为满足美国海军对f/a-18(大黄蜂)战斗/攻击机最新发展型号 f/a 18e/f的要求,美国 ge公司在f404和f412发动机的基础上,于1991年开始发展推力加大的(比 f404大 35%)f414-ge -400发动机,如图1所示。
图1、 f414发动机结构总图
用f404-ge-400作动力(每架装2台)的舰载战斗/攻击机f/a-18是美国海军的主战飞机,已有1300多架装备使用。
为了加大 f/a-18航程并大大改善其工作能力,以便作为21世纪的主力飞机,经过美国海军、麦道公司及诺斯诺普公司的研究,决定将f/a-18c/d改型为f/a-18e/f。
该机已于1994年6月17日通过了关键设计评审(cdr),1998年12月第1架生产型交付美国海军,2001年进入服役。它是美国于20世纪末投产的唯一新型战斗机,美国海军与海军陆战队计划到2015年共购置1000架。
ge公司在设计f414发动机时充分吸取了 f404发动机 400多万小时的外场使用经验,采用了 ge23a、yf120、f412以及其他军、民用发动机的一些经过验证的技术,运用了“并行工程”的研制方法,建立了40多个“多功能小组”,负责较复杂的部件设计研制工作。
这些措施不仅使f414的研制工作投资少,耗时短,而且发动机性能较 f404提高很多:推力增加了35%,达到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 主要设计特点
为保持与f404相同的长度与后部直径,并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。
2.1 风 扇
风扇为3级,1级工作叶片带中间凸肩,2,3级为焊成一体的整体叶盘结构。它是在吸取f404系列发动机(f404-ge-400、f404-ge-402、f404-ge-rm12和 f412)的一些优(特)点和使用经验的基础上发展起来的。
f404系列的风扇具有高增压比、低展弦比、高稠度和高叶尖切线速度(472~518m/s),设计转速下的喘振裕度为23%~30%,采用可调静叶来控制非设计状态的性能。f414的风扇继承了这些特点,但空气流量比f404大16%,因而进口直径有所加大(图2示出了f404、f414第1级风扇叶片的外形),增压比比 f404高15%,是ge公司研制的3级风扇中的最高者,且具有较好的抗鸟与外物击伤的能力。
3级静子叶片与工作叶片均按三元流设计,这对复杂结构的第1级工作叶片与第3级静子叶片特别重要。第2,3级转子采用了整体叶盘结构,以减少通过榫头的漏气量,从而提高了效率。
1993年完成了 f414风扇的第一阶段试验,并运行了 282h。试验结果表明,风扇的流量、效率、喘振裕度和抗进气畸变能力均超过或达到了设计目标（表1）；但第2,3级工作叶片的应力值过大,现已修改了设计。
图2、 f404(左)、f414(右)风扇第1级工作叶片比铰
表1、f414发动机的风扇试验结果
2.2 高压压气机
高压压气机共7级,采用了f412的设计,但前3级转子换用了整体叶盘结构,与常规(用燕尾型榫头将叶片固定到轮盘燕尾型榫槽中)的设计相比,整体叶盘结构省去了榫头部分,因而减轻了转子以至部件的结构重量。
f414后2级风扇、前3级高压压气机采用整体叶盘后,两部件的重量分别减少了20.43kg与3.632kg;消除了气流在榫头中的逸漏,使效率有所提高;
避免了由于装配不当造成榫头的磨蚀、裂纹及锁片的损坏等带来的故障;与f404相比,风扇、高压压气机的零件数目减少了484个,有利于可靠性的提高。
f414的整体叶盘是在整体锻坯上用电化学加工(ecm)方法加工出来的,两个整体叶盘焊成一体(见图3),整体叶盘与转子其他锻件也实行焊接连接。
ge公司于70年代末,在t700发动机上采用了整体叶盘。开始时,采用五坐标数控铣床加工叶片;
1985年,与 lehr precisioninc公司合作发展了电化学加工方法,用以加工 t700的钢制整体叶盘,随后这种方法用于加工为“先进战术战斗机”atf(即现在的 f 22)研制的 ge37/yf120发动机的钛制整体叶盘。
整体叶盘采用ecm加工与用五坐标数控铣床铣削叶片相比,加工时间可减少约85%(对长叶片省时更多);还可避免叶片中产生残余加工应力。
整体叶盘的粗加工(即在坯料开出叶槽)、半精加工和精加工均用 ecm,加工后不必再进行手工抛光,加工出的叶型厚度公差为±0.10mm,型面公差为0.10mm。
图3、 f414高压压气机2,3级整体叶盘焊接成一个整体转子
f414风扇后2级整体叶盘和高压压气机前二级材料为ti17,两者的2级盘均焊为一体。用incl718制成的高压压气机第3级盘则与后面的转子焊为一体。
采用整体叶盘结构特别是两个整体叶盘焊为一体时,要考虑叶片在被外物打伤后的维修问题。除了设计中要保证整体叶盘叶片的前缘具有较小的振动应力和较高的抗外物打伤能力外,还应发展可行的整体叶盘修理方法。
根据f404外场使用中外物打伤叶片的统计,对f414采用整体叶盘结构后的全寿命期费用(lcc)进行了仔细的分析计算。结果表明,采用整体叶盘后不会增加f414的 lcc。另外,ge公司还发展了针对整体叶盘的叶片修理方法。因而,采用整体叶盘后为f414带来的收益大大高于付出的代价。
发动机吸入鸟、冰块或其他外来物时,会损伤风扇与压气机叶片,其可能的形式有:卷边、裂纹、掉块等,如图3(a)所示。针对这些情况,ge公司发展了如图3(b)所示的修理方法。
例如对前缘小卷边,可以先予以去除,然后进行打磨使之圆滑过渡;对于大的卷边,则首先将其切掉,用电子束焊焊上一块补片,再按叶型量规进行修磨;
对于一些小的掉块,可用氩弧焊补修。所有这些修理过程均可在发动机上完成,并可保证以最少的费用使磨损严重的整体叶盘重新投入使用。
2.3 燃烧室
环形燃烧室的火焰筒采用了多孔冷却结构,不仅提高了使用寿命,而且降低了重量。在ge公司为波音777发展的 ge90发动机中,火焰筒采用了 gtd222精铸环形件,并加工出了为数众多的冷却孔。现在还不清楚f414的多孔火焰筒是否与此相同。
2.4 高低压涡轮
高压涡轮是在f412的基础上发展的单级结构。工作叶片与导向器叶片均采用单晶材料制成,叶身上有一层物理气相沉积隔热涂层(pvdtbc)。
低压涡轮也是单级、气冷结构。与高压涡轮一样,工作叶片和导向器叶片均用单晶材料制成,并有pvdtbc涂层。1992年10月进行的低压涡轮试验表明,所有的性能指标均达到或超过了预期值。
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