陳光/文
為滿足美國海軍對F/A-18(大黃蜂)戰鬥/攻擊機最新發展型號 F/A 18E/F的要求,美國 GE公司在F404和F412發動機的基礎上,於1991年開始發展推力加大的(比 F404大 35%)F414-GE -400發動機,如圖1所示。
圖1、 F414發動機結構總圖
用F404-GE-400作動力(每架裝2台)的艦載戰鬥/攻擊機F/A-18是美國海軍的主戰飛機,已有1300多架裝備使用。
為了加大 F/A-18航程並大大改善其工作能力,以便作為21世紀的主力飛機,經過美國海軍、麥道公司及諾斯諾普公司的研究,決定將F/A-18C/D改型為F/A-18E/F。
該機已於1994年6月17日通過了關鍵設計評審(CDR),1998年12月第1架生產型交付美國海軍,2001年進入服役。 它是美國於20世紀末投產的唯一新型戰鬥機,美國海軍與海軍陸戰隊計畫到2015年共購置1000架。
GE公司在設計F414發動機時充分吸取了 F404發動機 400多萬小時的外場使用經驗,採用了 GE23A、YF120、F412以及其他軍、民用發動機的一些經過驗證的技術,運用了“並行工程”的研製方法,建立了40多個“多功能小組”,負責較複雜的部件設計研製工作。
這些措施不僅使F414的研製工作投資少,耗時短,而且發動機性能較 F404提高很多:推力增加了35%,達到98kN;推重比由F404 GE 400的7.5,F404 GE 402的8.0(1988年定型)提高到9.0。
2 主要設計特點
為保持與F404相同的長度與後部直徑,並使性能獲得大幅度提高及減少風險,在 F414的設計中,每個部件均採用了經過驗證的先進技術。
2.1 風 扇
風扇為3級,1級工作葉片帶中間凸肩,2,3級為焊成一體的整體葉盤結構。 它是在吸取F404系列發動機(F404-GE-400、F404-GE-402、F404-GE-RM12和 F412)的一些優(特)點和使用經驗的基礎上發展起來的。
F404系列的風扇具有高增壓比、低展弦比、高稠度和高葉尖切線速度(472~518m/s),設計轉速下的喘振裕度為23%~30%,採用可調靜葉來控制非設計狀態的性能。 F414的風扇繼承了這些特點,但空氣流量比F404大16%,因而進口直徑有所加大(圖2示出了F404、F414第1級風扇葉片的外形),增壓比比 F404高15%,是GE公司研製的3級風扇中的最高者,且具有較好的抗鳥與外物擊傷的能力。
3級靜子葉片與工作葉片均按三元流設計,這對複雜結構的第1級工作葉片與第3級靜子葉片特別重要。
1993年完成了 F414風扇的第一階段試驗,並運行了 282h。 試驗結果表明,風扇的流量、效率、喘振裕度和抗進氣畸變能力均超過或達到了設計目標（表1）；但第2,3級工作葉片的應力值過大,現已修改了設計。
圖2、 F404(左)、F414(右)風扇第1級工作葉片比鉸
表1、F414發動機的風扇試驗結果
2.2 高壓壓氣機
高壓壓氣機共7級,採用了F412的設計,但前3級轉子換用了整體葉盤結構,與常規(用燕尾型榫頭將葉片固定到輪盤燕尾型榫槽中)的設計相比,整體葉盤結構省去了榫頭部分,因而減輕了轉子以至部件的結構重量。
F414後2級風扇、前3級高壓壓氣機採用整體葉盤後,兩部件的重量分別減少了20.43kg與3.632kg;消除了氣流在榫頭中的逸漏,使效率有所提高;
避免了由於裝配不當造成榫頭的磨蝕、裂紋及鎖片的損壞等帶來的故障;與F404相比,風扇、高壓壓氣機的零件數目減少了484個,有利於可靠性的提高。
F414的整體葉盤是在整體鍛坯上用電化學加工(ECM)方法加工出來的,兩個整體葉盤焊成一體(見圖3),整體葉盤與轉子其他鍛件也實行焊接連接。
GE公司於70年代末,在T700發動機上採用了整體葉盤。開始時,採用五座標數控銑床加工葉片;
1985年,與 Lehr PrecisionInc公司合作發展了電化學加工方法,用以加工 T700的鋼制整體葉盤,隨後這種方法用於加工為“先進戰術戰鬥機”ATF(即現在的 F 22)研製的 GE37/YF120發動機的鈦制整體葉盤。
整體葉盤採用ECM加工與用五座標數控銑床銑削葉片相比,加工時間可減少約85%(對長葉片省時更多);還可避免葉片中產生殘餘加工應力。
整體葉盤的粗加工(即在坯料開出葉槽)、半精加工和精加工均用 ECM,加工後不必再進行手工拋光,加工出的葉型厚度公差為±0.10mm,型面公差為0.10mm。
圖3、 F414高壓壓氣機2,3級整體葉盤焊接成一個整體轉子
F414風扇後2級整體葉盤和高壓壓氣機前二級材料為Ti17,兩者的2級盤均焊為一體。用Incl718製成的高壓壓氣機第3級盤則與後面的轉子焊為一體。
採用整體葉盤結構特別是兩個整體葉盤焊為一體時,要考慮葉片在被外物打傷後的維修問題。除了設計中要保證整體葉盤葉片的前緣具有較小的振動應力和較高的抗外物打傷能力外,還應發展可行的整體葉盤修理方法。
根據F404外場使用中外物打傷葉片的統計,對F414採用整體葉盤結構後的全壽命期費用(LCC)進行了仔細的分析計算。結果表明,採用整體葉盤後不會增加F414的 LCC。另外,GE公司還發展了針對整體葉盤的葉片修理方法。因而,採用整體葉盤後為F414帶來的收益大大高於付出的代價。
發動機吸入鳥、冰塊或其他外來物時,會損傷風扇與壓氣機葉片,其可能的形式有:卷邊、裂紋、掉塊等,如圖3(a)所示。針對這些情況,GE公司發展了如圖3(b)所示的修理方法。
例如對前緣小卷邊,可以先予以去除,然後進行打磨使之圓滑過渡;對於大的卷邊,則首先將其切掉,用電子束焊焊上一塊補片,再按葉型量規進行修磨;
對於一些小的掉塊,可用氬弧焊補修。所有這些修理過程均可在發動機上完成,並可保證以最少的費用使磨損嚴重的整體葉盤重新投入使用。
2.3 燃燒室
環形燃燒室的火焰筒採用了多孔冷卻結構,不僅提高了使用壽命,而且降低了重量。在GE公司為波音777發展的 GE90發動機中,火焰筒採用了 GTD222精鑄環形件,並加工出了為數眾多的冷卻孔。現在還不清楚F414的多孔火焰筒是否與此相同。
2.4 高低壓渦輪
高壓渦輪是在F412的基礎上發展的單級結構。工作葉片與導向器葉片均採用單晶材料製成,葉身上有一層物理氣相沉積隔熱塗層(PVDTBC)。
低壓渦輪也是單級、氣冷結構。與高壓渦輪一樣,工作葉片和導向器葉片均用單晶材料製成,並有PVDTBC塗層。1992年10月進行的低壓渦輪試驗表明,所有的性能指標均達到或超過了預期值。
F414的整體葉盤是在整體鍛坯上用電化學加工(ECM)方法加工出來的,兩個整體葉盤焊成一體(見圖3),整體葉盤與轉子其他鍛件也實行焊接連接。
GE公司於70年代末,在T700發動機上採用了整體葉盤。開始時,採用五座標數控銑床加工葉片;
1985年,與 Lehr PrecisionInc公司合作發展了電化學加工方法,用以加工 T700的鋼制整體葉盤,隨後這種方法用於加工為“先進戰術戰鬥機”ATF(即現在的 F 22)研製的 GE37/YF120發動機的鈦制整體葉盤。
整體葉盤採用ECM加工與用五座標數控銑床銑削葉片相比,加工時間可減少約85%(對長葉片省時更多);還可避免葉片中產生殘餘加工應力。
整體葉盤的粗加工(即在坯料開出葉槽)、半精加工和精加工均用 ECM,加工後不必再進行手工拋光,加工出的葉型厚度公差為±0.10mm,型面公差為0.10mm。
圖3、 F414高壓壓氣機2,3級整體葉盤焊接成一個整體轉子
F414風扇後2級整體葉盤和高壓壓氣機前二級材料為Ti17,兩者的2級盤均焊為一體。用Incl718製成的高壓壓氣機第3級盤則與後面的轉子焊為一體。
採用整體葉盤結構特別是兩個整體葉盤焊為一體時,要考慮葉片在被外物打傷後的維修問題。除了設計中要保證整體葉盤葉片的前緣具有較小的振動應力和較高的抗外物打傷能力外,還應發展可行的整體葉盤修理方法。
根據F404外場使用中外物打傷葉片的統計,對F414採用整體葉盤結構後的全壽命期費用(LCC)進行了仔細的分析計算。結果表明,採用整體葉盤後不會增加F414的 LCC。另外,GE公司還發展了針對整體葉盤的葉片修理方法。因而,採用整體葉盤後為F414帶來的收益大大高於付出的代價。
發動機吸入鳥、冰塊或其他外來物時,會損傷風扇與壓氣機葉片,其可能的形式有:卷邊、裂紋、掉塊等,如圖3(a)所示。針對這些情況,GE公司發展了如圖3(b)所示的修理方法。
例如對前緣小卷邊,可以先予以去除,然後進行打磨使之圓滑過渡;對於大的卷邊,則首先將其切掉,用電子束焊焊上一塊補片,再按葉型量規進行修磨;
對於一些小的掉塊,可用氬弧焊補修。所有這些修理過程均可在發動機上完成,並可保證以最少的費用使磨損嚴重的整體葉盤重新投入使用。
2.3 燃燒室
環形燃燒室的火焰筒採用了多孔冷卻結構,不僅提高了使用壽命,而且降低了重量。在GE公司為波音777發展的 GE90發動機中,火焰筒採用了 GTD222精鑄環形件,並加工出了為數眾多的冷卻孔。現在還不清楚F414的多孔火焰筒是否與此相同。
2.4 高低壓渦輪
高壓渦輪是在F412的基礎上發展的單級結構。工作葉片與導向器葉片均採用單晶材料製成,葉身上有一層物理氣相沉積隔熱塗層(PVDTBC)。
低壓渦輪也是單級、氣冷結構。與高壓渦輪一樣,工作葉片和導向器葉片均用單晶材料製成,並有PVDTBC塗層。1992年10月進行的低壓渦輪試驗表明,所有的性能指標均達到或超過了預期值。