俄罗斯新一代民用发动机的发展概况_图文

1、俄罗斯新一代民用发动机设计和发展特点王巍巍,徐华胜(中航工业燃气涡轮研究院科技情报室摘要:俄罗斯为了挽救本国的民用航空工业,在经济复苏背景下,开始加大力度关注民用航空发动机的发展。新组建的联合发动机制造公司(ODK把研制出新一代民用航空发动机作为自己的主要任务之一。在主研单位和参研单位的积极努力下,目前,俄罗斯新一代民用航空发动机PD-14已经进入了第二轮设计阶段,本文从该发动机的发展背景、研制概况、设计特点和研制特色等方面介绍了俄罗斯新一代民用航空发动机的发展特点。关键词:俄罗斯;民用发动机;研制特色;发展特点1 引言近年来,随着俄罗斯经济的复苏,民航客运量也开始增长,而俄罗斯民航现役机队基

2、本上由上世纪70、80年代研制的客机组成。目前,这些飞机在环保、噪声等方面已经难以满足国际民航组织日益严格的要求。同时,按照飞机的使用年限,在2010年至2015年间,这些飞机将面临退役。为确保民航机队持续运营,确定图-204/214、伊尔-96和伊尔-114等作为2015年前维持民航系统运营的过渡机种,与此同时俄罗斯政府下定决心打造自己的新型飞机MS-21,挽救本国民用航空工业的同时,力图进入国际市场。为了避免俄罗斯的新型飞机上除了机身是俄罗斯生产的,而发动机、附件等都是国外生产的尴尬局面,俄罗斯政府决定研制新一代民用发动机。在经济的复苏背景下,俄联邦政府出台了2015年前俄罗斯航空工业发展

3、战略、2002 2010年间和2015年前俄罗斯民用航空技术发展联邦目标规划等战略性发展规划,在这些战略发展规划的指导下,俄罗斯各主要航空发动机研制单位投入了一定的财力和人力,着手开发新一代民用航空发动机。为重塑昔日大国形象,挤进世界航空强国之列,俄罗斯航空发动机行业开始整合重组,整合优势力量,集中研发拳头产品。根据俄罗斯总统梅德韦杰夫领导的政府在2008年10月4日颁发的1446号政府命令,成立了“联合发动机制造公司(ODK”,该公司联合了“土星”科研生产联合体、乌法航空发动机科研生产联合体、彼尔姆航空发动机公司。新重组的公司把研制新一代民用航空发动机作为其首要任务之一。2 新一代民用发动机

4、的研制概况俄罗斯新一代民用发动机最早着手研制始于2006年,当时的代号为PS-12 ,推力范围在720吨。PS-12发动机的基本型号起飞推力为11800kgf,然后以它为基础研发推力为7、9、12、14.5和18吨推力系列产品。该发动机计划首先用于俄罗斯21世纪的客机MS-21、运输机伊尔-214,以及B737和A320的最新改型。PS-12发动机的主研制单位为彼尔姆航空发动机公司,参与研制的单位有“土星”科研生产联合体、克里莫夫股份公司、彼尔姆发动机工厂、乌法发动机生产联合体股份公司、“动力”科研生产企业、车尔尼雪夫机械制造生产企业、莫斯科机械制造生产企业“礼炮”。俄罗斯中央航空发动机研究院

5、(CIAM对该发动机的研发进行技术指导。PS-12发动机的研制经费主要由主研单位自筹,在研发初期,政府并未拨款。发动机PS-12的结构为6级高压压气机,1级风扇,4级增压级;1级高压涡轮,5级低压涡轮。发动机总重量2450kg,反推力装置重量350kg。但在经过20062008年两年时间的关键技术攻关和相关方案论证,主研单位最终决定把新一代民用发动机的推力范围由原来的720吨改为918吨,代号改为PD-14,见图1。为了降低技术风险和缩短研制周期,把原来的6+1核心机方案改为8+2方案。PD-14发动机核心机中采用8级高压压气机和2级高压涡轮。 图1 PD-14发动机结构示意图PD-14发动机

6、第一轮设计工作从2008年开始,对概念设计方案进行了论证评审,对技术和工艺可行性进行了评估,并对经济性进行了论证。2008年度,主研单位彼尔姆航空发动机公司从国家财政获得4.2亿卢布的拨款,用于研制新一代民用发动机的核心机。并确定所研发的先进核心机不仅要保证适用于不同量级的发动机,而且要保证能够配装不同用途的飞机,既可以配装俄罗斯新一代民用飞机MS-21,还可以配装基于伊尔-214飞机设计方案基础上的中型军用运输机。随着新一代民用航空发动机PD-14第一轮设计工作的全面展开,再次明确了参研单位的分工与职责。彼尔姆航空发动机公司是PD-14发动机的主研单位,主要负责研制核心机、风扇、增压级和低压

7、涡轮,发动机短舱,反推力装置,传动机匣、整机最后的组装和整机试验。“土星”科研生产联合体参与风扇和增压级的研制工作。莫斯科机械制造生产企业“礼炮”参与中介机匣和传动机匣的设计工作。乌克兰“进步”设计局参加燃烧室的设计工作。彼尔姆发动机工厂负责制造燃烧室和高压涡轮,部分高压压气机部件。高压压气机采用焊接转子整体叶盘结构,在乌法发动机科研生产联合体加工。乌法还负责加工风扇、增压级和低压涡轮,复合材料零件由彼尔姆的“机械制造者”工厂负责加工。在2010年3月,PD-14发动机进入第二轮设计,主要工作包括与承制厂协调有关核心机的加工,以及未来整机的生产,以及对市场需求的详细分析与调研。2010年将进行

8、核心机试车。2011年开始制造验证机,2012年开始取证工作。在PD-14发动机第二轮工作开展之际,联合发动机制造公司总经理安德烈列乌斯对PD-14发动机的研发费用进行了初步估算,该发动机的总研制费用大约需要350亿卢布,批生产费用为50100亿卢布(按照2010年的比价1美元为28卢布。计划从2016年开始批生产,年产量不少于2030台。在开展PD-14发动机第二轮工作时,也进一步确定了该发动机核心机方案的通用性,即,该发动机核心机的结构方案和参数允许以其核心机为基础派生研发环保指标提高和性能进一步改善的动力装置,并以它为基础开发功率为616MW、效率为3440%的工业燃气轮机。目前,PD-

9、14发动机的全尺寸燃烧室试验件(图2已经完成加工并进行了试验。初步确定了发动机进气道、短舱整流罩、风扇整流罩、风扇机匣、整流叶片、反推力装置栅格、反推力装置外整流罩等采用复合材料加工,见图3。风扇叶片采用空心结构,内部填充物为凯芙拉复合材料,采用扩散连接工艺制成。选用纳米结构,微粒子尺寸为100500nm的BT6钛基合金,图4给出了采用这种材料制成的空心风扇叶片。 图2 PD-14发动机全尺寸燃烧室试验件 图3 PD-14发动机采用复合材料的零部件 图4 采用纳米结构的BT-6合金制造的空心风扇叶片3 设计特点PD-14发动机基准型推力为14吨,双转子结构,内外涵气流分开排气,带反推力装置和高

10、效的消音系统。该发动机由1级风扇、3级增压级、8级高压压气机、环形燃烧室、2级高压涡轮、6级低压涡轮组成。开发的PD-14发动机的改型包括PD-14A推力为12.5吨,用于MS-21-200飞机,PD-14M推力为15.6吨的增大型用于MS-21-400飞机。PD-14发动机的设计参数为:涵道比为8.5;总增压比为37.2;爬升状态总压比为41.0;涡轮前燃气温度为1450K(H=11,M=0.8和1730K(起飞状态。该发动机关键设计参数指标选择时分别考虑了向上选择技术指标和向下选择技术指标的限制条件。涵道比选取的上限是由于采用了相对适中的涡轮前燃气温度,并考虑到中短程干线客机的飞行循环时间

11、较短,一般为2个小时左右,所必需的温度储备大约为120。涵道比选择时的下限是受到PD-14发动机技术任务书中给定巡航状态的耗油率0.55kg/kgf.h的限制。增压比选取的上限是要保证在起飞状态下有害物质排放指标达标,压气机出口空气温度必需要小于913K,同时还要考虑降低发动机核心机部件的重量和研制费用。增压比选择的下限是受到技术任务书中涵道比、耗油率等技术指标的限制,以及考虑到结构方案中采用两级高压涡轮所能承受的载荷。温度选择的上限是考虑到采用新的叶片材料的持久强度和低周疲劳强度,并兼顾氮氧化合物NOx排放指标,同时保证留有足够的温度裕度。温度选择时的下限是受到整机外形尺寸和重量指标的限定。

12、与目前世界上在役的民用发动机V2527-A5、CFM56-5B4、CFM56-7B27相比,PD-14发动机耗油率下降1017%,全寿命周期费用降低大约1124%,与其他在研的新一代民用发动机PW1000G、LEAP-X等相比,起飞推力相对更高,重量相对更低,具体的参数与在研类似量级发动机参数的对比见表1。表1 参数名称 PD-14 发动机参数与其他先进发动机参数的对比 PW1000G （GTF） RB285-70 三转子结构 LEAP-X 核心机 1/2 双转子结构 （CFMI 公司） PD-14 发动机 双转子结构 （ODK 公司） 齿轮传动风扇， （RR 公司） 双转子结构 （PW 公司

13、） 风扇直径，mm 起飞推力，吨力 涵道比 压气机的总增 压比 1900 14.0 8.5 41.0 2010 13.6 10 42 1830 13.6 10 40 1830 13.6 9/10 35/50 巡航状态推力， 2430 kgf 耗油率， kg/kgf.h 压气机级数 涡轮级数 叶片机总的级 数 轴数量 轴承数量 动力装置重量 kg 相对 CAEP6 标 准 Nox 降低的 目标值 相对与噪声第 4 部要求的噪声 目标值 15dB -45% 2 5 3780 0.526 1+3+8 2+6 20 2600 2600 0.520.53 1+减速器+3+8 2+3 17 0.52 1+

14、6+6 1+1+6 21 0.53/0.51 1+4+8/1+4+10 1+(67/2+(67 20/24 2 6 3800 3 8 3890 2 5 -55% -60% 20dB 1015dB 4 研制特色 4.1 加强预研 俄罗斯在研制 PD-14 发动机之前开展了大量的预研工作， 其中包括前面介绍的技术验证 机 PS-12 的研发和三大高压部件的基础预研。 以燃烧室为例， 为了能够研制出有竞争力的民 用航空发动机， 对燃烧室提出了下列要求： 有害物质的排放水平较 2008 年 ICAO 标准低 2030 ；热端部件寿命不低于 20000 个飞行循环；燃烧室出口燃气最大相对不均度为 1.2

15、5；燃 烧效率为 0.995；总压恢复系数 0.95；点火高度为 9km。为此，开展了以下预研工作： 1.彼尔姆航空发动机公司完成低排放环形燃烧室的方案设计，请 CIAM 专家进行评审。 该设计方案的特点为： 具有双排供油喷嘴的多单元体结构； 气动雾化喷嘴和较低的燃油压差， 既可以延长喷嘴的寿命，又可以延长整个燃油系统的寿命；新型、高效的双层壁火焰筒冷却 系统；减少燃气在燃烧区域的驻留时间，以降低 NOx 的排放。 2为了使燃烧室性能达到设计指标，完成了一系列验证计算，其中包括：喷嘴流体动 力计算；燃烧室气动计算；火焰筒流动计算，并考虑燃烧情况（确定温度场和排放特性） ； 按照飞行循环对燃烧室

16、机匣壁面进行传热计算，其中包括过渡态。 3加工了燃烧室三头部试验件，在彼尔姆和 CIAM 同时进行模拟试验，试验件见图 5。 图 5 三头部试验件 4 根据调试试验的结果得到了燃烧室出口燃气最大不均匀度为小于 1.24 的温度场， 以 及良好的点火性能和宽广的稳定燃烧范围。 5.完成全尺寸燃烧室试验件工程图设计和加工， 在彼尔姆和 CIAM 的专门试车台上进行 试验。 通过开展燃烧室部件的预研工作， 彼尔姆的专家掌握了气动雾化喷嘴的设计； 基于金属 间化合物 -1 的耐热合金材料瓦块式冷却系统的加工； 火焰筒壁面上瓦块的固定等技 术。 4.2 注重试验 在预研先行的同时， 新一代民用航空发动机

17、研制也更加注重试验。 为了确保能够研制出 俄罗斯新一代客机的发动机， 俄罗斯航空发动机行业内的研究所和设计局加强了合作， 以探 索新一代民用发动机采用的技术。早在 2004 年俄罗斯中央航空发动机研究院与彼尔姆航空 发动机公司就开始合作研发用于中短程干线客机涡扇发动机的高负荷单级高压涡轮。2009 年彼尔姆完成了试验件的加工。试验件包括高压涡轮、过渡段、低压涡轮 1 级导向器。在 CIAM 的 TC-2 试车台上进行了试验，试验件方案布局见图 6。通过试验对基于 3D 气动设计 开发的试验件进行验证。在试验过程中，对落压比为 2.84.9 范围内的高压涡轮特性进行研 究。 试验结果表明， 在模

18、拟的巡航状态下， 单级高压涡轮效率达到 0.88。 在 CIAM 的 Y-300C 台架上对工作叶片平面叶栅进行了试验， 试验确定的叶型损失不超过 5%， 与计算结果吻合。 图 6 高压涡轮试验布局图 （1高压涡轮单元；2过渡段；3低压涡轮第 1 级导向器） 试验研究为新一代民用发动机建立了技术储备，最初 PD-14 发动机的涡轮准备采用单 级， 后来考虑到经济性指标和回避技术风险， 以及要在尽可能短时间内推出产品赶上飞机的 研制进度，目前采用了 2 级高压涡轮方案。 3.3 创新管理 PD-14 发动机是联合发动机制造公司的处女作，为了使该发动机能够成功问世，采用 了创新的管理方法。PD-1

19、4 发动机的研制坚持利益共享，风险共担的原则，所有参与 PD-14 研制的单位在国家财政拨款以前共同投资，共同承担技术风险，在产品整个寿命期内，每一 个合作伙伴独立负责所承担的部件所有工作，包括设计、生产、维护和维修，售后服务。 为了打入国际市场，在该发动机的研制之初，开始按照国际市场上发动机的研制规范来 运作，PD-14 发动机设计方案经过专家评审后，分别从项目管理和协调、市场营销学研究、 设计方案经济性分析、技术方案、工艺方案、情报信息支撑等 7 个方面展开工作。其中市场 营销学研究工作比关键技术攻关开展的还要早。 作为民用发动机最主要的管理理念应当是注 重市场。俄罗斯在新一代民用发动机研制上，开始着手向这方面考虑，把该项工作放在比较 重要的位置。在 PD-14 发动机方案论证