F100大戰F110,第4代戰機渦扇發動機,誰是史上最佳(下)

2021-02-14 空軍之翼

F100進化論

  當普惠F100發動機於1972年隨麥克唐納·道格拉斯F-15A「鷹」式戰鬥機開始服役時,曾有人大膽地預測F100將成為西方最成功、最安全的第四代戰鬥機渦扇發動機,但很快就被現實打臉。

  經過重重改進後的F100-PW-200終於堪用,該發動機正常幹推力5634千克,最大軍推6618千克,最大加力推力10782千克,大修間隔時間僅大約900個總累積循環(TAC)。


F-15E的換發作業

  不管怎樣,F100在模塊化設計和可維護性方面仍徹底改變了戰鬥機渦扇的設計。F100是一種軸流式渦扇發動機,涵道比0.7,發動機為雙轉子結構,一根傳動軸軸承載由兩級渦輪驅動(兩級高壓渦輪和兩級低壓渦輪)的三級風扇,另一根軸承載由另兩級渦輪驅動的10級壓氣機。

  F100在設計上高度模塊化,任何主要模塊都被設計為可在基地而不是維修站進行拆卸和更換,其風扇、核心機、低壓渦輪、尾噴管和附件機匣都可以分別拆卸和更換,而無需拆卸發動機的其餘部分。

  在忍受了F100的可靠性和耐久性問題近十年後,美國空軍在1983年推出「替代戰鬥機發動機」計劃,為F-15和F-16戰鬥機引入通用電氣的F110作為替代發動機,這刺激了普惠研製出F100-PW-220改進型。

  這款經過升級的發動機通過改進壓氣機的空氣動力學特性、冷卻效率以及更有效地將壓氣機引出的冷卻空氣輸送到發動機熱區,從而大大提高了可靠性、耐用性和穩定性,從根本上解決了發動機失速問題。上述改進使F100-PW-220兩次大修間隔提高到4300個總累積循環(TAC),相當於大約7年的運行時間。發動機最大幹推力和最大加力推力與-200保持一致。



F100-PW-220

  F100-PW-220還引入了另一項旨在提高發動機的安全性和可靠性的重大升級,儘管該發動機保留了傳統的液壓機械控制系統作為備份,但引入了全新設計的數字電子發動機控制以及發動機診斷單元,能記錄整個發動機性能數據,便於維護和故障排除。這是一項重大創新,能讓戰鬥機飛行員毫無顧慮地控制油門運動,並降低發動機維護工作量。

  普惠在生產-220新發動機的同時也推出的-220E升級套件,任何以前製造的F100-PW-100和F100-PW-200都能被升級到-220E標準,可與新製造的-220直接互換使用。

  為了與通用電氣F110競爭,普惠在1989年又推出了推力更大的F100-PW-229,最大幹推力增加到8074千克,最大加力推力增加到13227千克,推力級別已經追趕上F110-GE-129。該發動機引入了一系列包括高壓壓氣機新塗層在內的耐久性改進,並具有更高的風扇氣流流量和壓力,推力比早期的F100高了22%。1992年交付的F-16開始換裝-229發動機,但由於-229的改動較大,-200和-220E發動機無法通過再製造成-229。


F100-PW-229

  從80年代中期開始,由於通用電氣F110的大推力,在F-16的出口市場佔據了主要份額。F100-PW-229問世後,普惠得以重返出口市場。1991年韓國選擇F100-PW-229來裝備其按許可證生產的F-16,以保持與早些時候從美國進口的F-16C/D的共通性。


F100-PW-229的識別特徵是尾噴管採用了碳纖維整流片


F100-PW-229的核心機

  普惠還提出了面向出口的F100-PW-200+發動機,潛在客戶是那些裝備-200和-220E發動機F-16,但被限制購買-229的外國空軍。-200+結合了-220的風扇、噴管和-229的數字式發動機控制系統,最大加力推力12247千克。

  2009年普惠推出了F100-PW-229EEP(發動機增強套件),通過應用普惠第五代戰鬥機渦扇F119和F135的最新技術來進一步提高F100的性能。-229EEP的改進包括來自第五代發動機的全權數字發動機控制、發動機健康狀況監測和傳感器技術,以及燃燒室和高壓壓氣機新型隔熱塗層和先進材料,其主要目的是將發動機大修間隔延長至6000個總累積循環(大約為十年),延長了40%,使每臺F100-PW-229EEP能降低了30%的生命周期成本。-229EEP成為經過美國空軍認證的第一臺具有6000個TAC的戰鬥機發動機。


F100的進化之路

F110崛起

  吃過F100的苦頭之後,美國空軍深感為F-16尋求一種備選發動機的必要性。一方面是為普惠樹立一個競爭對手來降低成本,另一方面是在普惠發動機出狀況時,也有第二種選擇。為尋求F-16和海軍F-14「雄貓」的備選發動機,1984年國防部授予通用電氣一份價值8000萬美元合同,製造3臺用於試飛的F101衍生型戰鬥機發動機(DFE)。F101 DFE的設計基於B-1轟炸機使用的F101,但融合了F/A-18使用的F404發動機的一些特性。

  該項目的目的是:

  •鑑定F101 DFE與F-16和F-14飛機/發動機在實際飛行中的匹配能力、性能和作戰適用性。

  •通過加速任務試驗確定發動機的耐久性。

  •根據驗證的能力,提出生產型發動機的型號規範。

  如果計劃成功,那麼將提供足夠的數據,以使進入全面工程研製階段的風險減到最小。

  經過1980年和1981年兩年的廣泛試驗,該發動機達到或部分超過了預期的目標。在F-16飛機上的試飛結果證明,F101 DFE無需作重大改進就可以裝在這種飛機上使用。在F-14飛機上的試飛結果表明,飛機的留空時間和作戰半徑都比裝原來TF30發動機的增加25%。在試飛中,發動機無需調整,並且油門杆的使用不受限制。在1982年12月的一次試驗中,驗證發動機完成了5004個總累積循環(TAC),其熱端部件壽命為當時新採購的F100發動機的三倍。


安裝F101 DFE的F-16/101驗證機


安裝F101 DFE的F-14B驗證機

  F101 DFE發動機的核心機源自B-1B的F101-GE-102、KC-135的CFM56-2和B-2A的F118-GE-101發動機,在發展成熟度和推力方面都非常合適,可以打破普惠公司自從70年代其獲得的美國戰鬥機發動機壟斷地位。


F101 DFE

  基於上述結果,通用電氣得到了一項「替代戰鬥機發動機」計劃(AFE)的全面研製合同,價值9300萬美元,為期兩年,從此揭開了發動機大戰(Great Engine War)的序幕。發動機正式編號為F110,與普惠F100的改進型競爭新生產的F-15和F-16戰鬥機的動力裝置。這項全面研製計劃的目的是研製一種不僅可以降低維護成本的發動機,並且與普惠生產的F100-PW-100和F100-PW-200發動機相比也能為F-15和F-16提供了更大推力,項目的研製重點是實現系統最佳化,確定供F-15、F-16和F-14用的F110發動機的最終構型,並繼續進行高空模擬試驗、加速任務試驗和各種環境試驗。

  美國海軍決定採用DFE來取代「雄貓」的TF30渦扇發動機,但是美國空軍更進一步,於1984年2月按照雙承包商採購策略,決定對F-15和F-16戰鬥機發動機的採購在F100和F110之間按一定比例分配。在1985年採購的160臺中,75%為F110,25%為F100。

  與F101-GE-100發動機相比,F110有以下幾方面的改變:風扇由2級改為3級,壓比提高到3.2,直徑減小到970毫米,涵道比減到0.87;為適應低壓轉子轉速提高,重新設計了低壓渦輪;為滿足戰鬥機機動飛行要求,設計過載提高到10;對控制系統作了改進,增加了備份裝置;為適應F-14、F-16和特別是F-15飛機的機體,對外部尺寸、管線和防冰系統作了必要的修改;最後也是很容易被忽略的一點,就是為了減輕重量而不犧牲耐久性,對核心機以外的幾乎所有部件和系統都採取了減重措施。


F100-GE-100

  F110都使用在F-16機隊上,F-15(F-15E出口型除外)只安裝F100。1985財年Block 30 F-16C/D開始安裝F110發動機,從此之後美國空軍購買的F-16中有75%安裝通用電氣發動機,剩餘的安裝普惠發動機。但是同個聯隊並不會裝備安裝有不同發動機的F-16,因為會增加備件和物流的成本。


率先裝備F110的F-16 Block 30戰鬥機

F110的完善與發展

  F110具有三級風扇、九級高壓壓氣機、一個環形燃燒室、一級高壓渦輪和兩級低壓渦輪。F-16 Block30/40安裝的F110-GE-100最大加力推力為12700千克,通用電氣還為美國海軍的F-14B/D提供了相同推力級別的F110-GE-400。普惠早期F100-PW-100發動機的大修間隔時間僅為900個TAC,美國空軍認為-200也不夠可靠,而通用電氣F110-GE-100則能達到4000個TAC的大修間隔。


安裝F110-GE-400的F-14D

  隨後通用電氣推出了F110-GE-129,提高渦輪進口溫度55~80℃,增大轉速,改進材料並採用全權數字式電子控制系統,大修間隔提高到4300個TAC。-129最大加力推力增加到13336千克,被大量安裝在F-16 Block 40/50和F-15E出口型上,成為目前產量最大的F110型號。



F110-GE-129

  F110下一個增推版本是F110-GE-132,成為阿聯80架F-16 Block 60的動力裝置。該型號採用加力燃燒室火焰穩定器取代了之前的噴杆,並結合了耐用性改進,如三級風扇全部改用一體式葉盤,以及複合材料外涵道機匣。-132推力增加到14742千克,即使在阿聯惡劣的沙漠環境中其使用壽命也達到4300個TAC。


F110-GE-132

  將F110-GE-100和-129的可靠性分別提高到4000個TAC和4300個TACS之後,通用電氣又開始為F110-GE-129發展了服役壽命延長計劃(SLEP),使該發動機的可靠性提高到6000個TAC,也就是說大修間隔時間從7年延長至10年。

  F110-GE-129SLEP應用了來自世界上最常見商用渦扇發動機——CFM56-7的一些技術,包括能改善壓氣機氣流的3D空氣動力學改進(以提高效率以及轉子和結構的壽命);在燃燒室中增加冷卻通道,使其使用壽命延長一倍;渦輪葉片和渦輪級的空氣動力學、材料和冷卻改進,增加了耐用性;修改加力燃燒室設計以增加耐用性、減少維護並提高可維護性。有意思的是-129SLEP的核心機改進也能被應用在F101和F118系列中的任何發動機上,如美國空軍正在進行的B-1B轟炸機的F101-GE-102發動機升級。


GE的通用核心機策略非常成功

  與SLEP同時進行的改進項目是持續組件改善計劃(CIP),旨在不斷提高發動機耐用性,減少維護和管理工作量。這項升級將利用GE90大型商用渦扇的技術,為F110引入新的渦輪和燃燒室設計改進,以提高發動機在在炎熱和惡劣環境中操作的耐用性和可靠性。

沒有輸家的戰爭

  F100和F110的競爭不斷把兩種第四代戰鬥機渦扇推向成熟,推力和可靠性繼耐用性持續提高。

  到目前為止,普惠共生產了超過7300臺F100發動機,目前仍有3900多臺在服役中,共有23個國家和地區的空軍在操作這種發動機。而通用電氣F110的總產量為3200多臺,目前看來F110處於下風,但F110-GE-129憑藉更低的價格和維護成本以及更高的推力已經多次在發動機選型中戰勝F100-PW-229,獲得沙特F-15SA、卡達F-15QA、美國空軍F-15EX,以及F-16V戰鬥機訂單的選購,其生產線將比F100維持更長時間。


將採用F110-GE-129的F-15EX

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