F414渦輪風扇發動機:發展過程,結構特性,核心機,進氣口,風扇,高壓壓氣機,燃燒

F414是通用電氣公司為滿足美國海軍對F/A-18“大黃蜂”戰鬥機最新發展型F/A-18E/F的要求而設計的加力式渦輪風扇發動機。

基本介紹

中文名：F414渦輪風扇發動機
加力推力：9780daN（9980公斤力）
推重比：9.1
直徑(mm)：875
涵道比：0.4

發展過程,結構特性,核心機,進氣口,風扇,高壓壓氣機,燃燒室,高壓渦輪,低壓渦輪,加力燃燒室,尾噴管,控制系統,材料與降噪,研製歷程,區別,性能改進,生產,技術數據,

發展過程

F414發動機以GE公司的F404和F412為基礎，因此曾被稱為F404的Ⅱ型推力增長型。

1991年開始研製。

1993年5月20日首次試車。

計畫於1995年12月首次試飛。

1998年定型並交付首台生產型發動機。

通用電氣公司在研製F414時充分吸取F404積累的使用經驗，採用GE23A、YF120、F412以及其他軍、民用發動機一些經過驗證的技術，因而研製工作進展順利，投資少、研製時間短，效果明顯。

F414的風扇與F118的相同，第1級風扇葉片帶中間凸台，第2和第3級為焊接的整體葉盤。通過1993年作的280多小時試驗證明，這種風扇的流量、效率、喘振裕度和抗畸變能力均超過或達到預定的目標，流量比F404-GE-400的大16%，重量輕20.4kg。F414的高壓壓氣機採用F412的7級設計，但前3級改為葉盤結構，以減少榫頭漏氣、減輕重量和提高效率。燃燒室和高壓渦輪是以F412為基礎發展的，低壓渦輪是一種先進設計。加力燃燒室採用了該公司為先進戰鬥機設計的F120發動機的結構。徑向火焰穩定器可用風扇後空氣冷卻，中心環形火焰穩定器沿圓周做成12段，可以自由膨脹，整套火焰穩定器可在發動機裝在飛機上的條件下進行更換，設計壽命為2000h，5700次點火。海平面和高空試驗證明，這種加力燃燒室不易發生振盪燃燒。尾噴管的設計採用了F110-GE-129 IPE的技術，裝有先進的陶瓷基複合材料的尾噴管調節片。

結構特性

核心機

F414的核心機設計來自通用電氣的F412非加力渦扇發動機，而這種發動機是為麥道/通用動力A-12“復仇者II”艦載隱身攻擊機研製的。“復仇者II”在1988年贏得了美國海軍先進戰術飛機（ATA）的競標，通用電氣為該機開始研製派生自F404的F412。

進氣口

環形。結構與F404的相同。

風扇

3級軸流式。第1級風扇葉片可拆換，帶有中間凸台。第2和第3級風扇為Ti17焊接成整體的葉盤。增壓比比F404的高15%，約為4.025。3級靜子和轉子葉片均為三維流設計。

高壓壓氣機

7級軸流式。鈦合金整體中介機匣和對開的壓氣機機匣。前3級轉子為葉盤結構，是在鍛坯上用電化學加工出來的。後4級轉子葉片通過燕尾形榫頭與盤連線。前2級轉子葉片材料為Ti17，後5級為IN718。前3級靜子葉片材料為鈦合金。

燃燒室

環形。火焰筒材料為Hastelloy X。18個鑄造的渦流器，18個雙錐燃油噴嘴。火焰筒採用雷射打孔的多孔結構進行冷卻。

高壓渦輪

1級軸流式。採用氣膜加衝擊冷卻方式。轉子葉片和導向器葉片材料均為單晶材料，葉身上有物理氣相沉積的隔熱塗層。

低壓渦輪

1級軸流式。氣冷設計。轉子葉片和導向器葉片均有物理氣相沉積的隔熱塗層。

加力燃燒室

結構與F404的相同，火焰穩定器由中央環狀V形火焰穩定器與12根徑向火焰穩定器組成。徑向火焰穩定器用風扇空氣冷卻。

尾噴管

收-擴式可調尾噴管，陶瓷基複合材料的尾噴管調節片。面積比為1.6。

控制系統

雙通道全權數字式電子控制(FADEC)，按風扇轉速和核心機壓比調節發動機工作，有故障隔離功能。

材料與降噪

目前在產F414的尾噴管二級封嚴片是用陶瓷基複合材料（CMC）製造的。根據通用電氣的說法，F414先後採用過兩種陶瓷基複合材料來製造二級封嚴片，首先是碳化矽/碳（SiC/C），也就是陶瓷級碳化矽纖維增強的碳基材；然後是氧化物/氧化物（Ox/Ox），也就是使用氧化鋁-莫來石陶瓷纖維增強的氧化鋁-氧化矽基材。2011年生產的F414開始安裝Ox/Ox材料製造的封嚴片。

但這兩種陶瓷基複合材料還無法承受高壓渦輪要面對的極端高溫，無法製成高壓渦輪壓片使用。通用電氣正在研究更有前途碳化矽/碳化矽（SiC/SiC）的陶瓷基複合材料，即碳化矽纖維增強的碳化矽基材。這種材料在塗上合適的環境障塗層（EBC）後能承受極端高溫，可以用來製造渦輪葉片、定子葉片或其他高溫部件。使用SiC/SiC材料製造的高壓渦輪葉片比鎳基高溫合金（如因科鎳718合金）葉片輕許多，而且更加堅固。

通用電氣表示SiC/SiC葉片能承受的工作溫度比高溫合金葉片高上許多，僅要求環境障塗層降低葉片工作溫度149攝氏度就能夠承受1649攝氏度的大型噴氣發動機渦輪進口溫度。通用電氣已經在美國海軍的能源工作小組項目中用一台F414發動機成功驗證了CMC渦輪葉片。測試發動機在第二級渦輪上安裝了SiC/SiC材料葉片，測試證明CMC葉片足夠堅固，能承受渦輪高溫和旋轉應力。

通用電氣對F414的另一項重大改進是降噪套件，其特點是通過在尾噴管封嚴片安裝鋸齒結構，來促進發動機核心、涵道和外部氣流之間的摻混，從而降低F414的全加力噪音。

“超級大黃蜂”從航母甲板彈射起飛時經常需要開全加力，降噪套件能降低“超級大黃蜂”和EA-18G在航母彈射器附近產生的噪音，保護甲板人員聽力。測試表明鋸齒降噪套件能把F414的人體感知噪聲降低2至3分貝，可能聽起來不是很多，但實際上能把每台F414產生的聲能降低50%。

研製歷程

但由於延遲和成本超支，A-12項目在1991年被取消，並引發了激烈的爭議和訴訟。好在通用電氣研製F412的努力沒有白費，麥道在1991年開始研究F/A-18“大黃蜂”戰鬥機的重大改型（後演變成F/A-18E/F“超級大黃蜂”），要求航程和作戰性能比現有“大黃蜂”大幅提高，通用電氣於是提出了採用F412先進技術的F414發動機概念。1993年5月20日，F414原型發動機進行了首次試車。

通用電氣通過把F412的核心機與F404低壓壓氣機以及F120變循環渦扇發動機的徑向火焰穩定器相結合創造出了F414。F120參加了美國空軍的先進戰術戰鬥機（ATF）發動機競爭，最後敗給了普惠F119，讓後者成為洛克希德F-22“猛禽”戰鬥機的動力裝置。但最終統計數據顯示F-22僅187架的產量使F119的生產數量遠小於F414，所以失之東隅，收之桑榆，通用電氣從美國海軍這裡獲得了回報。

為了使“超級大黃蜂”的後機身設計的改動最小化，美國海軍規定F414發動機必須能裝入與F404相同的發動機艙空間，但兩者安裝點有所不同。

於是F414的外部尺寸與F404相同，都是3912毫米長，最大直徑889毫米，這樣一來增加推力就成了艱巨任務。設計要求F414的每秒最大核心氣流比F404高出20%，最大加力推力比F404高出24%，為了滿足核心氣流和推力要求，通用電氣加大了F414風扇的等效直徑並提高了發動機整體增壓比。

最後通用電氣成功實現了設計目標。雖然F414的三級低壓風扇系統比F404的長了125毫米，但通用電氣通過把燃燒室長度縮短25毫米，把加力燃燒室長度縮短100毫米，使新發動機的總長度保持與F404一致。

區別

雖然F404和F414的風扇最大直徑都是889毫米，但F414的三級風扇採用了更先進的葉片氣動設計。此外，F414風扇的第二第三級是連成一體的轉子結構（也就是葉盤），成為一個單獨部件。這樣就使F414每級風扇的盤轂直徑都能小於F404，這意味著在風扇直徑相同的情況下，F414每級風扇的葉片都比F404長，增加了風扇的等效面積。再加上葉片的氣動改進，結果就是F414基本型的最大空氣流量從F404的64.41千克/秒提高到了77.11千克/秒。F414風扇的第一級葉片可拆換，帶有中間凸台。

雖然F404和F414都具有七級高壓壓氣機（HPC），但F414的高壓壓氣機包含兩個整體葉盤部件，其中之一是第一第二級壓氣機的串聯整體葉盤，其次是第三級壓氣機整體葉盤。通用電氣通過在F414的兩級風扇和三級高壓壓氣機上採用整體葉盤，從而取消了葉片與盤轂間的傳統燕尾榫接頭，不僅減重可觀，還提高了發動機的可靠性和耐用性。僅在風扇和壓氣機模組上，F414的零件數量就比F404少了484個。

與F404相比，F414的燃燒室在空氣動力學和材料上都有所改進。其貫流式環形燃燒室採用霧化燃料噴嘴，多孔冷卻結構火焰筒不僅提高了使用壽命，還降低了重量，據報導上面有30000個雷射鑽孔來降低側壁溫度。

與F404一樣，F414也採用單級高壓渦輪（HPT）和單級低壓渦輪（LPT）設計，並都由風扇引氣冷卻。F414的渦輪葉片由單晶合金製成，塗有熱障塗層以提高耐久性。F414基本型熱段有2000小時使用壽命，其他旋轉部件和結構部件有4000小時使用壽命。

與F404的環形加力燃燒室不同，F414的加力燃燒室採用了更先進的設計。其火焰穩定器由中心環狀V型穩定器與12根徑向穩定器組成．每根徑向穩定器均帶有隔熱罩，並由風扇引氣進行冷卻。兩種發動機之間的另一個區別是F414的尾噴管是燃油驅動的，而F404則由液壓驅動，這項改進能降低重量。F414的徑向火焰穩定器和尾噴管二級調節片和封嚴片都能在安裝在飛機上時單獨更換。

根據通用電氣的數據，F414重1152千克，僅比1023千克的F404高出129千克，但F414的軍用推力卻增加了約27%，從F404的4990千克（48.9千牛）增加到6350千克（62.3千牛），同時加力推力增加了24%，從F404的8028千克（78.7千牛）增加到9979千克（98千牛）。F414的總增壓比從F404的26提高到30，推重比從F404的7.8提高到9。

除了軍用推力比F404提高27.25%以外，F414還為“超級大黃蜂”的任務關鍵飛行包線區域提供更大的推力優勢。在近距空戰包線區域，F414能提供比F404高30%至40%的推力；在高空截擊任務中，F404的超音速推力也比F404提高了25%至30%；在低空空地任務中，F414的推力也高出40%，能增強飛機的生存能力。

除了使用F412的核心機外，F414的另一項重要改進就是引入F120的全許可權數字發動機控制（FADEC）單元。這是一種安裝在發動機上的雙通道FADEC單元，可以調節推力、管理燃油供應並控制發動機，並具有先進故障檢測功能，能對發動機系統的故障進行識別、報告和採用應對措施。

性能改進

通用電氣在F414發動機的後續改進上採用了一種新策略，那就是可以根據客戶的要求提供兩種工作模式，一種能延長發動機壽命，另一種能提高性能。

第一種改進型被稱為F414增強耐久性發動機（F414-EDE），推力與現有F414相同，但顯著提高了發動機的耐用性，除維修間隔時間延長，熱段壽命提高到了原先的大約三倍外，耗油率還能降低3%至4%。第二種改進型被稱為F414增強性能發動機（F414-EPE），發動機硬體部分與F414-EDE完全相同，只是FADEC使用不同的軟體，從而壓榨出比現有F414高出20%的推力。F414-EPE發動機在耐用性和熱段壽命上與現有F414相同，同時油耗能降低1%至2%。

F414改進項目作為美國海軍部分資助的聯合技術開發計畫的一部分啟動於2004年，通用電氣在2004年和2006年對F414增強耐久性發動機（F414-EDE）驗證機進行了兩次測試，在2010年和2011年進行的兩次測試中，驗證發動機達到了設計目標。

F414-EDE的改進之處有以下幾點：

首先F414-EDE的高壓壓氣機是6級而不是現有F414的7級。通用電氣在用現代三維計算流體力學（CFD）技術對F414的高壓壓氣機氣流進行分析後，決定增加每級壓氣機之間的間隔，並採用更先進的三維氣動設計葉片進。重新設計的高壓壓氣機和風扇使F414-EDE發動機的最大總流量提高到每秒84.8千克，比F414基本型高出10%。

其次，F414-EDE在高壓壓氣機和加力燃燒室上採用了先進冷卻設計，改善了發動機熱段和尾噴管高溫部件的耐用性。

F414-EDE還進行了其他方面的一些改進，提高了對異物損傷的總容忍度。

F414-EDE增加的核心氣流能使發動機在推力與F414基本型相同的情況下工作在更涼爽的環境下，為旋轉部件（特別是熱段）提供更高的溫度裕度，延長了熱段和限壽件的壽命，並增加了發動機的在翼時間。據通用電氣計算，F414-EDE能使美國海軍在“超級大黃蜂”機隊的剩餘服役時間中節約高達10億至20億美元的零件採購和大修成本，大幅降低飛機的生命周期成本。F414-EDE降低的3%至4%油耗相當於讓“超級大黃蜂”機隊每年節約1892萬升航空煤油。F414-EDE的另一個優點是增加引氣量用於冷卻航電或驅動氣動系統。

F414-EPE在硬體上與F414-EDE相同，同樣具有更高的核心氣流，只是FADEC單元運行不同的軟體，使發動機增推20%，最大推力高達11975千克（117.43千牛）。F414-EPE的油耗比現有F414低1%至2%，除了能增加引氣量外，還能驅動發電機提供更多電力。F414-EPE的在翼時間將與現有F414相同。

F414-EDE和F414-EPE的硬體通用性是一大賣點，客戶只需對FADEC進行軟體切換就能改變操作模式，比如在戰時使用EPE模式，在和平時期使用EDE模式。

生產

從1998年投產以來截至2015年6月，GE已經生產了1500台F414發動機，已累積超過300萬飛行小時。根據美國海軍的F414-400項目時間表，通用電氣在2016年底前已交付約300台F414-400發動機，該公司目前每年製造90至100台F414。

“超級大黃蜂”並不是F414的唯一裝機對象，印度選擇F414-INS6作為其超音速輕型戰鬥機（LCA）“光輝”Mark 2的動力裝置。F414在LCA Mk2的發動機競爭中擊敗EJ200獲得了99台初始訂單外加149台意向訂單，通用電氣預計至少可以向印度出口150台F414整機和相關備件，所以F414的生產至少會持續到20世紀20年代。

此外，瑞典空軍也為自己的薩博“鷹獅”NG）選擇了F414-39E發動機，通用電氣獲得了為瑞典空軍的70架和巴西空軍的36架“鷹獅”NG提供發動機的訂單。F414-39E派生型目前正在進行最後的發動機認證測試。2008年首飛的“鷹獅”NG驗證機安裝的是F414G發動機。F414-INS6和F414-39E是F414基本型的單發改型，並沒有採用EDE/EPE的技術。

技術數據

最大軍用推力：12500磅力（5556daN）

加力推力：22000磅力（9780daN）

推重比 9.1

涵道比 0.4

空氣流量：169磅/秒（76.66kg/s）

全長：154英寸（3912mm）

直徑：35英寸（875mm）

質量： 1109kg

用途：軍用/民用渦扇發動機

類型：渦輪風扇發動機

國家：美國

廠商：通用電氣公司航空發動機集團

生產現狀：研製中裝機對象

F414-GE-400：F/A-18E/F、Saab“鷹師”C(建議)。

F414渦輪風扇發動機