俄罗斯PD-14发动机项目发展及启示

张娜，王良君

（中国燃气涡轮研究院，四川江油621703）

俄罗斯PD-14发动机项目发展及启示

张娜，王良君

（中国燃气涡轮研究院，四川江油621703）

简述了俄罗斯新一代民用航空发动机PD-14的研制背景，分析了该发动机项目的研制特点，介绍了发动机的结构设计思路和项目进展，总结了项目研制面临的困难和风险。探讨了该项目对我国民用航空发动机研制的启示：我国发展民用航空发动机产业，可借鉴PD-14发动机项目发展的有益经验，根据我国自身情况，找准市场定位、明确发展目标，加大国家预算经费投入和政策扶持力度，建立自己的设计研发体系，加强技术攻关与积累，寻找符合我国国情的发展民用航空发动机产业的突破口和创新点。

俄罗斯；民用航空发动机；PD-14发动机；研制；风险；启示

1　引言

俄罗斯的民用航空发动机是其航空工业发展的一个弱项。进入21世纪，俄罗斯航空客运量大幅增涨，但航空公司机队却严重老化。为对原有的“图”系列飞机进行更新换代，2002年俄罗斯航空航天局就中短程干线飞机研制项目进行了招标，最终雅克福列夫设计局和伊留申设计局提出的MS-21项目胜出。2009年，MS-21飞机配套发动机招标启动，美国普·惠公司的齿轮传动风扇发动机（GTF）方案中标，成为MS-21飞机的主发动机，俄罗斯联合发动机集团（ODK）的PD-14发动机成为备选发动机。

PD-14发动机是俄罗斯近25年来自行新研的首台民用发动机，其推力量级与在研的LEAP-X、RB285-70、PW1000G等发动机相当。该发动机由ODK旗下的彼尔姆航空发动机股份公司牵头设计，彼尔姆发动机厂牵头生产。

2　研制特点

PD-14发动机主要配装130～180座近中程干线飞机，项目目标是研制技术性能和经济性优于民用航空市场2014～2016年采用的同等推力量级的发动机，并在90～180 kN推力量级的国际航空发动机市场占据不低于10%的份额［1］。PD-14发动机是俄罗斯民用航空发动机制造业一个重要项目，其成功与否对俄罗斯民用航空的意义非同寻常。该项目实施过程中有如下特点。

2.1广泛协作

PD-14发动机的设计与生产联合了俄罗斯发动机制造行业内多家企业的技术力量。除土星科研生产联合体、彼尔姆航空发动机股份公司等俄罗斯ODK旗下企业外，还包含萨马拉发动机制造综合体等非ODK旗下企业参与该发动机的设计与制造。在PD-14发动机制造方面，俄罗斯多家企业发挥各自技术优势广泛协作：乌法发动机生产联合公司，在钛合金铸造和铝合金铸造工艺、大型零件电子束焊及专业线性摩擦焊技术等方面具有技术优势，专门负责生产风扇空心叶片、高压压气机转子、低压涡轮、中央传动壳体及传动装置；土星科研生产联合体，在设计、调试和批生产SaM-146发动机低压压气机方面有丰富的国际合作经验，负责生产低压压气机单元体、中介机匣；礼炮燃气涡轮科学生产中心，拥有先进的高精度齿轮制造设备，负责加工中央传动装置和传动装置零件；彼尔姆斯塔尔股份公司，在设计、批生产自动控制系统和各类航空发动机燃油系统附件方面经验丰富，负责生产自动控制系统和燃油系统附件；萨马拉发动机制造综合体，拥有大型高温铸造设备，负责生产机匣零件［2］。

2.2重视关键技术

ODK通过投资建厂、购置设备和建造试验台等多种方式，积极开发PD-14发动机的关键技术：在俄乌法市组建世界上第四家风扇空心叶片厂，该厂研发工艺已获俄罗斯国家专利；投资约2 072万美元在彼尔姆市组建陶瓷涂层喷涂厂［3］；建立实验室研发复合材料零件加工工艺；购置发动机短舱加工设备；投资约691万美元建造核心机试验台等［3］。

2.3与西方公司竞争

未来航空市场中的MS-21系列飞机，是装备普·惠公司的GTF发动机还是ODK的PD-14发动机，均由飞机订购商自行选择。但这对于研制进度和技术成熟度均不及GTF发动机的PD-14发动机，将面临激烈竞争。

2.4限定成本

PD-14发动机项目是俄罗斯首个按照给定生产成本来设计的发动机，这主要是考虑到要向市场推出的PD-14发动机产品，不仅要在寿命、可靠性、燃油效率等多方面让用户满意，而且在价格上也要有竞争优势。

3　结构设计特点及技术参数

3.1结构设计特点

PD-14发动机采用双涵双轴、内外涵气流分开排气方案。发动机由1级风扇、3级低压压气机、8级高压压气机、环形燃烧室、2级高压涡轮和6级低压涡轮组成，其结构见图1［4］。

图1　PD-14发动机结构示意图Fig.1 PD-14 engine structure

2012年，PD-14发动机从方案设计阶段转入技术设计阶段后，其结构作了如下调整：①附件传动机匣位置从核心机整流罩下方改成短舱整流罩下方，这样不仅降低了自动控制系统、滑油系统和飞机附件等在温度方面的技术风险，还为发动机改进、改型和配装不同飞机提供了可能；②采用了质量和尺寸更小、效率更高的低压涡轮［5］。

图2　PD-14系列发动机共用核心机结构Fig.2 General core structure of PD-14 series engine

3.2主要技术参数

PD-14系列发动机包括3种不同推力级别，以满足MS-21不同机型需要，其技术参数见表1［4］。表中所列参数均未考虑进气道损失、飞机所需的引气和功率提取。此外，以PD-14系列发动机共用核心机（图2）为基础，还将研制PD-10（约97 kN，用于SS-JNG、图-334和别-200等飞机）、PD-7（约77 kN）、PD-18R（约18 kN，用于图-204和伊尔-96）、PD-12V（功率约7 355 kW，用于直升机）及一系列地面燃机。

PD-14发动机与PS-90A和SaM146发动机相比，涵道比增加1倍，涡轮前燃气温度提高100 K［1］；与当代国外同类发动机相比，耗油率降低10%～15%，寿命周期成本减少10%～15%，且噪声小、排放低。表2示出了PD-14发动机与其他主要近中程干线飞机涡扇发动机的参数对比［6］。

与当代同类发动机相比，PD-14发动机不仅性能指标更高，而且技术更先进，其可靠性、寿命和使用维修成本均较优。为确保竞争优势，发动机还采用了复合材料、空心钛合金风扇叶片等一系列先进技术方案。尤其是空心风扇叶片的采用，使得该系列发动机的技术水平跃居世界发动机制造业前列［1］。

表1　PD-14系列三种类型发动机的主要参数Table 1 Main parameters of PD-14 series engine

表2　PD-14与其他近中程干线飞机发动机的参数对比Table 2 Parameter comparison between PD-14 and other short-range and medium-range airliner engines

4　PD-14　发动机项目研制进展

PD-14发动机2012年转入技术验证机研制阶段，同年9月顺利完成技术验证机试验［5］，计划2015年完成发动机取证，2016年开始批生产［7］。

试验方面，2012年5月首台PD-14发动机技术验证机完成装配［8］，6月开始进行技术验证机试验［9］，9月完成技术验证机试验大纲规定的全部测试项目［10］。试验验证了采用先进技术的多种零部件（如空心钛合金风扇叶片、单晶高温合金和金属间化合物涡轮叶片、压气机整体叶盘等，图3）的工作能力［10］。

PD-14发动机燃烧室由彼尔姆航空发动机股份公司设计（图4），经多次试验（核心机、技术验证机、高空台和高参数高空台试验）发现该燃烧室仍存在一定问题。为降低风险，委托在研制低污染长寿命燃烧室方面拥有丰富经验的乌克兰前进机械制造设计局设计了备用燃烧室，并计划在PD-14验证机二次装配时采用。随后，将根据试验结果选择具体燃烧室方案［5］。

图3　PD-14发动机的空心风扇叶片、涡轮叶片和压气机整体叶盘Fig.3 Hollow fan blade，turbine blade and compressor blisk of PD-14

图4　彼尔姆航空发动机股份公司研制的燃烧室Fig.4 The combustor developed by Perm Aviadvigamel Joint-Stock Company

目前，PD-14发动机技术设计阶段已经结束，彼尔姆航空发动机股份公司正与伊尔库特集团研究飞发一体化方面的问题［4］。负责PD-14原型机及短舱试验件生产的各企业具体责任划分也已明确，并已全面展开生产。

5　面临的问题和风险

如上所述，虽然俄罗斯投巨资于PD-14发动机项目，且PD-14发动机技术验证机在首轮试验的各工况表现良好，但综合多方面因素看，PD-14发动机前景也面临一定风险。这是因为PD-14发动机不仅研制要求苛刻、技术难度大（其可靠性要求达99.95%［6］），同时还要应用多种新技术和新材料，而材料和发动机的鉴定任务重、项目风险大。

5.1材料的鉴定

由于PD-14发动机将采用多种先进材料，所以材料鉴定很关键。目前，全俄航空材料研究院已研制出PD-14发动机需用的材料，但均未经鉴定，且俄罗斯评定这些结构材料特性的工艺与其他西方国家有所不同。尽管目前俄罗斯已创建了ODK各企业及行业内重要研究所鉴定俄罗斯材料的试验理论数据库，但在2015年PD-14发动机取证之前，还要再建立欧洲（EASA）鉴定俄罗斯材料的试验计算数据库，和按照美国要求与FAA标准建立有关鉴定俄罗斯材料的试验计算数据库［5］。

为解决材料鉴定问题，彼尔姆航空发动机股份公司已与全俄航空材料研究院、中央航空发动机研究院商定，拟筹集资金购买设备来生产新材料和按西方标准鉴定新材料。

5.2发动机的鉴定

PD-14发动机订购商的技术任务书中明确规定了发动机及其生产的鉴定要求，并已与国际航空委员会航空注册局签订了PD-14发动机鉴定协议。未来，PD-14发动机的研制方将在航空注册局鉴定发动机的同时，还要与欧洲航空安全局专家进行鉴定，以便获得欧洲航空安全局的官方认证。航空注册局也已就此与欧洲航空安全局达成一致意见［5］。

尽管目前看来PD-14发动机项目进度完全符合国家要求，但这并不意味着项目不存在风险。如今，MS-21项目成功的风险很大，使得PD-14发动机项目成本回收率很成问题［11］。

6　启示

目前，PD-14发动机仍在研制中，现在谈论PD-14发动机项目成功与否时机尚早。尽管如此，但从俄罗斯PD-14发动机项目启动至今的发展过程，仍能得到如下启示：

（1）找准市场定位

PD-14发动机项目启动之初，就瞄准了占世界民用（商用干线）航空市场份额最大的130～180座近中程干线飞机市场，并把满足安全性、经济性、舒适性要求放在首位，试图在90～180 kN推力量级的航空发动机市场占据不低于10%的份额［1］。

（2）国家层面的政策扶持和资金投入

2005年以来，俄罗斯政府相继出台了《2015年前俄罗斯航空工业发展战略》（下称《战略》），和《2002～2010年及2015年前民用航空技术装备发展联邦专项规划》（新修订版）（下称《规划》）等纲领性文件，其中针对俄罗斯民用航空发动机制造业产品的发展提出了明确的战略规划，从政策上开始向民用航空发动机制造业倾斜。

此外，在国家预算经费方面，俄罗斯政府也显著加大投入力度。如《战略》实施10年的总经费需求为196亿美元，其中国家预算经费就达137亿美元［12］；《规划》第二阶段（即2006～2015年）总经费需求约为87亿美元，其中国家预算经费就有约48亿美元，约占55%［12］。由此可见俄罗斯国家层面对俄罗斯民用航空发动机制造业的重视程度。藉助此种有利的政治环境和经济条件，ODK高度重视PD-14发动机项目，从建设零件生产厂、购置关键设备等多方面积极为型号研制做准备。

（3）联合全行业技术力量大力协作

PD-14项目从一开始就联合行业内多家企业按统一进度计划协同工作，真正实现了从设计到制造数个工作环节中多家实验设计局和批生产厂的密切合作。这些企业不仅包括ODK旗下企业，还包括一些非ODK所属的俄罗斯大型发动机制造企业。

（4）积极寻求国外合作

尽管PD-14发动机的主研单位彼尔姆航空发动机股份公司有着丰富的燃烧室设计经验，但其为PD-14发动机设计的燃烧室经多次试验后仍存在问题，彼尔姆航空发动机股份公司在这种情况下与乌克兰前进机械制造设计局合作，委托其设计新的燃烧室，以作两手准备。

由上可见，俄罗斯政府在发展民用航空发动机方面可谓下了大力气，从顶层文件的政策制定、国家预算经费的大力支持，到对产品准确进行市场定位、行业内企业大力协作、积极寻求国外合作等方面多管齐下，推进俄罗斯民用航空发动机项目发展。

7　结束语

PD-14发动机的市场定位，类似于配装我国国产大飞机C919的CJ-1000发动机，两款发动机的型号之路必定会充满艰辛和挑战，并且短期内均难以抗衡早已占据技术标准制高点和巨大市场的西方国家同等量级发动机产品。

目前，我国已将大飞机研制工程项目列入国家中长期发展规划，并成立了中国商用飞机公司和商用飞机发动机公司，为CJ-1000发动机的研制与发展提供了良好的环境。因此应抓住大好机遇，结合国内外民用航空发展条件和环境，找准市场定位和研制突破口，逐步研发出具有自主知识产权的发动机谱系。加强技术攻关与积累，借助国际合作平台，大力开展民用发动机关键部件技术的预先研究，增加技术储备，建立起完善的发动机设计和制造体系。集中优势研发力量，扬长避短、小步快走，寻找一条适合我国国情的民用航空发动机发展创新之路。

［1］ВикторО.ПермскоеМоторостроительноеКБИ "Туполев"отмечают 75 лет совместной работы［EB/ OL］.（2012-10-25）［2013-05-10］.http://vpk.name/news/ 77596_permskoe_motorostroitelnoe_kb_i_tupolev_ otmechayut_75_let_sovmestnoi_rabotyi.html.

［2］Козлов Д."ОДК"И Корпорация"Иркут"презентовали самолетМС-21сдвигателемПД-14［EB/OL］.（2012-11-09）［2013-06-15］.http://www.permonline.ru/？page=1151&newc=33737.

［3］КозловД.ПД-14создаетсяпрактическивсеми авиадвигателестроителямиРоссии［EB/OL］.（2012-04-16）［2013-07-15］.http://www.aviaport.ru/news/2012/04/ 16/233024.html.

［4］Семейство двигателей ПД тягой 9-18 тонн［EB/OL］.［2013-07-15］.http://www.avid.ru/perspective-development/ pd/.

［5］Виктор О.Конкурентоспособность двигателя ПД-14 сомнений не вызывает［EB/OL］.（2013-02-19）［2013-08-01］.http://www.aviaport.ru/digest/2013/02/19/249511.html.

［6］张娜.MC-21客机与PD-14发动机研制近况［J］.国际航空，2012，（2）：66—69.

［7］张娜，黄春峰，王良君.俄罗斯新一代民用飞机MC-21及其动力装置［J］.国际航空，2011，（2）：66—69.

［8］Аудиторыположительнооценилисертификацию производства двигателя ПД-14 на Пермском Моторном［EB/OL］.（2013-01-09）［2013-09-07］.http://news.mail. ru/inregions/volgaregion/59/economics/11536579/.

［9］В Перми состоялся первый запуск двигателядемонстраторатехнологий［EB/OL］.（2012-06-14）［2013-10-01］.http://vpk-news.ru/news/1356/.

［10］Перспективный двигатель-демонстратор технологий ПД-14 успешно сдал первый экзамен［EB/OL］.（2012-09-13）［2013-11-10］.http://www.avid.ru/pr/news/ 1522/.

［11］Андрей Б.И.Государственная программа Российской Федерации развития авиационной промышленности на 2013-2025 годы［EB/OL］.（2012）［2013-12-01］.http:// www.gosprogrammy.gov.ru/Main/ClientBin/Passports/17/ Государственная%20программа%2017.pdf.

［12］刘静，刘红霞，梁春华，等.俄罗斯民航发动机发展战略措施［C］//.中国航空学会第十届发动机软科学学术研讨会论文集.2009.

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

张娜（1980-），女，陕西高陵人，工程师，主要从事航空科技情报和俄语翻译研究工作。