俄羅斯PD-14渦扇發動機項目分析

■ 鄒劍峰 劉翠玉 / 中國航發研究院

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替代產品的俄羅斯國產PD-14發動機被寄予厚望。2021年2月10日，PD-14通過批產認證成為俄羅斯民用航空工業的重要里程碑，也是近幾十年來最具代表性和突破性的項目之一。

蘇聯解體后，俄羅斯航空發動機研發進展緩慢，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啟動了新型MC-21單通道飛機和PD-14渦扇發動機兩個并駕齊驅的項目。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，項目方案和商業計劃得以確認。項目參與方幾經變化，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發動機，也可以配裝俄羅斯國產PD-14發動機。2014年，隨著國際形勢變化，美國開始對俄羅斯實施制裁，現在看來，俄羅斯突破重重難關自主研制國產發動機的做法是明智之舉。

MC-21配裝PD-14發動機進行試飛

PD-14發動機和MC-21發展歷程

PD-14發動機的結構

PD系列發動機主要參數對比

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的第一型符合國際規范和要求的民用渦扇發動機。PD-14發動機由聯合發動機公司（UEC）下屬的彼爾姆航空發動機公司設計，由彼爾姆馬達公司制造。

PD-14發動機的基本參數

PD-14發動機結構緊湊，擁有經過驗證的現代化設計、最佳涵道比和高效的核心機。發動機起飛推力約為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），環保參數優于現行的排放標準。發動機采用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級低壓渦輪結構。

PD-14 的衍生發展

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

PD-14發動機與同類發動機參數對比列表

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

發展系列化衍生產品

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

項目研發特點

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

行業內廣泛協作

PD-14發動機的研制由UEC領導和組織，發動機設計由彼爾姆航空發動機公司負責，制造方為彼爾·姆馬達公司。生產方面，UEC下屬各企業均發揮各自優勢專長，如土星科研生產聯合體、烏法發動機生產聯合公司、禮炮燃氣渦輪科研生產中心以及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企業等。

PD-14發動機的研制和生產聯合了俄羅斯發動機、冶金、材料等相關行業內最優秀的企業、科研院所和高校資源，代表了俄羅斯現今民用渦扇發動機的水平。

重視關鍵技術

PD-14發動機項目不僅包括開發有國際競爭力的發動機，還包括對試生產和批量生產進行技術改造，提升關鍵技術成熟度。在項目框架內，應用發展了16種關鍵技術。例如，風扇、壓氣機、渦輪燃燒室等主要部件設計時均采用三維氣動設計方法；開發了鈦合金空心寬弦風扇葉片的制造技術；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，安裝了氣動調節噴嘴，使用了第二代陶瓷熱障涂層。高壓渦輪轉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級的轉靜子葉片均為空心結構，采用主動間隙控制。

PD-14發動機研制參與單位

發動機短艙由彼爾姆航空發動機公司和VIAM聯合研發，這也是俄羅斯的發動機企業與材料企業首次聯合設計發動機短艙，短艙中碳纖維、玻璃纖維等新型復合材料占其總質量的65%，既保證了所需的彈性和強度，也減輕了發動機質量，還配備了電驅動柵格反推裝置。

研發與應用國產新材料

PD-14發動機采用的俄羅斯國產新材料主要包括：轉子葉片的單晶錸釕合金；噴管調節片的金屬間化合物；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。

在材料研發過程中，VIAM、彼爾姆航空發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。新材料的使用使發動機質量減輕、性能提升。

PD-14發動機新材料與應用部件

發動機短艙采用的新型碳纖維和玻璃纖維復合材料也是俄羅斯首次研發，據稱，這些材料在參數上不遜于其他國家同等材料，保證了發動機短艙的性能。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。

提升工藝與試驗能力

PD-14發動機生產過程中采用了增材制造、數字化生產等先進工藝，各改型型號的零件統一規格程度達到80%。烏法發動機生產聯合公司在PD-14發動機零組件生產時啟用條碼訂單管理系統，改變了工作模式，使勞動生產率提高了15%～20%，也有利于實現質量管理體系數字化。

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

傳動部件和潤滑系統測試設備

發動機材料和零件強度測試設備

在PD-14發動機項目研制過程中，俄羅斯首次在UEC各企業和行業內先進機構（包括VIAM）建立材料與半成品性能試驗理論數據庫，這也為俄羅斯國產材料在歐美取證奠定了基礎。

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

結束語

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