張娜，王良君

（中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703）

俄羅斯PD-14發(fā)動機(jī)項目發(fā)展及啟示

張娜，王良君

（中國燃?xì)鉁u輪研究院，四川江油621703）

簡述了俄羅斯新一代民用航空發(fā)動機(jī)PD-14的研制背景，分析了該發(fā)動機(jī)項目的研制特點，介紹了發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路和項目進(jìn)展，總結(jié)了項目研制面臨的困難和風(fēng)險。探討了該項目對我國民用航空發(fā)動機(jī)研制的啟示：我國發(fā)展民用航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)，可借鑒PD-14發(fā)動機(jī)項目發(fā)展的有益經(jīng)驗，根據(jù)我國自身情況，找準(zhǔn)市場定位、明確發(fā)展目標(biāo)，加大國家預(yù)算經(jīng)費投入和政策扶持力度，建立自己的設(shè)計研發(fā)體系，加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)與積累，尋找符合我國國情的發(fā)展民用航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)的突破口和創(chuàng)新點。

俄羅斯；民用航空發(fā)動機(jī)；PD-14發(fā)動機(jī)；研制；風(fēng)險；啟示

1　引言

俄羅斯的民用航空發(fā)動機(jī)是其航空工業(yè)發(fā)展的一個弱項。進(jìn)入21世紀(jì)，俄羅斯航空客運量大幅增漲，但航空公司機(jī)隊卻嚴(yán)重老化。為對原有的“圖”系列飛機(jī)進(jìn)行更新?lián)Q代，2002年俄羅斯航空航天局就中短程干線飛機(jī)研制項目進(jìn)行了招標(biāo)，最終雅克福列夫設(shè)計局和伊留申設(shè)計局提出的MS-21項目勝出。2009年，MS-21飛機(jī)配套發(fā)動機(jī)招標(biāo)啟動，美國普·惠公司的齒輪傳動風(fēng)扇發(fā)動機(jī)（GTF）方案中標(biāo)，成為MS-21飛機(jī)的主發(fā)動機(jī)，俄羅斯聯(lián)合發(fā)動機(jī)集團(tuán)（ODK）的PD-14發(fā)動機(jī)成為備選發(fā)動機(jī)。

PD-14發(fā)動機(jī)是俄羅斯近25年來自行新研的首臺民用發(fā)動機(jī)，其推力量級與在研的LEAP-X、RB285-70、PW1000G等發(fā)動機(jī)相當(dāng)。該發(fā)動機(jī)由ODK旗下的彼爾姆航空發(fā)動機(jī)股份公司牽頭設(shè)計，彼爾姆發(fā)動機(jī)廠牽頭生產(chǎn)。

2　研制特點

PD-14發(fā)動機(jī)主要配裝130～180座近中程干線飛機(jī)，項目目標(biāo)是研制技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于民用航空市場2014～2016年采用的同等推力量級的發(fā)動機(jī)，并在90～180 kN推力量級的國際航空發(fā)動機(jī)市場占據(jù)不低于10%的份額［1］。PD-14發(fā)動機(jī)是俄羅斯民用航空發(fā)動機(jī)制造業(yè)一個重要項目，其成功與否對俄羅斯民用航空的意義非同尋常。該項目實施過程中有如下特點。

2.1廣泛協(xié)作

PD-14發(fā)動機(jī)的設(shè)計與生產(chǎn)聯(lián)合了俄羅斯發(fā)動機(jī)制造行業(yè)內(nèi)多家企業(yè)的技術(shù)力量。除土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體、彼爾姆航空發(fā)動機(jī)股份公司等俄羅斯ODK旗下企業(yè)外，還包含薩馬拉發(fā)動機(jī)制造綜合體等非ODK旗下企業(yè)參與該發(fā)動機(jī)的設(shè)計與制造。在PD-14發(fā)動機(jī)制造方面，俄羅斯多家企業(yè)發(fā)揮各自技術(shù)優(yōu)勢廣泛協(xié)作：烏法發(fā)動機(jī)生產(chǎn)聯(lián)合公司，在鈦合金鑄造和鋁合金鑄造工藝、大型零件電子束焊及專業(yè)線性摩擦焊技術(shù)等方面具有技術(shù)優(yōu)勢，專門負(fù)責(zé)生產(chǎn)風(fēng)扇空心葉片、高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、低壓渦輪、中央傳動殼體及傳動裝置；土星科研生產(chǎn)聯(lián)合體，在設(shè)計、調(diào)試和批生產(chǎn)SaM-146發(fā)動機(jī)低壓壓氣機(jī)方面有豐富的國際合作經(jīng)驗，負(fù)責(zé)生產(chǎn)低壓壓氣機(jī)單元體、中介機(jī)匣；禮炮燃?xì)鉁u輪科學(xué)生產(chǎn)中心，擁有先進(jìn)的高精度齒輪制造設(shè)備，負(fù)責(zé)加工中央傳動裝置和傳動裝置零件；彼爾姆斯塔爾股份公司，在設(shè)計、批生產(chǎn)自動控制系統(tǒng)和各類航空發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)附件方面經(jīng)驗豐富，負(fù)責(zé)生產(chǎn)自動控制系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)附件；薩馬拉發(fā)動機(jī)制造綜合體，擁有大型高溫鑄造設(shè)備，負(fù)責(zé)生產(chǎn)機(jī)匣零件［2］。

2.2重視關(guān)鍵技術(shù)

ODK通過投資建廠、購置設(shè)備和建造試驗臺等多種方式，積極開發(fā)PD-14發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)：在俄烏法市組建世界上第四家風(fēng)扇空心葉片廠，該廠研發(fā)工藝已獲俄羅斯國家專利；投資約2 072萬美元在彼爾姆市組建陶瓷涂層噴涂廠［3］；建立實驗室研發(fā)復(fù)合材料零件加工工藝；購置發(fā)動機(jī)短艙加工設(shè)備；投資約691萬美元建造核心機(jī)試驗臺等［3］。

2.3與西方公司競爭

未來航空市場中的MS-21系列飛機(jī)，是裝備普·惠公司的GTF發(fā)動機(jī)還是ODK的PD-14發(fā)動機(jī)，均由飛機(jī)訂購商自行選擇。但這對于研制進(jìn)度和技術(shù)成熟度均不及GTF發(fā)動機(jī)的PD-14發(fā)動機(jī)，將面臨激烈競爭。

2.4限定成本

PD-14發(fā)動機(jī)項目是俄羅斯首個按照給定生產(chǎn)成本來設(shè)計的發(fā)動機(jī)，這主要是考慮到要向市場推出的PD-14發(fā)動機(jī)產(chǎn)品，不僅要在壽命、可靠性、燃油效率等多方面讓用戶滿意，而且在價格上也要有競爭優(yōu)勢。

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計特點及技術(shù)參數(shù)

3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計特點

PD-14發(fā)動機(jī)采用雙涵雙軸、內(nèi)外涵氣流分開排氣方案。發(fā)動機(jī)由1級風(fēng)扇、3級低壓壓氣機(jī)、8級高壓壓氣機(jī)、環(huán)形燃燒室、2級高壓渦輪和6級低壓渦輪組成，其結(jié)構(gòu)見圖1［4］。

圖1　PD-14發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 PD-14 engine structure

2012年，PD-14發(fā)動機(jī)從方案設(shè)計階段轉(zhuǎn)入技術(shù)設(shè)計階段后，其結(jié)構(gòu)作了如下調(diào)整：①附件傳動機(jī)匣位置從核心機(jī)整流罩下方改成短艙整流罩下方，這樣不僅降低了自動控制系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)和飛機(jī)附件等在溫度方面的技術(shù)風(fēng)險，還為發(fā)動機(jī)改進(jìn)、改型和配裝不同飛機(jī)提供了可能；②采用了質(zhì)量和尺寸更小、效率更高的低壓渦輪［5］。

圖2　PD-14系列發(fā)動機(jī)共用核心機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.2 General core structure of PD-14 series engine

3.2主要技術(shù)參數(shù)

PD-14系列發(fā)動機(jī)包括3種不同推力級別，以滿足MS-21不同機(jī)型需要，其技術(shù)參數(shù)見表1［4］。表中所列參數(shù)均未考慮進(jìn)氣道損失、飛機(jī)所需的引氣和功率提取。此外，以PD-14系列發(fā)動機(jī)共用核心機(jī)（圖2）為基礎(chǔ)，還將研制PD-10（約97 kN，用于SS-JNG、圖-334和別-200等飛機(jī)）、PD-7（約77 kN）、PD-18R（約18 kN，用于圖-204和伊爾-96）、PD-12V（功率約7 355 kW，用于直升機(jī)）及一系列地面燃機(jī)。

PD-14發(fā)動機(jī)與PS-90A和SaM146發(fā)動機(jī)相比，涵道比增加1倍，渦輪前燃?xì)鉁囟忍岣?00 K［1］；與當(dāng)代國外同類發(fā)動機(jī)相比，耗油率降低10%～15%，壽命周期成本減少10%～15%，且噪聲小、排放低。表2示出了PD-14發(fā)動機(jī)與其他主要近中程干線飛機(jī)渦扇發(fā)動機(jī)的參數(shù)對比［6］。

與當(dāng)代同類發(fā)動機(jī)相比，PD-14發(fā)動機(jī)不僅性能指標(biāo)更高，而且技術(shù)更先進(jìn)，其可靠性、壽命和使用維修成本均較優(yōu)。為確保競爭優(yōu)勢，發(fā)動機(jī)還采用了復(fù)合材料、空心鈦合金風(fēng)扇葉片等一系列先進(jìn)技術(shù)方案。尤其是空心風(fēng)扇葉片的采用，使得該系列發(fā)動機(jī)的技術(shù)水平躍居世界發(fā)動機(jī)制造業(yè)前列［1］。

表1　PD-14系列三種類型發(fā)動機(jī)的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of PD-14 series engine

表2　PD-14與其他近中程干線飛機(jī)發(fā)動機(jī)的參數(shù)對比Table 2 Parameter comparison between PD-14 and other short-range and medium-range airliner engines

4　PD-14　發(fā)動機(jī)項目研制進(jìn)展

PD-14發(fā)動機(jī)2012年轉(zhuǎn)入技術(shù)驗證機(jī)研制階段，同年9月順利完成技術(shù)驗證機(jī)試驗［5］，計劃2015年完成發(fā)動機(jī)取證，2016年開始批生產(chǎn)［7］。

試驗方面，2012年5月首臺PD-14發(fā)動機(jī)技術(shù)驗證機(jī)完成裝配［8］，6月開始進(jìn)行技術(shù)驗證機(jī)試驗［9］，9月完成技術(shù)驗證機(jī)試驗大綱規(guī)定的全部測試項目［10］。試驗驗證了采用先進(jìn)技術(shù)的多種零部件（如空心鈦合金風(fēng)扇葉片、單晶高溫合金和金屬間化合物渦輪葉片、壓氣機(jī)整體葉盤等，圖3）的工作能力［10］。

PD-14發(fā)動機(jī)燃燒室由彼爾姆航空發(fā)動機(jī)股份公司設(shè)計（圖4），經(jīng)多次試驗（核心機(jī)、技術(shù)驗證機(jī)、高空臺和高參數(shù)高空臺試驗）發(fā)現(xiàn)該燃燒室仍存在一定問題。為降低風(fēng)險，委托在研制低污染長壽命燃燒室方面擁有豐富經(jīng)驗的烏克蘭前進(jìn)機(jī)械制造設(shè)計局設(shè)計了備用燃燒室，并計劃在PD-14驗證機(jī)二次裝配時采用。隨后，將根據(jù)試驗結(jié)果選擇具體燃燒室方案［5］。

圖3　PD-14發(fā)動機(jī)的空心風(fēng)扇葉片、渦輪葉片和壓氣機(jī)整體葉盤Fig.3 Hollow fan blade，turbine blade and compressor blisk of PD-14

圖4　彼爾姆航空發(fā)動機(jī)股份公司研制的燃燒室Fig.4 The combustor developed by Perm Aviadvigamel Joint-Stock Company

目前，PD-14發(fā)動機(jī)技術(shù)設(shè)計階段已經(jīng)結(jié)束，彼爾姆航空發(fā)動機(jī)股份公司正與伊爾庫特集團(tuán)研究飛發(fā)一體化方面的問題［4］。負(fù)責(zé)PD-14原型機(jī)及短艙試驗件生產(chǎn)的各企業(yè)具體責(zé)任劃分也已明確，并已全面展開生產(chǎn)。

5　面臨的問題和風(fēng)險

如上所述，雖然俄羅斯投巨資于PD-14發(fā)動機(jī)項目，且PD-14發(fā)動機(jī)技術(shù)驗證機(jī)在首輪試驗的各工況表現(xiàn)良好，但綜合多方面因素看，PD-14發(fā)動機(jī)前景也面臨一定風(fēng)險。這是因為PD-14發(fā)動機(jī)不僅研制要求苛刻、技術(shù)難度大（其可靠性要求達(dá)99.95%［6］），同時還要應(yīng)用多種新技術(shù)和新材料，而材料和發(fā)動機(jī)的鑒定任務(wù)重、項目風(fēng)險大。

5.1材料的鑒定

由于PD-14發(fā)動機(jī)將采用多種先進(jìn)材料，所以材料鑒定很關(guān)鍵。目前，全俄航空材料研究院已研制出PD-14發(fā)動機(jī)需用的材料，但均未經(jīng)鑒定，且俄羅斯評定這些結(jié)構(gòu)材料特性的工藝與其他西方國家有所不同。盡管目前俄羅斯已創(chuàng)建了ODK各企業(yè)及行業(yè)內(nèi)重要研究所鑒定俄羅斯材料的試驗理論數(shù)據(jù)庫，但在2015年P(guān)D-14發(fā)動機(jī)取證之前，還要再建立歐洲（EASA）鑒定俄羅斯材料的試驗計算數(shù)據(jù)庫，和按照美國要求與FAA標(biāo)準(zhǔn)建立有關(guān)鑒定俄羅斯材料的試驗計算數(shù)據(jù)庫［5］。

為解決材料鑒定問題，彼爾姆航空發(fā)動機(jī)股份公司已與全俄航空材料研究院、中央航空發(fā)動機(jī)研究院商定，擬籌集資金購買設(shè)備來生產(chǎn)新材料和按西方標(biāo)準(zhǔn)鑒定新材料。

5.2發(fā)動機(jī)的鑒定

PD-14發(fā)動機(jī)訂購商的技術(shù)任務(wù)書中明確規(guī)定了發(fā)動機(jī)及其生產(chǎn)的鑒定要求，并已與國際航空委員會航空注冊局簽訂了PD-14發(fā)動機(jī)鑒定協(xié)議。未來，PD-14發(fā)動機(jī)的研制方將在航空注冊局鑒定發(fā)動機(jī)的同時，還要與歐洲航空安全局專家進(jìn)行鑒定，以便獲得歐洲航空安全局的官方認(rèn)證。航空注冊局也已就此與歐洲航空安全局達(dá)成一致意見［5］。

盡管目前看來PD-14發(fā)動機(jī)項目進(jìn)度完全符合國家要求，但這并不意味著項目不存在風(fēng)險。如今，MS-21項目成功的風(fēng)險很大，使得PD-14發(fā)動機(jī)項目成本回收率很成問題［11］。

6　啟示

目前，PD-14發(fā)動機(jī)仍在研制中，現(xiàn)在談?wù)揚D-14發(fā)動機(jī)項目成功與否時機(jī)尚早。盡管如此，但從俄羅斯PD-14發(fā)動機(jī)項目啟動至今的發(fā)展過程，仍能得到如下啟示：

（1）找準(zhǔn)市場定位

PD-14發(fā)動機(jī)項目啟動之初，就瞄準(zhǔn)了占世界民用（商用干線）航空市場份額最大的130～180座近中程干線飛機(jī)市場，并把滿足安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性要求放在首位，試圖在90～180 kN推力量級的航空發(fā)動機(jī)市場占據(jù)不低于10%的份額［1］。

（2）國家層面的政策扶持和資金投入

2005年以來，俄羅斯政府相繼出臺了《2015年前俄羅斯航空工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略》（下稱《戰(zhàn)略》），和《2002～2010年及2015年前民用航空技術(shù)裝備發(fā)展聯(lián)邦專項規(guī)劃》（新修訂版）（下稱《規(guī)劃》）等綱領(lǐng)性文件，其中針對俄羅斯民用航空發(fā)動機(jī)制造業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展提出了明確的戰(zhàn)略規(guī)劃，從政策上開始向民用航空發(fā)動機(jī)制造業(yè)傾斜。

此外，在國家預(yù)算經(jīng)費方面，俄羅斯政府也顯著加大投入力度。如《戰(zhàn)略》實施10年的總經(jīng)費需求為196億美元，其中國家預(yù)算經(jīng)費就達(dá)137億美元［12］；《規(guī)劃》第二階段（即2006～2015年）總經(jīng)費需求約為87億美元，其中國家預(yù)算經(jīng)費就有約48億美元，約占55%［12］。由此可見俄羅斯國家層面對俄羅斯民用航空發(fā)動機(jī)制造業(yè)的重視程度。藉助此種有利的政治環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件，ODK高度重視PD-14發(fā)動機(jī)項目，從建設(shè)零件生產(chǎn)廠、購置關(guān)鍵設(shè)備等多方面積極為型號研制做準(zhǔn)備。

（3）聯(lián)合全行業(yè)技術(shù)力量大力協(xié)作

PD-14項目從一開始就聯(lián)合行業(yè)內(nèi)多家企業(yè)按統(tǒng)一進(jìn)度計劃協(xié)同工作，真正實現(xiàn)了從設(shè)計到制造數(shù)個工作環(huán)節(jié)中多家實驗設(shè)計局和批生產(chǎn)廠的密切合作。這些企業(yè)不僅包括ODK旗下企業(yè)，還包括一些非ODK所屬的俄羅斯大型發(fā)動機(jī)制造企業(yè)。

（4）積極尋求國外合作

盡管PD-14發(fā)動機(jī)的主研單位彼爾姆航空發(fā)動機(jī)股份公司有著豐富的燃燒室設(shè)計經(jīng)驗，但其為PD-14發(fā)動機(jī)設(shè)計的燃燒室經(jīng)多次試驗后仍存在問題，彼爾姆航空發(fā)動機(jī)股份公司在這種情況下與烏克蘭前進(jìn)機(jī)械制造設(shè)計局合作，委托其設(shè)計新的燃燒室，以作兩手準(zhǔn)備。

由上可見，俄羅斯政府在發(fā)展民用航空發(fā)動機(jī)方面可謂下了大力氣，從頂層文件的政策制定、國家預(yù)算經(jīng)費的大力支持，到對產(chǎn)品準(zhǔn)確進(jìn)行市場定位、行業(yè)內(nèi)企業(yè)大力協(xié)作、積極尋求國外合作等方面多管齊下，推進(jìn)俄羅斯民用航空發(fā)動機(jī)項目發(fā)展。

7　結(jié)束語

PD-14發(fā)動機(jī)的市場定位，類似于配裝我國國產(chǎn)大飛機(jī)C919的CJ-1000發(fā)動機(jī)，兩款發(fā)動機(jī)的型號之路必定會充滿艱辛和挑戰(zhàn)，并且短期內(nèi)均難以抗衡早已占據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制高點和巨大市場的西方國家同等量級發(fā)動機(jī)產(chǎn)品。

目前，我國已將大飛機(jī)研制工程項目列入國家中長期發(fā)展規(guī)劃，并成立了中國商用飛機(jī)公司和商用飛機(jī)發(fā)動機(jī)公司，為CJ-1000發(fā)動機(jī)的研制與發(fā)展提供了良好的環(huán)境。因此應(yīng)抓住大好機(jī)遇，結(jié)合國內(nèi)外民用航空發(fā)展條件和環(huán)境，找準(zhǔn)市場定位和研制突破口，逐步研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的發(fā)動機(jī)譜系。加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)與積累，借助國際合作平臺，大力開展民用發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件技術(shù)的預(yù)先研究，增加技術(shù)儲備，建立起完善的發(fā)動機(jī)設(shè)計和制造體系。集中優(yōu)勢研發(fā)力量，揚長避短、小步快走，尋找一條適合我國國情的民用航空發(fā)動機(jī)發(fā)展創(chuàng)新之路。

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Development of Russian engine PD-14 project and enlightenment

ZHANG Na，WANG Liang-jun
（China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China）

The developing background of the PD-14 engine was briefly introduced，its developing characteristics were analyzed，the structural design concept and the developing progress were described，the problems and risks faced by the development of this project were summarized and then the enlightenment of this project to domestic commercial engine development was discussed.In order to develop domestic commercial engine industry，the good experience from PD-14 engine project should be used for reference，appropriate marketing orientation and developing goal should be clear on the basis of practical situation，national budget and the level of political support should be increased，so as to build up our own system of R&D，strengthen key technologies research and accumulation and thus look for breaches and new ideas that correspond to the situation of our country to develop national commercial engine.

Russian；civil aero-engine；PD-14 engine；development；risks；enlightenment

V23

A

1672-2620（2015）06-0055-06

2015-03-23；

2015-07-24

張娜（1980-），女，陜西高陵人，工程師，主要從事航空科技情報和俄語翻譯研究工作。