在美国海军的能源工作小组项目中用一台F414发动机成功验证了CMC涡轮叶片。测试发动机在第二级涡轮上安装了SiC/SiC材料叶片,测试证明CMC叶片足够坚固,能承受涡轮高温和旋转应力。


安装CMC叶片的F414测试机

  通用电气对F414的另一项重大改进是降噪套件,其特点是通过在尾喷管封严片安装锯齿结构,来促进发动机核心、涵道和外部气流之间的掺混,从而降低F414的全加力噪音。



F414的锯齿封严片

  “超级大黄蜂”从航母甲板弹射起飞时经常需要开全加力,降噪套件能降低“超级大黄蜂”和EA-18G在航母弹射器附近产生的噪音,保护甲板人员听力。测试表明锯齿降噪套件能把F414的人体感知噪声降低2至3分贝,可能听起来不是很多,但实际上能把每台F414产生的声能降低50%。


锯齿外形能降低F414的全加力噪音


虽然看起来像F-35的锯齿尾喷管,但并不是为隐身研制的


鱼与熊掌

  通用电气在F414发动机的后续改进上采用了一种新策略,那就是可以根据客户的要求提供两种工作模式,一种能延长发动机寿命,另一种能提高性能。

  第一种改进型被称为F414增强耐久性发动机(F414-EDE),推力与现有F414相同,但显著提高了发动机的耐用性,除维修间隔时间延长,热段寿命提高到了原先的大约三倍外,耗油率还能降低3%至4%。第二种改进型被称为F414增强性能发动机(F414-EPE),发动机硬件部分与F414-EDE完全相同,只是FADEC使用不同的软件,从而压榨出比现有F414高出20%的推力。F414-EPE发动机在耐用性和热段寿命上与现有F414相同,同时油耗能降低1%至2%。


F414-EDE EPE的改进在于低压压气机、高压压气机和燃烧室模块上,对现有F414升级没有经济性可言

  F414改进项目作为美国海军部分资助的联合技术开发计划的一部分启动于2004年,通用电气在2004年和2006年对F414增强耐久性发动机(F414-EDE)验证机进行了两次测试,在2010年和2011年进行的两次测试中,验证发动机达到了设计目标。

  F414-EDE的改进之处有以下几点:

  首先F414-EDE的高压压气机是6级而不是现有F414的7级。通用电气在用现代三维计算流体力学(CFD)技术对F414的高压压气机气流进行分析后,决定增加每级压气机之间的间隔,并采用更先进的三维气动设计叶片进。重新设计的高压压气机和风扇使F414-EDE发动机的最大总流量提高到每秒84.8千克,比F414基本型高出10%。


F414-EDE/EPE的全新6级高压压气机

  其次,F414-EDE在高压压气机和加力燃烧室上采用了先进冷却设计,改善了发动机热段和尾喷管高温部件的耐用性。

  F414-EDE还进行了其他方面的一些改进,提高了对异物损伤的总容忍度。

  F414-EDE增加的核心气流能使发动机在推力与F414基本型相同的情况下工作在更凉爽的环境下,为旋转部件(特别是热段)提供更高的温度裕度,延长了热段和限寿件的寿命,并增加了发动机的在翼时间。据通用电气计算,F414-EDE能使美国海军在“超级大黄蜂”机队的剩余服役时间中节约高达10亿至20亿美元的零件采购和大修成本,大幅降低飞机的生命周期成本。F414-EDE降低的3%至4%油耗相当于让“超级大黄蜂”机队每年节约1892万升航空煤油。F414-EDE的另一个优点是增加引气量用于冷却航电或驱动气动系统。

  F414-EPE在硬件上与F414-EDE相同,同样具有更高的核心气流,只是FADEC单元运行不同的软件,使发动机增推20%,最大推力高达11975千克(117.43千牛)。F414-EPE的油耗比现有F414低1%至2%,除了能增加引气量外,还能驱动发电机提供更多电力。F414-EPE的在翼时间将与现有F414相同。

  F414-EDE和F414-EPE的硬件通用性是一大卖点,客户只需对FADEC进行软件切换就能改变操作模式,比如在战时使用EPE模式,在和平时期使用EDE模式。


F414的生产

  从1998年投产以来截至2015年6月,GE已经生产了1500台F414发动机,已累积超过300万飞行小时。根据美国海军的F414-400项目时间表,通用电气在2016年底前已交付约300台F414-400发动机,该公司目前每年制造90至100台F414。

  “超级大黄蜂”并不是F414的唯一装机对象,印度选择F414-INS6作为其超音速轻型战斗机(LCA)“光辉”Mark 2(关资料:具有印度特色的战斗机研发项目——LCA“光辉”)的动力装置。F414在LCA Mk2的发动机竞争中击败EJ200获得了99台初始订单外加149台意向订单,通用电气预计至少可以向印度出口150台F414整机和相关备件,所以F414的生产至少会持续到20世纪20年代。

  此外,瑞典空军也为自己的萨博“鹰狮”NG(相关资料:萨博的经济适用型小钢炮(下)——新一代“鹰狮”E战斗机)选择了F414-39E发动机,通用电气获得了为瑞典空军的70架和巴西空军的36架“鹰狮”NG提供发动机的订单。F414-39E派生型目前正在进行最后的发动机认证测试。2008年首飞的“鹰狮”NG验证机安装的是F414G发动机。F414-INS6和F414-39E是F414基本型的单发改型,并没有采用EDE/EPE的技术。


F404/F414发展脉络

  波音公司目前正在向美国海军力推F/A-18XT Block III,该机基本上就是重换包装的“先进超级大黄蜂”(相关资料:旧瓶新酒,详解波音“沉默大黄蜂”),其一大卖点就是F414-EPE增推发动机。如果美国海军同意采购,那么作为世界最佳中推之一的F414将焕发第二次生机 。


波音力推的超级大黄蜂BlockIII一大卖点就是F414-EPE

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