F414涡轮风扇发动机是
通用电气(GE)设计的一款先进且成熟的中推加力式涡扇发动机。于1988年开始投入使用。
F414涡轮风扇
发动机是美国通用电气公司(GE)在F404 和 F412的基础上设计的,该发动机采用3级轴流式压气机、7级高压压气机、1级高压涡轮和1级低压涡轮,最大
推力98千牛,推重比超过9。
截至2023年6月,F414累计交付量1600多台,累计飞行时数超过500万小时,除F/A-18E/F外还配装美海军EA-18G舰载电子战飞机、
瑞典JAS-39E/F战斗机,并已被
韩国KF-21战斗机、
美国航空航天局X-59静音超声速演示验证机等选用。
历史沿革
1991年,
美国海军选定
波音公司为其开发F/A-18E/F双发“超级大黄蜂”舰载战斗攻击机,用于取代
A-4攻击机、A-7“海盗”Ⅱ攻击机和F-4“鬼怪”Ⅱ战斗机,并与F-14“雄猫”舰载防空战斗机搭配使用。F/A -18E/F 飞机具有较好的多功能性,可执行对地(海)攻击、防空、制空、侦察等任务。美国海军要求 GE 公司提供一台单台加力
推力大于9000千克力的
发动机。
为满足
美国海军对F/A-18(大黄蜂)战斗机最新发展型号F/A-18E/F 的要求,
(GE)在F404 和 F412的基础上,采用了一系列新技术,开发了推力增长型F414 发动机,加力推力为9800千克力,推重比达到9.0。
1993年5月,F414首台发动机提前2周进行首次试车。1995 年11 月,14 发动机在 F/A-18E/F“超级大黄蜂”舰载机上实现首飞;1998 年8 月,F414
发动机投入批量生产。
2011 年,印度政府和军方又选定了 GE 公司14 发动机,为其新型“光辉”
轻型战斗机提供动力。2013 年1月,印度国防部与
通用电气签订了采购99台F414 发动机的合同,价值6亿美元,并拥有后续采购100台该型发动机的选择权。配装F414 发动机的“光辉”MK-2型歼击机计划于2014 年12月首飞,2016年投人批量生产。
截至2011年2月,GE公司共生产交付了1200台F414
发动机,预计到2016年还将交付至少500 台。
GE于2020年5月向韩国航空航天工业有限公司交付了第一台F414-
400k发动机。该发动机为
的下一代本土战斗机提供动力,正式名称为KF-21 Boramae。为
开发的f414动力KF-21将提供比现有飞机更大的任务能力和更长的使用寿命。
此外,F414还为
E/A-18咆哮者和萨博鹰狮E/F提供动力,后者于2021年首次交付
。
2020年8月,
美国航空航天局为其X-59 QueSST飞机接收了第一台F414-GE-100
发动机。X-59 QueSST飞机是一种独一无二的实验飞机,飞行速度将超过1
马赫,飞行高度将达到55,000英尺,比大多数
高性能飞机都要高。该飞机于2022年通过了关键的地面测试,并计划于2023年首次飞行。该项目始于六年前,是
美国航空航天局航空计划中商业
超音速技术研究的
设计研究。此后,它演变成现在所谓的低臂飞行演示(LBFD)任务。虽然以前的许多X飞机都起源于军事项目,但X-59基本上是使用其他高性能飞机的现有系统从头开始设计和制造的。
通用电气开发了F414战斗机
发动机的新变体,以满足X-59严格的性能和可靠性需求 - 能够加速和爬升到55,000英尺的巡航高度。
基本构造
为保持与F404相同的长度与后部直径,并且使性能获得大幅度提高及减少风险,在F414的设计中,每个部件均采用了经过验证的先进技术。
风扇
风扇采用IHPTET计划下研制的2级、高压比风扇。
定子和转子采用前掠设计,提高
气动性能:叶型采用
金属基复合材料和复合空心叶型,减轻重量;风扇吸力面采用放气系统,提高风扇的气动性能和稳定性。最终使风扇的空气流量增加10%,效率提高2%。
高压压气机
压气机采用一台在GE23A上试验过的6级压气机。6级都采用整体叶盘结构,以减轻重量和零件数;前3级转子采用前掠设计,以降低对畸变的敏感性和在较小
失速裕度下有较高效率;转子采用叶尖处理,前3级为周形槽,其他级为斜槽,以在没有或几乎没有效率补偿的情况下降低对畸变的敏感性;静子采用
弓形和倾斜设计,卸掉静子端壁的
气动负荷,滞后端壁失速降低对畸变的敏感性:叶片采用先进叶型形状,提高了性能和可操作性,根据CFM56、CF6和
GE90发动机的经验,可使效率提高1% ~2%。通过这些技术可使压气机的流量增加5%:通过掠形、先进叶型形状和叶尖处理可使效率提高约3%;通过掠形、叶尖处理和弓形叶型可使
失速裕度提高,并降低对畸变的敏感性。
燃烧室
采用多孔冷却设计的新型
环形燃烧室,并且重新设计燃烧室的头部,以适应大流量和高温:采用
陶瓷材料,以降低冷却要求,
降低成本:采用先进的燃油系统,以应用宽范围燃油和提高燃油温度:此外还采用降低排放和改进起动和
贫油熄火裕度的技术。
高压涡轮
高压涡轮采用一台新的大流量、高压比涡轮。该涡轮是在GE23A计划下采用IHPTET技术研制的。叶型采用三元
气动设计,改进了流量分布,减弱了端壁尾流,减少了主
气流迁移,从而降低了叶尖温度。它连同先进的叶尖冷却特性使叶尖工作温度降低121°°C,为主燃气温度补偿了65.5°C;改进二次流系统,以在最小的损失下提供冷却空气:
定子和转子采用新的密封技术;静子也采用长寿命、低成本设计;采用机匣处理,以改进静子热响应。这些改进使冷却空气减少0.5%,涡轮前温度提高65.5°C,效率提高2%。
低压涡轮
低压涡轮重新设计一台低压涡轮,以适应新的风扇和高压涡轮:新设计一个新的后框架,以降低进入加力燃烧室的
气动损失,这些改进使效率提高1%。
加力燃烧室
使用风冷式火焰支架系统。加力燃烧室重新进行加力燃烧室进口的气动设计,使其效率提高3% ~4%:重新设计排气框架出口导向叶片,使最大
推力增加2%。这一设计保持了已验证的耐久性和最大的通用性。
尾喷管
控制系统
控制系统增推型F414发动机的控制系统与F414-
通用电气400一样采用双通道全权限电子控制系统。只是增加了性能搜索逻辑.处理功率提高10倍,采用民用工业的标准芯片以及提供
发动机性能和健康状况诊断和预诊功能。
关键技术
材料与工艺
美国研制F414发动机的时候,就采用了设计、制造一体化的技术。
2015年2月,GE在F414发动机验证机上面成功完成了陶瓷基复合材料(CMC)材料的低压涡轮
定子和转子叶片的耐高温和耐久性验证试验,试验经历了500个循环,成功验证了世界上首个运动组件的CMC材料部件。这些 CMC 由碳化硅
耐火纤维和陶瓷树脂制成,由 GE 位于
特拉华州和
北卡罗来纳州的工厂通过高度复杂的工艺制造,并通过专有
涂层进一步增强,测试经历了500次艰苦的循环,验证了由轻质耐热CMC制成的涡轮叶片前所未有的温度和耐久性。
性能改进
F414EDE发动机是 F414—400发动机的改进型。采用3D
气动设计的高压压气机,使流量增加5%,效率提高3个百分点,翻修间隔由4000h延长到6000h;采用于低排放
燃烧室,使 NOx、HC和 CO的排放量明显降低;采用 3D气动设计和先进冷却的高压涡轮,使效率提高2个百分点。耐温能力提高65cI:,疲劳寿命由2000h延长到6000h;采用3D气动设计的排气框架,使加力燃烧室效率提高3个百分点,压差降低1.5%。
采用上述技术后,F414EDE发动机的
推力较目前F414一GE一400发动机的增大20%,或在保持目前推力的情况下,其热端部件寿命延长2倍。
在 IHFrET计划下,F414先进技术验证
发动机XTE77/SE2于2006年底成功地完成了由
通用电气和
美国海军联合投资的1项试验计划。在20多 h试验中,XTE77/SE2验证发动机达到了100%的最大稳态核心机转速,成功地完成了所有计划目标,验证了先进的全整体叶盘结构的2级风扇和新的高压涡轮。与目前的F414发动机风扇相比,采用 3D前掠叶片的新风扇使流量增大近 10%,效率提高,部件数减少。该验证机计划还将验证降低HCF技术、具有外物
损伤容限的风扇和压气机叶片,以及能够使F414EDE发动机任务能力提高和寿命期费用降低的关键技术。
通用电气与
美国海军正在规划下一阶段的试验工作,旨在通过采用新一代
气动和冷却技术、先进材料和低排放技术,进一步提高
发动机的性能和耐久性。
区别
F414,是在 F404 基础上改进而来的其第2、3 级风扇和前三级高压压气机都改为整体
叶轮,五级整体叶轮比常规分离式叶轮零件减少484 个,质量减少 24kg,结合其他技术使飞机发动机的推重比由原来的7.5,提高到9.1,并被大量的应用到美海军主力战机 F/A-18E/F 上。
设计 F414 的主要目标是与 F404 相比显着增加
推力。这是通过合并更大的核心来实现的,允许更高的
气流和更高的燃烧效率。该
发动机还引入了先进的加力燃烧室系统,该系统在排气流中喷射和点燃额外的燃料,在需要时产生大幅推力,例如在起飞或战斗演习期间。
F404 和 F414 之间的显著区别是风扇部分。F414 的风扇比 F404 大,但比 F412 风扇小。这个更大的风扇将发动机气流增加了 16%,并将其长度延长了 5 英寸(13 厘米)。因此,F-18“
F/A-18E/F超级大黄蜂式打击战斗机”的进气坡道已经过调整,以适应更大的矩形形状。
为了确保 F414 像 F404 一样适合飞机的结构,进行了一些修改。加力
燃烧室部分缩短了 4 英寸(10 厘米),燃烧室减少了 1 英寸(2.5 厘米),高压压缩机前三级的结构现在使用整体叶盘而不是单独的圆盘和
燕尾叶片。这些变化导致重量减轻约 50 磅(23 公斤)。此外,F414
发动机在材料和制造技术方面取得了进步,实现了更高的工作温度和更高的耐用性。使用先进的合金和
涂层可以提高涡轮机温度,从而提高发动机效率和功率输出。这些改进还有助于延长发动机的使用寿命并降低维护要求。
基本分类
F414-EDE
增强型高压涡轮机 (HPT) 和高压压缩机 (HPC) 是增强耐久性发动机 (EDE) 的组成部分。HPT经过了
空气动力学改进,并被开发为可以承受更高的温度。HPC 进行了改进,从 7 个阶段增加到 6 个阶段。这些修改是为了降低比油耗 (
sfc.exe) 并将部件耐用性提高三倍。
F414-EPE
新核心、风扇和
压缩机都是增强性能引擎 (EPE) 的一部分。提供 20% 的
推力提升,将其增加到 26,400 lbf (117 kN),推重比几乎为 11:1。
F414M
由EADS Mako/
热学使用。干推力为12,500磅,湿推力为16,850磅,分别为55,6和75 kN。提议用于
韩国国际T-50系列教练机和战斗机,但后来被使用标准F414的新产品所取代。
F414-G型
对于萨博JAS 39
JAS-39战斗机演示器,生产了F414-G。用于单引擎“鹰狮”,而不是像F/A-18那样的双引擎飞机。有了它,鹰狮演示器(没有加力燃烧室)加速到 1.2
马赫。
F414 - GE - 400
F414-
通用电气400将其成功的F404前身的可靠性、可维护性和可操作性与先进技术相结合
波音公司F/A-18E/F
F/A-18E/F超级大黄蜂式打击战斗机的
推力增加了35%,在飞机性能、生存能力和有效载荷方面有了显著改善。
F414 - GE - 39E型
F414-GE-39E 发动机的推力增加了 25%(使用动力加力燃烧室时可承受 22,000 磅的推力),从而提高了空对地能力并增强了电动空降攻击能力。像F414-GE-39E这样更强大的
发动机不仅意味着飞机的动力增强,还意味着成本效益。通常,在
超音速下,发动机会触发加力燃烧室,从而导致更多的油耗。但F414-
通用电气39E即使在非常高的速度下也不会触发加力燃烧室,从而提高燃油效率,最终降低飞机的生命周期成本。
F414 - GE - 400K
2020年5月,GE航空向韩国航空航天工业公司交付了第一台F414 - GE - 400K发动机,用于
KF-21战斗机。
F414 - INS6型
马萨诸塞州林恩---2010年10月1日电 印度航空发展局(ADA)为
印度空军的Mk II型Tejas轻型战斗机(LCA)选择了99台F414 GE战斗机发动机。
GE
印度公司总裁兼首席执行官John Flannery表示:“选择LCA是GE向前迈出的一大步,表明了我们对印度的坚定承诺。GE航空集团将提供第一批F414-
通用电气INS6
发动机,其余发动机将根据技术转让安排在印度制造。
F414-GE-INS6 是
推力最高的 F414 型号,采用最先进的技术,可满足印度空军和海军的苛刻要求。技术进步包括全权数字电子控制 (FADEC) 和增加的单引擎安全功能。
F414 - GE - 100
F414-GE-100发动机将在飞行中为
美国航空航天局的X-59静音超音速技术X飞机(QueSST)提供动力,F414-GE-100发动机长近13英尺,直径3英尺,装有22,000磅的加力燃烧室增强喷气推进器。由于X-59的初步设计是在几年前完成的,最初的计划是用
美国航空航天局位于
尼尔·阿姆斯特朗的F/A-18研究
喷气式飞机使用的相同
喷气发动机为飞机提供动力。问题在于发动机 - GE的F404型号 - 无法产生足够的
推力来实现X-59的飞行性能目标。按照设计,F/A-18需要两台
发动机才能提供动力,但X-59只有一台发动机的空间。通过与GE合作,解决方案是将F404的下一代改进F414发动机调整为既能满足X-59的功率需求又能满足物理尺寸的配置。
基本参数
参考资料
应用领域
截至2023年6月,F414累计交付量1600多台,累计飞行时数超过500万小时,除F/A-18E/F外还配装美海军EA-18G舰载电子战飞机、
瑞典JAS-39E/F战斗机,并已被
韩国KF-21战斗机、
美国航空航天局X-59静音超声速演示验证机等选用。
参考资料
参考资料
F414.geaerospace.2023-11-16