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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 2017-6-19 10:58:37 | 显示全部楼层 |阅读模式

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作者:Armstrong
来自空翼

  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。
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F404发动机外形图
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F414-GE-400外形图
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F414结构图

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 楼主| 发表于 2017-6-19 11:01:39 | 显示全部楼层
本帖最后由 万磁王 于 2017-6-19 12:27 编辑

  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”,相关资料:动物凶猛——波音F/A-18E/F“超级大黄蜂”舰载战斗机),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。

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 楼主| 发表于 2017-6-19 11:01:54 | 显示全部楼层
  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。
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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

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 楼主| 发表于 2017-6-19 11:02:10 | 显示全部楼层
  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。
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F414与F404的参数对比

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 楼主| 发表于 2017-6-19 11:02:37 | 显示全部楼层
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。
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F414采用模块化设计

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 楼主| 发表于 2017-6-19 11:02:55 | 显示全部楼层
  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。
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F414正面的进口导向叶片
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 楼主| 发表于 2017-6-19 11:03:20 | 显示全部楼层
  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。
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F414的燃烧室模块

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 楼主| 发表于 2017-6-19 11:03:35 | 显示全部楼层
  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。
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F414加力燃烧室的径向火焰稳定器
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F414尾喷管的钛合金鱼鳞片

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 楼主| 发表于 2017-6-19 11:03:48 | 显示全部楼层
  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。
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全加力试车中的F414

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 楼主| 发表于 2017-6-19 11:04:10 | 显示全部楼层
  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。
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“超级大黄蜂”的发动机维护,可以看到进气道内的雷达屏障

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