GE公司的F110发动机系列是近年来获得广泛应用的军用航空发动机之一。它是采用型号衍生的研制方法将B-1轰炸机用的F101发动机的核心机成功地移植到战斗机用的F110发动机上,之后又在核心机保持不变的情况下,衍生出F110x等发动机,形成F110发动机系列,成为运用型号衍生法的典范。它的研制实践证明F101的核心机是非常成熟、性能一流且具有巨大潜力的核心机;同时也显示出型号衍生法具有灵活性大、起点高、风险小、投资少、周期短、寿命期费用低等优点,是研制军、民用航空发动机的一个好途径,可供我们借鉴
关键词:发动机系列 核心机 研制道路
l 引言
美国GE公司为满足美空军对F-15、F-16战斗机未来推力提高的要求及竞争多用途战斗机和舰载AX轰炸机的动力装置,制定了在未来若干年内大型战斗机用发动机的发展策略——在F110的核心机的基础上,运用先进的型号衍生的研制方法,开始F110X、F110XX验证机的独资研制计划。他们认为这样做可以确保降低发动机自身的成本、减少风险,收到起点高、灵活性大、周期短、性能和可靠性都好的效果
F110的核心机就是F101的核心机。GE公司为什么把未来十余年内发展大型战斗机发动机的基础放在F101的核心机上,回顾一下从F101到F110发动机系列的研制道路,会使我们对F101的核心机刮目相看,会加深对型号衍生法优点的认识,从中得到一些有益的启示
2研制道路
F101加力式双轴涡扇发动机是GE公司60年代中期针对B-1超音速战略轰炸机的需要研制的。1977年6月虽然B-1轰炸机中途下马,但美国军方一直在后续工程发展计划的名义下资助F101发动机的发展工作。至1981年6月,其核心机已地面试验累计40000h以上,整机飞行试验积累7600多小时,总投资额为6.2l亿美元。它是美国第一个按“结构完整性大纲(ENSIP)”的要求研制的发动机,其性能、可靠性、耐久性和可维护性都达到了可投入使用的成熟水平。1982年美国空军又给了GE公司一项1.822亿美元的合同,生产3台F101-GE-102原型机,用于性能、耐久性和结构完整性的试验,展开了F101的再次研制。至1983年9月,3号原型机定型,正式交付美空军
在这期间,美国一线战斗机用的TF30、F100发动机都存在大量的耐久性、可靠性和操纵性问题。为了争夺战斗机用的发动机市场,使F101的技术得到应用,GE公司早在1976年就在F101的基础上改型研制一台热力参数与F100相似的战斗机用的发动机——F101X验证机。后来美空军与GE公司签定一项8000万美元的有限研制合同,根据“发动机型号衍生计划(EMDG)”,生产3台原型机,编号为F101DFE。它是利用F101的核心机加上F404发动机的比例放大的风扇组合而成。首先用了不到一年的时间,在台架验证机试车中验证了方法的可行性;接着用了两年的时问完成了在F-14和F-16飞机上的试飞,并于1982年底在试验中达到了5004个TAC循环,其热端部件寿命为当时F100发动机的三倍。在此基础上,GE公司又得到美空军一项9330万美元的全面研制合同,为期2年,发动机正式编号为F110-GE-100。这项研制合同重点是实现系统最佳化,并最终确定供F-15、F-16和F-14飞机用的F110发动机生产型的最终构形。1984年初,美空军选定F110发动机做为未来F-15和F-16飞机的动力装置。1 9 8 6年装有F l 1 0发动机的F-1 6 C/D飞机开始交付部队使用。F110-GE-100发动机的推力为123kN,推重比为7.15
从60年代中期开展研制F101发动机至1986年装有F110发动机的飞机交付部队使用,经历近二十年的时间,花十多亿美元的研制费。说明获得F101这样一台一流的核心机需耗费一代人的心血和巨额的资金。一个好的核心机真是来之不易啊!
GE公司正是由于以这样一个性能先进、各方面都经过严格考验的F101的核心机为基础,加上F404的风扇等成熟技术,才用五年时时间、2亿美元的经费,就发展出F110这样一种性能、可靠性、耐久性、可操纵性和可维护性都好的战斗机发动机,打破了由PW公司独家垄断F-15、F-16和F-14飞机用的发动机市场的局面。在此基础上,GE公司又陆续衍生出数个F110发动机系列,它们是:
F110-GE-400,最大推力120kN,用做美海军F-14B/D的动力装置:
F118-GE-100,是F110的非加力的改型机,推力为84.52kN,用于B-2A轰炸机和改装TR-1舰载飞机的动力装置。
F110-GE-129,是F110-GE-100的后继机,也称为GE公司的改进性能发动机(IPE)。由于改进设计,使用新材料,提高工作温度、速度和压力,发动机在给定飞行包线范围内推力提高许多,最大推力达129kN,用于现役的和改进后的F-15、F-16和F-14飞机的动力装置。
为了满足美空军对F-15、F-16大型战斗机未来推力提高的要求及竞争多用途战斗机和舰载AX轰炸机的动力装置,开展推重比10一级战斗机用的发动机的研制,GE公司又在F110核心机基础上开展F110X、F110XX的验证机的独资研制。
F110X,它是由F110-GE-129(IPE)的核心机和F118发动机使用的高效率、加大空气流量的宽弦风扇组合而成的。具体的改进包括:风扇是3级整体式叶盘设计:高压压气机1级和2级也为整体式叶盘设计:先进的对开前机匣;改进的风扇机匣;改进的高压和低压涡轮;多孔燃烧室;先进的加力燃烧室设计;先进的排气系统设计:先进的涡轮材料以及用于优化飞机/发动机一体化控制的新的双通道全权限数字电子控制器(FADEC)。所有这些都是来自“联合技术验证机(JTDE)”、“先进技术发动机燃气发生器(AT-EGG)”、“综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)”等计划中已经验证的技术,以及GE公司的F120发动机计划中的某些技本。由于采用这些成熟的技术,F110X于1991年10月地面试验推力已达162kN。由于采用一些新材料,F110X发动机重量可从F110-GE-100型的1769kg降至1701kg,推重比将达到9。5~10。F110X的这一重要进展使GE公司在今后十年或更长的时间内将现役的战斗机用的F110发动机系列的性能显著提高的计划有了可靠的保证,也为竞争多用途战斗机和舰载AX轰炸机的动力装置奠定了牢固的基础。F110X的批生产发动机与现在的F110发动机及未来推力增大型发动机都具有部件完全的互换性特点。预计F110X可在1998年前后提供使用。
F110XX,是F110X的衍生型。F110XX在海平面静态推力额定值与F110X相同,但在高马赫数飞行时将产生更大的推力。为此将装一台正在研制的新型压气机
从上述介绍可知,F110X及F110XX的核心机与F101的核心机没有大的变化