■ 唐宇峰 張丹玲 徐嘉悅 丁寧 / 中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所

俄羅斯工業(yè)部門基于PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)，改進(jìn)研制了起飛推力達(dá)到340kN的PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠?yàn)槊裼脤掦w飛機(jī)和軍用運(yùn)輸機(jī)提供動(dòng)力，同時(shí)引領(lǐng)俄羅斯航空工業(yè)研發(fā)能力提升。

PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)主要研制節(jié)點(diǎn)

PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

俄羅斯雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)PD-35，起飛推力為340kN，是俄羅斯歷史上推力最大的商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)。PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)研制項(xiàng)目由俄羅斯聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)公司（UEC）、俄羅斯聯(lián)合飛機(jī)公司（UAC），以及眾多主要領(lǐng)域的科研組織共同承擔(dān)。2016年，UEC下屬的彼爾姆航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司和土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體共同開啟了PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)研制項(xiàng)目，該項(xiàng)目的計(jì)劃研制周期為10年，采用了很多創(chuàng)新技術(shù)和新材料，包括采用樹脂基復(fù)合材料制造發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、采用復(fù)合材料制造層流環(huán)繞的大尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、利用增材制造技術(shù)制造大型復(fù)雜剖面機(jī)匣零件、應(yīng)用新的熱強(qiáng)合金和金屬間化合物研制低輻射燃燒室等。

技術(shù)方案

PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)為常規(guī)雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，采用雙涵道雙軸、內(nèi)外涵道氣流分開排氣方案，寬弦復(fù)合材料風(fēng)扇葉片以及復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣，結(jié)構(gòu)包括1級(jí)風(fēng)扇、3級(jí)增壓級(jí)、9級(jí)高壓壓氣機(jī)、環(huán)形燃燒室、2級(jí)高壓渦輪和6級(jí)低壓渦輪。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)控制采用全權(quán)限數(shù)字式電子控制（FADEC）系統(tǒng)。

官方透露的PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)有限，主要包括：起飛推力323 ～392kN；巡航耗油率約53kg/(kN·h)；風(fēng)扇直徑約3.1m，發(fā)動(dòng)機(jī)最大直徑約4m；發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度大于8m。

關(guān)鍵技術(shù)

研制安排

2016年，PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)項(xiàng)目研制，預(yù)計(jì)2023年交付首臺(tái)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，完成第一階段研制工作；2021年9月，PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)完成組裝，力爭(zhēng)在2025年左右獲得俄羅斯國(guó)內(nèi)的適航證；據(jù)簡(jiǎn)氏網(wǎng)站2021年10月15日?qǐng)?bào)道，PD-35核心機(jī)已開始早期靜態(tài)測(cè)試，項(xiàng)目取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)采用了18項(xiàng)重大新技術(shù)，包括使用增材制造、輕質(zhì)材料、耐熱涂層和數(shù)字技術(shù)等，用于實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料風(fēng)扇葉片、復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣、新的高壓壓氣機(jī)、低排放低輻射燃燒室、層流短艙和其他先進(jìn)部件的設(shè)計(jì)和制造。

風(fēng)扇技術(shù)

PD-35 發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇直徑為3.1m，是俄羅斯航空工業(yè)歷史中首次采用復(fù)合材料風(fēng)扇葉片，同時(shí)還采用了復(fù)合材料風(fēng)扇機(jī)匣。因?yàn)镻D-35 發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸非常大，如果采用鈦合金空心葉片會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇質(zhì)量很大，而采用復(fù)合材料可將風(fēng)扇葉片整體質(zhì)量減輕20%～30%。2020年6 月，用于PD-35 發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)合材料風(fēng)扇葉片完成了第一階段試驗(yàn)，由于PD-35 發(fā)動(dòng)機(jī)仍處于研制階段，因此發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)的風(fēng)扇采用了按比例縮尺的形式，并對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)。

2021年1月，UEC在研制PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)的過程中，嘗試了聚合物復(fù)合材料風(fēng)扇葉片的制造方法。為了降低風(fēng)險(xiǎn)，公司明確了兩個(gè)技術(shù)方向：一是將預(yù)浸料在模具中分層，隨后在高壓滅菌器中進(jìn)行聚合（預(yù)浸料技術(shù)）；二是形成三維編織增強(qiáng)框架，隨后在模具中進(jìn)行壓力浸漬和聚合（三維編織技術(shù)），這項(xiàng)新技術(shù)正在PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)（小的風(fēng)扇葉片尺寸為0.75m，大的為1.25m）。

高壓壓氣機(jī)技術(shù)

PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)進(jìn)口直徑為0.815m，高壓壓氣機(jī)級(jí)數(shù)為9級(jí)，壓比為23，平均級(jí)壓比高達(dá)1.417。目前，PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)的高壓壓氣機(jī)擬采用電力驅(qū)動(dòng)的形式對(duì)進(jìn)口導(dǎo)向葉片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，主要有兩種方案，一種是通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，另一種是通過平移運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。兩種方案均用于實(shí)現(xiàn)高壓壓氣機(jī)可調(diào)葉片機(jī)械定位，以確保在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)狀態(tài)、穩(wěn)定狀態(tài)和過渡狀態(tài)下能夠?qū)崿F(xiàn)快速動(dòng)作。

渦輪技術(shù)

為使渦輪正常工作，PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)綜合采用新材料以及先進(jìn)的冷卻系統(tǒng)，包括碳化硅-碳化硅（SiCSiC）和碳-碳化硅（C-SiC）兩種陶瓷基復(fù)合材料（CMC）。全俄輕金屬研究院于2017年開始研究最新的鎳基高溫合金制造可變結(jié)構(gòu)的渦輪盤，還在對(duì)最新的高溫高強(qiáng)鎳基粉末合金VV753P進(jìn)行試驗(yàn)和檢驗(yàn)。VV753P合金的研制充分吸取了粉末金屬的研制經(jīng)驗(yàn)，采用高熔點(diǎn)稀有金屬鉭和錸，能夠極大地提高合金性能，如持久強(qiáng)度、抗蠕變性和高溫耐腐蝕性等，并降低疲勞裂紋擴(kuò)展速率。

材料/制造技術(shù)

全俄航空材料研究院（VIAM）負(fù)責(zé)研發(fā)PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)所需的新一代材料，即在高溫下具備更好特性的耐熱合金、CMC、未來軸承合金、大尺寸零部件所用輕聚合物復(fù)合材料等。2019年5月，在俄羅斯圣彼得堡國(guó)立海洋技術(shù)大學(xué)進(jìn)行了PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)工作小組會(huì)談，討論了采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)的問題，就后續(xù)采用增材制造技術(shù)制造PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)的大尺寸零件達(dá)成一致。

試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)

2020年5月，UEC下屬彼爾姆發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試中心開始建設(shè)。新建的測(cè)試中心可服務(wù)于PD-14、PS-90A、PD-35和PD-8等發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)和生產(chǎn)；2021年10月，PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)完成組裝，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，這是PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)研制中最重要的一步，也是項(xiàng)目首次取得實(shí)質(zhì)性成果；2023年，將完成核心機(jī)、壓氣機(jī)和燃燒室測(cè)試臺(tái)架建設(shè)，包括海平面測(cè)試臺(tái)架，于2024年投入使用。預(yù)計(jì)該中心將于2028年開始服務(wù)于發(fā)動(dòng)機(jī)批量生產(chǎn)。

先進(jìn)性分析

PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)作為雙轉(zhuǎn)子大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)形式和采用的先進(jìn)技術(shù)與GEnx較為接近，與同等推力的GEnx和遄達(dá)系列相比性能相當(dāng)，但風(fēng)扇直徑較大，將帶來發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的增加。PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)與其他大推力量級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)對(duì)比如表1所示。

表1 PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)與其他大推力量級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)對(duì)比

衍生發(fā)展

PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)是在PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)成熟的核心機(jī)基礎(chǔ)上，通過放大和加級(jí)的方式實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的增長(zhǎng)，這一思路也是目前主流發(fā)動(dòng)機(jī)制造商所采用的模式，縮放技術(shù)作為一種成熟技術(shù)，可以縮短發(fā)動(dòng)機(jī)研制周期，降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)，減少研制費(fèi)用。

2008年，PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目正式啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)起飛推力為137kN，風(fēng)扇直徑為1.9m，項(xiàng)目進(jìn)展順利，2010年開始核心機(jī)試驗(yàn)，2012年開始驗(yàn)證機(jī)地面試驗(yàn)。在PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)的研制過程中，突破了包括鈦合金空心風(fēng)扇葉片制造技術(shù)、新一代單晶渦輪工作葉片制造技術(shù)、陶瓷涂層涂覆技術(shù)等在內(nèi)的14項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。此外，VIAM等單位研制了多種新型高溫合金和復(fù)合材料，有效地減輕了發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量。

與PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目一樣，PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目也計(jì)劃系列化發(fā)展。公開的信息顯示，以340kN的PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，俄羅斯將分別研制推力為240kN的PD-24和280kN的PD-28兩型發(fā)動(dòng)機(jī)。前者將用于近中程寬體客機(jī)和未來的重型軍用運(yùn)輸機(jī)，后者則用于遠(yuǎn)程寬體客機(jī)。

PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)和PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)相比，除了推力級(jí)別放大所帶來的設(shè)計(jì)差異以外，包括風(fēng)扇葉片在內(nèi)的相當(dāng)多部件都比常見的雙發(fā)窄體客機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸要大得多，甚至不少部件已經(jīng)突破了俄羅斯現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備所能支持的極限，需要進(jìn)行相關(guān)的特殊改進(jìn)、或者是進(jìn)行全新的研制和采購。

應(yīng)用前景

如果PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)展順利，雙發(fā)遠(yuǎn)程干線客機(jī)就又多了一種商業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)可供選擇。有俄羅斯專家指出，開展PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)研制并不是為了與西方的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，而是為了解決俄羅斯國(guó)內(nèi)航空工業(yè)所承受的巨大壓力。目前，俄羅斯雖然有伊爾-96寬體客機(jī)，但與西方國(guó)家同類產(chǎn)品相比缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。如果將伊爾-96的4發(fā)更換為2臺(tái)PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)并實(shí)現(xiàn)減輕質(zhì)量，其競(jìng)爭(zhēng)力將會(huì)明顯提升，出口前景將得到改善。同時(shí)，未來的PAK TA“大象”運(yùn)輸機(jī)也將PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)作為其動(dòng)力選型之一，且該發(fā)動(dòng)機(jī)的改型也可以用于軍用運(yùn)輸機(jī)等軍用項(xiàng)目，將對(duì)改善俄羅斯現(xiàn)有老舊軍用運(yùn)輸機(jī)機(jī)隊(duì)起到重要作用。

啟示

通過成熟核心機(jī)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)衍生發(fā)展，是目前世界上主流的研制方法。PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)的研制不僅充分應(yīng)用了PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)的核心機(jī)技術(shù)，而且應(yīng)用了俄羅斯前期預(yù)先技術(shù)研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)成果，有助于縮短研制周期，在研制過程中，設(shè)置技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，階段性達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，逐步成熟，降低了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)指標(biāo)與羅羅公司和GE公司生產(chǎn)的同等推力級(jí)別發(fā)動(dòng)機(jī)相比，雖然聚合了俄羅斯最頂尖的研發(fā)和生產(chǎn)力量，可是競(jìng)爭(zhēng)力卻十分有限，但俄羅斯仍然進(jìn)行PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)，一方面可打破民用航空動(dòng)力市場(chǎng)的高度壟斷，不受西方技術(shù)制約；另一方面可提升整個(gè)航空工業(yè)的研發(fā)和制造水平，有助于實(shí)現(xiàn)航空復(fù)興。

在PD-35系列發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中，俄羅斯航空工業(yè)經(jīng)歷了不斷的整合，國(guó)家通過增加國(guó)有資產(chǎn)比重的方式，加強(qiáng)了對(duì)航空工業(yè)的控制權(quán)，軍機(jī)和民機(jī)研發(fā)有效融合，提升了項(xiàng)目研制效率，節(jié)省了開支，在進(jìn)口替代計(jì)劃的推動(dòng)下，俄羅斯航空工業(yè)配套系統(tǒng)和部件的專業(yè)能力建設(shè)得到了快速發(fā)展，并帶動(dòng)國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)的發(fā)展。

結(jié)束語

PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)憑借先進(jìn)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，具有大推力、低油耗、長(zhǎng)壽命、高可靠性等特點(diǎn)，是目前最先進(jìn)的大涵道比航空發(fā)動(dòng)機(jī)之一，可為民用寬體飛機(jī)提供動(dòng)力，通過適應(yīng)性改進(jìn)，還將快速形成大/重型軍用運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力。航空發(fā)動(dòng)機(jī)具有研發(fā)周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，PD-35發(fā)動(dòng)機(jī)未來能否成功地投入運(yùn)營(yíng)，還具有許多不確定因素，有待開展更充分的工作。