詳解“超級大黃蜂”之心，通用電氣的F414渦扇發(fā)動機

通用電氣公司爲波音F/A-18E/F“超級大黃蜂”以及EA-18G“咆哮者”研制的F414是一種(zhǒng)優秀的中等推力戰鬥機渦扇發(fā)動機，雖然以F404爲基礎研制，但這(zhè)種(zhǒng)低涵道(dào)比雙轉子渦扇發(fā)動機基本是一種(zhǒng)全新的設計。
 
F404發(fā)動機外形圖
 
F414-GE-400外形圖
 
F414結構圖
　　F414的核心機設計來自通用電氣的F412非加力渦扇發(fā)動機，而這(zhè)種(zhǒng)發(fā)動機是爲麥道(dào)/通用動力A-12“複仇者II”艦載隐身攻擊機研制的。“複仇者II”在1988年赢得了美國(guó)海軍先進(jìn)戰術飛機（ATA）的競标，通用電氣爲該機開(kāi)始研制派生自F404的F412。
　　但由于延遲和成(chéng)本超支，A-12項目在1991年被取消，并引發(fā)了激烈的争議和訴訟。好(hǎo)在通用電氣研制F412的努力沒(méi)有白費，麥道(dào)在1991年開(kāi)始研究F/A-18“大黃蜂”戰鬥機的重大改型（後(hòu)演變成(chéng)F/A-18E/F“超級大黃蜂”，相關資料：動物兇猛（四 E/F）——波音F/A-18E/F“超級大黃蜂”艦載戰鬥機），要求航程和作戰性能(néng)比現有“大黃蜂”大幅提高，通用電氣于是提出了采用F412先進(jìn)技術的F414發(fā)動機概念。1993年5月20日，F414原型發(fā)動機進(jìn)行了首次試車。
 
F412原型機（相關資料：麥道(dào)A-12“複仇者II”艦載隐身攻擊機悲歌）
　　通用電氣通過(guò)把F412的核心機與F404低壓壓氣機以及F120變循環渦扇發(fā)動機的徑向(xiàng)火焰穩定器相結合創造出了F414。F120參加了美國(guó)空軍的先進(jìn)戰術戰鬥機（ATF）發(fā)動機競争，最後(hòu)敗給了普惠F119，讓後(hòu)者成(chéng)爲洛克希德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架的産量使F119的生産數量遠小于F414，所以失之東隅，收之桑榆，通用電氣從美國(guó)海軍這(zhè)裡(lǐ)獲得了回報。
 
最終統計數據顯示F-22僅187架的産量使F119的生産數量遠小于F414，所以失之東隅，收之桑榆，通用電氣從美國(guó)海軍這(zhè)裡(lǐ)獲得了回報
　　爲了使“超級大黃蜂”的後(hòu)機身設計的改動最小化，美國(guó)海軍規定F414發(fā)動機必須能(néng)裝入與F404相同的發(fā)動機艙空間，但兩(liǎng)者安裝點有所不同。
　　于是F414的外部尺寸與F404相同，都(dōu)是3912毫米長(cháng)，最大直徑889毫米，這(zhè)樣一來增加推力就成(chéng)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%，爲了滿足核心氣流和推力要求，通用電氣加大了F414風扇的等效直徑并提高了發(fā)動機整體增壓比。
　　最後(hòu)通用電氣成(chéng)功實現了設計目标。雖然F414的三級低壓風扇系統比F404的長(cháng)了125毫米，但通用電氣通過(guò)把燃燒室長(cháng)度縮短25毫米，把加力燃燒室長(cháng)度縮短100毫米，使新發(fā)動機的總長(cháng)度保持與F404一緻。
 
F414與F404的參數對(duì)比

F414的結構和設計特點
　　雖然F404和F414的風扇最大直徑都(dōu)是889毫米，但F414的三級風扇采用了更先進(jìn)的葉片氣動設計。
 
F414采用模塊化設計
　　此外，F414風扇的第二第三級是連成(chéng)一體的轉子結構（也就是葉盤），成(chéng)爲一個單獨部件。這(zhè)樣就使F414每級風扇的盤毂直徑都(dōu)能(néng)小于F404，這(zhè)意味着在風扇直徑相同的情況下，F414每級風扇的葉片都(dōu)比F404長(cháng)，增加了風扇的等效面(miàn)積。再加上葉片的氣動改進(jìn)，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。
 
F414正面(miàn)的進(jìn)口導向(xiàng)葉片
　　雖然F404和F414都(dōu)具有七級高壓壓氣機（HPC），但F414的高壓壓氣機包含兩(liǎng)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(guò)在F414的兩(liǎng)級風扇和三級高壓壓氣機上采用整體葉盤，從而取消了葉片與盤毂間的傳統燕尾榫接頭，不僅減重可觀，還(hái)提高了發(fā)動機的可靠性和耐用性。僅在風扇和壓氣機模塊上，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(xué)和材料上都(dōu)有所改進(jìn)。其貫流式環形燃燒室采用霧化燃料噴嘴，多孔冷卻結構火焰筒不僅提高了使用壽命，還(hái)降低了重量，據報道(dào)上面(miàn)有30000個激光鑽孔來降低側壁溫度。
 
F414的燃燒室模塊
　　與F404一樣，F414也采用單級高壓渦輪（HPT）和單級低壓渦輪（LPT）設計，并都(dōu)由風扇引氣冷卻。F414的渦輪葉片由單晶合金制成(chéng)，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的加力燃燒室采用了更先進(jìn)的設計。其火焰穩定器由中心環狀V型穩定器與12根徑向(xiàng)穩定器組成(chéng)．每根徑向(xiàng)穩定器均帶有隔熱罩，并由風扇引氣進(jìn)行冷卻。兩(liǎng)種(zhǒng)發(fā)動機之間的另一個區别是F414的尾噴管是燃油驅動的，而F404則由液壓驅動，這(zhè)項改進(jìn)能(néng)降低重量。F414的徑向(xiàng)火焰穩定器和尾噴管二級調節片和封嚴片都(dōu)能(néng)在安裝在飛機上時單獨更換。
 
F414加力燃燒室的徑向(xiàng)火焰穩定器
 
F414尾噴管的钛合金魚鱗片
　　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。
 
全加力試車中的F414
　　除了軍用推力比F404提高27.25%以外，F414還(hái)爲“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(néng)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(néng)增強飛機的生存能(néng)力。
　　除了使用F412的核心機外，F414的另一項重要改進(jìn)就是引入F120的全權限數字發(fā)動機控制（FADEC）單元。這(zhè)是一種(zhǒng)安裝在發(fā)動機上的雙通道(dào)FADEC單元，可以調節推力、管理燃油供應并控制發(fā)動機，并具有先進(jìn)故障檢測功能(néng)，能(néng)對(duì)發(fā)動機系統的故障進(jìn)行識别、報告和采用應對(duì)措施。
 
“超級大黃蜂”的發(fā)動機維護，可以看到進(jìn)氣道(dào)内的雷達屏障

陶瓷基複合材料與降噪套件
　　目前在産F414的尾噴管二級封嚴片是用陶瓷基複合材料（CMC）制造的。根據通用電氣的說法，F414先後(hòu)采用過(guò)兩(liǎng)種(zhǒng)陶瓷基複合材料來制造二級封嚴片，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(hòu)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年生産的F414開(kāi)始安裝Ox/Ox材料制造的封嚴片。
 
現有F414的CMC封嚴片有兩(liǎng)種(zhǒng)，一種(zhǒng)是這(zhè)種(zhǒng)全白的，應該是Ox-Ox材料
 
另一種(zhǒng)是這(zhè)種(zhǒng)帶白點的，應該是SiC-C材料
　　但這(zhè)兩(liǎng)種(zhǒng)陶瓷基複合材料還(hái)無法承受高壓渦輪要面(miàn)對(duì)的極端高溫，無法制成(chéng)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(zhè)種(zhǒng)材料在塗上合适的環境障塗層（EBC）後(hòu)能(néng)承受極端高溫，可以用來制造渦輪葉片、定子葉片或其他高溫部件。使用SiC/SiC材料制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(néng)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(néng)夠承受1649攝氏度的大型噴氣發(fā)動機渦輪進(jìn)口溫度。通用電氣已經(jīng)在美國(guó)海軍的能(néng)源工作小組項目中用一台F414發(fā)動機成(chéng)功驗證了CMC渦輪葉片。測試發(fā)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(néng)承受渦輪高溫和旋轉應力。
 
安裝CMC葉片的F414測試機
　　通用電氣對(duì)F414的另一項重大改進(jìn)是降噪套件，其特點是通過(guò)在尾噴管封嚴片安裝鋸齒結構，來促進(jìn)發(fā)動機核心、涵道(dào)和外部氣流之間的摻混，從而降低F414的全加力噪音。
 
 
F414的鋸齒封嚴片
　　“超級大黃蜂”從航母甲闆彈射起(qǐ)飛時經(jīng)常需要開(kāi)全加力，降噪套件能(néng)降低“超級大黃蜂”和EA-18G在航母彈射器附近産生的噪音，保護甲闆人員聽力。測試表明鋸齒降噪套件能(néng)把F414的人體感知噪聲降低2至3分貝，可能(néng)聽起(qǐ)來不是很多，但實際上能(néng)把每台F414産生的聲能(néng)降低50%。
 
鋸齒外形能(néng)降低F414的全加力噪音
 
雖然看起(qǐ)來像F-35的鋸齒尾噴管，但并不是爲隐身研制的

魚與熊掌
　　通用電氣在F414發(fā)動機的後(hòu)續改進(jìn)上采用了一種(zhǒng)新策略，那就是可以根據客戶的要求提供兩(liǎng)種(zhǒng)工作模式，一種(zhǒng)能(néng)延長(cháng)發(fā)動機壽命，另一種(zhǒng)能(néng)提高性能(néng)。
　　第一種(zhǒng)改進(jìn)型被稱爲F414增強耐久性發(fā)動機（F414-EDE），推力與現有F414相同，但顯著提高了發(fā)動機的耐用性，除維修間隔時間延長(cháng)，熱段壽命提高到了原先的大約三倍外，耗油率還(hái)能(néng)降低3%至4%。第二種(zhǒng)改進(jìn)型被稱爲F414增強性能(néng)發(fā)動機（F414-EPE），發(fā)動機硬件部分與F414-EDE完全相同，隻是FADEC使用不同的軟件，從而壓榨出比現有F414高出20%的推力。F414-EPE發(fā)動機在耐用性和熱段壽命上與現有F414相同，同時油耗能(néng)降低1%至2%。
 
F414-EDE EPE的改進(jìn)在于低壓壓氣機、高壓壓氣機和燃燒室模塊上，對(duì)現有F414升級沒(méi)有經(jīng)濟性可言
　　F414改進(jìn)項目作爲美國(guó)海軍部分資助的聯合技術開(kāi)發(fā)計劃的一部分啓動于2004年，通用電氣在2004年和2006年對(duì)F414增強耐久性發(fā)動機（F414-EDE）驗證機進(jìn)行了兩(liǎng)次測試，在2010年和2011年進(jìn)行的兩(liǎng)次測試中，驗證發(fā)動機達到了設計目标。
　　F414-EDE的改進(jìn)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(xué)（CFD）技術對(duì)F414的高壓壓氣機氣流進(jìn)行分析後(hòu)，決定增加每級壓氣機之間的間隔，并采用更先進(jìn)的三維氣動設計葉片進(jìn)。重新設計的高壓壓氣機和風扇使F414-EDE發(fā)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%。
 
F414-EDE/EPE的全新6級高壓壓氣機
　　其次，F414-EDE在高壓壓氣機和加力燃燒室上采用了先進(jìn)冷卻設計，改善了發(fā)動機熱段和尾噴管高溫部件的耐用性。
　　F414-EDE還(hái)進(jìn)行了其他方面(miàn)的一些改進(jìn)，提高了對(duì)異物損傷的總容忍度。
　　F414-EDE增加的核心氣流能(néng)使發(fā)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，爲旋轉部件（特别是熱段）提供更高的溫度裕度，延長(cháng)了熱段和限壽件的壽命，并增加了發(fā)動機的在翼時間。據通用電氣計算，F414-EDE能(néng)使美國(guó)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20億美元的零件采購和大修成(chéng)本，大幅降低飛機的生命周期成(chéng)本。F414-EDE降低的3%至4%油耗相當于讓“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于冷卻航電或驅動氣動系統。
　　F414-EPE在硬件上與F414-EDE相同，同樣具有更高的核心氣流，隻是FADEC單元運行不同的軟件，使發(fā)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(néng)增加引氣量外，還(hái)能(néng)驅動發(fā)電機提供更多電力。F414-EPE的在翼時間將(jiāng)與現有F414相同。
　　F414-EDE和F414-EPE的硬件通用性是一大賣點，客戶隻需對(duì)FADEC進(jìn)行軟件切換就能(néng)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。

F414的生産
　　從1998年投産以來截至2015年6月，GE已經(jīng)生産了1500台F414發(fā)動機，已累積超過(guò)300萬飛行小時。根據美國(guó)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(fā)動機，該公司目前每年制造90至100台F414。
　　“超級大黃蜂”并不是F414的唯一裝機對(duì)象，印度選擇F414-INS6作爲其超音速輕型戰鬥機（LCA）“光輝”Mark 2（相關資料：具有印度特色的戰鬥機研發(fā)項目——LCA“光輝”）的動力裝置。F414在LCA Mk2的發(fā)動機競争中擊敗EJ200獲得了99台初始訂單外加149台意向(xiàng)訂單，通用電氣預計至少可以向(xiàng)印度出口150台F414整機和相關備件，所以F414的生産至少會持續到20世紀20年代。
　　此外，瑞典空軍也爲自己的薩博“鷹獅”NG（相關資料：薩博的經(jīng)濟适用型小鋼炮（下）——新一代“鷹獅”E戰鬥機）選擇了F414-39E發(fā)動機，通用電氣獲得了爲瑞典空軍的70架和巴西空軍的36架“鷹獅”NG提供發(fā)動機的訂單。F414-39E派生型目前正在進(jìn)行最後(hòu)的發(fā)動機認證測試。2008年首飛的“鷹獅”NG驗證機安裝的是F414G發(fā)動機。F414-INS6和F414-39E是F414基本型的單發(fā)改型，并沒(méi)有采用EDE/EPE的技術。
 
F404/F414發(fā)展脈絡
　　波音公司目前正在向(xiàng)美國(guó)海軍力推F/A-18XT Block III，該機基本上就是重換包裝的“先進(jìn)超級大黃蜂”（相關資料：舊瓶新酒，詳解波音“沉默大黃蜂”），其一大賣點就是F414-EPE增推發(fā)動機。如果美國(guó)海軍同意采購，那麼(me)作爲世界最佳中推之一的F414將(jiāng)煥發(fā)第二次生機 。
 
波音力推的超級大黃蜂BlockIII一大賣點就是F414-EPE