■ 鄒劍峰 劉翠玉 / 中國航發(fā)研究院

隨著國際形勢的變化，美國開始對俄羅斯實行制裁，使得MC-21面臨隨時失去動力支撐的困境，此時作為PW1400G替代產(chǎn)品的俄羅斯國產(chǎn)PD-14發(fā)動機被寄予厚望。2021年2月10日，PD-14通過批產(chǎn)認證成為俄羅斯民用航空工業(yè)的重要里程碑，也是近幾十年來最具代表性和突破性的項目之一。

蘇聯(lián)解體后，俄羅斯航空發(fā)動機研發(fā)進展緩慢，與歐美國家的差距不斷拉大。為重振航空大國的地位，俄羅斯民用航空工業(yè)啟動了新型MC-21單通道飛機和PD-14渦扇發(fā)動機兩個并駕齊驅(qū)的項目。MC-21項目于2003年贏得俄羅斯航天局競標，2007年8月完成了第一階段的重要研制工作，項目方案和商業(yè)計劃得以確認。項目參與方幾經(jīng)變化，最終俄羅斯政府于2008年指定伊爾庫特公司為項目主要承擔者并給予資助。MC-21項目的目標不僅是取代老舊的圖-154，而且要與空客公司的A320和波音公司的737開展競爭。在MC-21項目的初期，并未就是完全自主研制還是利用國際合作方式進行研發(fā)達成明確的和最終的意見，因此既可以配裝普惠公司的PW1400G發(fā)動機，也可以配裝俄羅斯國產(chǎn)PD-14發(fā)動機。2014年，隨著國際形勢變化，美國開始對俄羅斯實施制裁，現(xiàn)在看來，俄羅斯突破重重難關(guān)自主研制國產(chǎn)發(fā)動機的做法是明智之舉。

MC-21配裝PD-14發(fā)動機進行試飛

PD-14發(fā)動機和MC-21發(fā)展歷程

PD-14發(fā)動機的結(jié)構(gòu)

PD系列發(fā)動機主要參數(shù)對比

項目基本情況

普京于2008年批準了PD-14項目，這是繼PS-90A以來，由俄羅斯完全自主研發(fā)的第一型符合國際規(guī)范和要求的民用渦扇發(fā)動機。PD-14發(fā)動機由聯(lián)合發(fā)動機公司（UEC）下屬的彼爾姆航空發(fā)動機公司設(shè)計，由彼爾姆馬達公司制造。

PD-14發(fā)動機的基本參數(shù)

PD-14發(fā)動機結(jié)構(gòu)緊湊，擁有經(jīng)過驗證的現(xiàn)代化設(shè)計、最佳涵道比和高效的核心機。發(fā)動機起飛推力約為137.2kN、增壓比為41∶1、風扇直徑為1.9m、涵道比為8.5∶1、渦輪前溫度為1950K、耗油率54.08kg/（kN·h），環(huán)保參數(shù)優(yōu)于現(xiàn)行的排放標準。發(fā)動機采用1級風扇、3級低壓壓氣機、8級高壓壓氣機、2級高壓渦輪和6級低壓渦輪結(jié)構(gòu)。

PD-14 的衍生發(fā)展

由于使用了多種創(chuàng)新技術(shù)和全俄航空材料研究院（VIAM）等機構(gòu)開發(fā)的20多種新材料和50多種改進材料，使得發(fā)動機性能參數(shù)與同類產(chǎn)品相比有顯著改善，工作效率大大提高，污染物排放降低，預(yù)計其運營成本將比現(xiàn)有同類發(fā)動機低14%～17%，全生命周期成本則降低15%～20%。

PD-14發(fā)動機與同類發(fā)動機參數(shù)對比列表

PD-14發(fā)動機主要參數(shù)和競爭優(yōu)勢表現(xiàn)為：較小的風扇直徑可以減輕發(fā)動機的質(zhì)量和降低短艙的阻力，減少推力損失；集合了先進的發(fā)動機研發(fā)技術(shù)與制造工藝；采用模塊化設(shè)計和內(nèi)嵌式診斷系統(tǒng)，全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)可自動控制發(fā)動機運行中的燃油噴射、空氣流量和點火參數(shù)，以最低的油耗保持最佳性能，保障實現(xiàn)高可靠性和可制造性，從而降低成本。

發(fā)展系列化衍生產(chǎn)品

為滿足不同需要，PD系列發(fā)動機在通用核心機的基礎(chǔ)上，可以進行一系列改型，也可發(fā)展為地面燃氣輪機。

項目研發(fā)特點

作為俄羅斯航空工業(yè)重整旗鼓的國家級項目，PD-14發(fā)動機在研制過程中既吸取了航空工業(yè)幾十年積累的經(jīng)驗與技術(shù)，也進行了大量的技術(shù)、工藝、材料的創(chuàng)新，項目有以下特點。

行業(yè)內(nèi)廣泛協(xié)作

PD-14發(fā)動機的研制由UEC領(lǐng)導(dǎo)和組織，發(fā)動機設(shè)計由彼爾姆航空發(fā)動機公司負責，制造方為彼爾·姆馬達公司。生產(chǎn)方面，UEC下屬各企業(yè)均發(fā)揮各自優(yōu)勢專長，如土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體、烏法發(fā)動機生產(chǎn)聯(lián)合公司、禮炮燃氣渦輪科研生產(chǎn)中心以及UEC-STAR公司。此外，還有一些俄羅斯科研院所參與其中，如金屬工人-薩馬拉開放式股份公司、機器制造者股份公司、沃羅涅日飛機制造股份公司、奧布寧斯克工藝科研生產(chǎn)企業(yè)等。

PD-14發(fā)動機的研制和生產(chǎn)聯(lián)合了俄羅斯發(fā)動機、冶金、材料等相關(guān)行業(yè)內(nèi)最優(yōu)秀的企業(yè)、科研院所和高校資源，代表了俄羅斯現(xiàn)今民用渦扇發(fā)動機的水平。

重視關(guān)鍵技術(shù)

PD-14發(fā)動機項目不僅包括開發(fā)有國際競爭力的發(fā)動機，還包括對試生產(chǎn)和批量生產(chǎn)進行技術(shù)改造，提升關(guān)鍵技術(shù)成熟度。在項目框架內(nèi)，應(yīng)用發(fā)展了16種關(guān)鍵技術(shù)。例如，風扇、壓氣機、渦輪燃燒室等主要部件設(shè)計時均采用三維氣動設(shè)計方法；開發(fā)了鈦合金空心寬弦風扇葉片的制造技術(shù)；高壓壓氣機1、2、5級盤由鈦合金制成，6～8級盤由新一代鎳基合金制成。低污染排放燃燒室由耐熱金屬間化合物制成，安裝了氣動調(diào)節(jié)噴嘴，使用了第二代陶瓷熱障涂層。高壓渦輪轉(zhuǎn)靜子葉片由最新的單晶合金制成，同樣采用第二代陶瓷熱障涂層，葉盤由新一代鎳基合金制成，采用主動間隙控制。低壓渦輪1～6級的轉(zhuǎn)靜子葉片均為空心結(jié)構(gòu)，采用主動間隙控制。

PD-14發(fā)動機研制參與單位

發(fā)動機短艙由彼爾姆航空發(fā)動機公司和VIAM聯(lián)合研發(fā)，這也是俄羅斯的發(fā)動機企業(yè)與材料企業(yè)首次聯(lián)合設(shè)計發(fā)動機短艙，短艙中碳纖維、玻璃纖維等新型復(fù)合材料占其總質(zhì)量的65%，既保證了所需的彈性和強度，也減輕了發(fā)動機質(zhì)量，還配備了電驅(qū)動?xùn)鸥穹赐蒲b置。

研發(fā)與應(yīng)用國產(chǎn)新材料

PD-14發(fā)動機采用的俄羅斯國產(chǎn)新材料主要包括：轉(zhuǎn)子葉片的單晶錸釕合金；噴管調(diào)節(jié)片的金屬間化合物；高壓渦輪的鎳基高溫合金，第二代陶瓷熱障涂層；渦輪軸和吊架部件的高強度鋼；高壓壓氣機和渦輪盤的高溫鈦合金等。這些材料都通過了適航認證。

在材料研發(fā)過程中，VIAM、彼爾姆航空發(fā)動機公司和各冶金廠參與其中：VSMPO-AVISMA公司主要負責鈦合金坯料和半成品研制；Elektrostal冶金廠、Ruspolymet公司、斯圖皮諾冶金公司等負責高溫合金坯料與半成品研制，包括盤、軸和環(huán)件等；全俄輕合金研究所（VILS）負責粒狀合金研制；阿申斯基冶金廠、茲拉托烏斯特冶金廠、烏拉爾鍛造廠等負責管路、板材、帶材、線材等鋼與合金制坯料和半成品研制；Kamensk-Uralsky冶金廠負責鋁合金坯料和半成品研制。新材料的使用使發(fā)動機質(zhì)量減輕、性能提升。

PD-14發(fā)動機新材料與應(yīng)用部件

發(fā)動機短艙采用的新型碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料也是俄羅斯首次研發(fā)，據(jù)稱，這些材料在參數(shù)上不遜于其他國家同等材料，保證了發(fā)動機短艙的性能。50種改進材料包括VT20、VT8-1高溫鈦合金，VZh145、EI698、EP742、EP718、EP648高溫鎳合金，EP517-SH高溫馬氏體鋼、VNL-5高溫鉻鎳鉬合金，VKS5滲碳鋼等。

提升工藝與試驗?zāi)芰?/h3>

PD-14發(fā)動機生產(chǎn)過程中采用了增材制造、數(shù)字化生產(chǎn)等先進工藝，各改型型號的零件統(tǒng)一規(guī)格程度達到80%。烏法發(fā)動機生產(chǎn)聯(lián)合公司在PD-14發(fā)動機零組件生產(chǎn)時啟用條碼訂單管理系統(tǒng)，改變了工作模式，使勞動生產(chǎn)率提高了15%～20%，也有利于實現(xiàn)質(zhì)量管理體系數(shù)字化。

VIAM首 次 利 用EP648PS鎳 基合金以增材制造方式生產(chǎn)出燃燒室頭部旋流器，縮短了制造周期，產(chǎn)品合格率達100%，并且就獲取金屬粉末、零件合成、加工處理等在內(nèi)的全生產(chǎn)周期制定了全套規(guī)范文件。

傳動部件和潤滑系統(tǒng)測試設(shè)備

發(fā)動機材料和零件強度測試設(shè)備

在PD-14發(fā)動機項目研制過程中，俄羅斯首次在UEC各企業(yè)和行業(yè)內(nèi)先進機構(gòu)（包括VIAM）建立材料與半成品性能試驗理論數(shù)據(jù)庫，這也為俄羅斯國產(chǎn)材料在歐美取證奠定了基礎(chǔ)。

為保障各部件、核心機和全尺寸發(fā)動機的測試，UEC建造了現(xiàn)代化測試設(shè)施和實驗室，包括風扇和低壓壓氣機模型測試設(shè)備、全尺寸風扇機匣防擊穿測試設(shè)備、高壓壓氣機測試設(shè)備、渦輪盤和轉(zhuǎn)子測試設(shè)備、燃燒室機匣測試設(shè)備、核心機進口加壓和加熱測試臺。尤其是建造了國內(nèi)唯一能模擬海拔狀況、側(cè)傾角和俯仰角的多用途發(fā)動機傳動部件和潤滑系統(tǒng)測試設(shè)備，在發(fā)動機研制初始階段即可確定潤滑系統(tǒng)的工作性能。

結(jié)束語

作為高科技產(chǎn)品，航空發(fā)動機的研制不僅需要國家層面的政策扶持和資金投入，還需要行業(yè)內(nèi)的廣泛協(xié)作。PD-14發(fā)動機是俄羅斯航空發(fā)動機及相關(guān)領(lǐng)域通力合作的成果，研制過程雖充滿波折，但挑戰(zhàn)與機遇并存，已取得實質(zhì)性突破。如果經(jīng)濟形勢不急劇惡化，2022年MC-21-300型飛機和PD-14發(fā)動機有望進入俄羅斯市場。俄羅斯將繼續(xù)按照EASA適航條例推進在歐洲的取證工作，一旦通過，PD-14發(fā)動機也可推向國際市場。此外，在PD-14發(fā)動機的研發(fā)過程中，積極開發(fā)并采用新技術(shù)、新材料和新工藝，盡管存在難度大、風險高、研發(fā)周期長的問題，但長遠來看，可以提升行業(yè)技術(shù)研發(fā)與制造工藝的整體成熟度，盡快彌補俄羅斯航空發(fā)動機產(chǎn)品與西方國家的差距，推動航空發(fā)動機研制更上一個臺階。面對復(fù)雜多變的國際形勢，只有獨立掌握航空發(fā)動機技術(shù)與材料研發(fā)，才能擺脫其他國家對俄羅斯的技術(shù)掣肘。