鲲鹏展翅九万里 鸿飞冥冥星斗移-俄罗斯航空涡扇发动机新进展(大涵道篇)
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I巨变后慢慢恢复中的俄罗斯航空发动机业 前传和发展期
【利刃军事第423期 文/da76】作为航空制造业大国的俄罗斯,其航空发动机发展进程一直备受外界关注,也和中国的航空发动机发展紧密相连,休戚与共,更牵动着诸多航空爱好者的心弦,本文将大篇幅阐述近几年来俄罗斯航空涡扇发动机的最新发展进程。读者可订阅本号准备长时间阅读。
在76ll上首飞的pd14
莫斯科航展上展览的PD14发动机缩比模型
试车台测试中的PD14
近日,俄罗斯军工综合体网站(VPK)刊载了关于俄罗斯第五代商用大涵道发动机PD-14A大涵道涡扇发动机挂飞IL-76LL飞行测试平台在俄罗斯伊尔库茨克首飞的图片,这也宣告了自2008年启动PD-14型号发动机研制以来,该项目取得阶段性成果,俄罗斯新支线客机MS-21将获得可靠的推力保障,也宣告着俄罗斯商用发动机正向老牌航空三巨头普拉特.惠特尼&通用电气公司和罗尔斯.罗伊斯公司提出强有力的挑战。
相关专家指出,纵观上世纪末90年代末到本世纪头15年的俄罗斯航空发动机史看,虽然前苏联解体,苏东波巨变以及经济上实行休克疗法的后遗症对俄罗斯的航空发展带来无可挽回的影响,但自普京政府执政以来,随着石油美金的不断流入,俄罗斯开始试图修复其航空制造业能力,在军用领域:扩大了对东亚地区的军机出口,在拉美、非洲、东南亚和南亚巩固和拓展了其市场,如侧卫系Su系列和米格系MIG-29&33系列,教练机如YAK-130系列,在配套的航空发动机领域,向中国连续出口AL-31系列发动机和RD-93发动机,向印度出口了联盟(Soyuz)发动机集团的AL-55发动机以用于其国产新型教练机HJT-36的动力,并配套Su-30MKI向印度出口了AL-31FP推力矢量发动机(带俯仰可调轴对称推力矢量喷管,俄语缩写为AT),在大涵道发动机方面,俄罗斯巩固了原有彼尔姆(PERM)设计局D-30KP2的市场,并适时推出了15吨级更大推力发动机D-30KP3的改装套件,并向东亚某国出口了300多台,以用于其俄制运输机及更大型国产运输机和某中型轰炸机的换发需要。
专家指出,在俄罗斯经济困难期,俄罗斯的航发处于无以为继的窘境,正是中印等国的大笔采购,给了俄罗斯喘息的时机,雪中送炭给了俄罗斯大量资金的补充,熬过了冷战后的慢慢长夜。
在新型涡扇发动机研制方面,据俄罗斯战略平衡网站相关报道,俄罗斯在本世纪第二个五年内完成了基于D-30KP系列发动机核心机改进的PS-90A发动机,用于军用IL-76MD90A新型运输机(该运输机已于2013年首飞,正转入批量生产中)以及民用IL-96四发大型商用客机及图-204双发单通道客机的动力升级;有相关证据显示,其中的PS-90A2型的研制和普惠公司进行了合作研制,以期打开西方国家航空动力市场。
Sam-146中等推力大涵道发动机
与此同时在70-100座支线客机方面,俄罗斯推出了苏霍伊公司的超级100喷气(SSJ-100)支线客机,该支线客机的主发动机提供源自留里卡设计局和赛峰旗下的斯奈克玛公司合作的Sam-146中等推力大涵道发动机,该发动机提供的不加力推力为8吨,斯奈克玛和留里卡进行了合作分工,斯奈克玛负责核心机部分,而留里卡负责低压和风扇部分,SSJ-100型飞机于2000年开始开发,第一架样机于2007年9月26日亮相。2008年完成首飞,2011年4月19日,第一架量产SSJ-100交付亚美尼亚航空公司。4月21日成功完成了从埃里温到圣彼得堡的首趟客运航班。2012年5月,SSJ-100客机在印度尼西亚展示飞行中失事坠毁,由于失事调查结果没有后续相关报道,也为这款外型靓丽的支线客机蒙上了命运多舛的阴影;此前有消息称:中国有意在郑州和俄罗斯联合生产该型支线客机;此事也为其配属的Sam146发动机的销量打上了大大的问号。俄罗斯航发业也因此而存在大量不确定性,长夜未明,曙光何方?
II 曙光,前方,奇兵突出的第五代大涵道发动机发展秘辛
俄罗斯大涵道发动机的前途是波折坎坷的,但漫漫长夜终有结束的时候 进入2005年后,新的项目脱颖而出,那就是崭新的五代机计划。
在第五代大涵道发动机研制方面,有俄罗斯媒体在早年就透露了相关计划,最初称为PS-12(曾改名PS-14),该型号机是基于俄罗斯中央航空燃气涡轮院(CIAM)和彼尔姆(PERM)设计局基于俄罗斯新一代发动机核心机的基础上发展而来,后经多轮修改设计,定名为PD-14发动机,而最新的消息显示PD-14的背后显然是一个雄心勃勃的庞大计划,该计划覆盖8吨到20吨的所有大涵道商用发动机,依次分别为:
PD-14首飞
1.PD-7 推力范围8吨,应用于苏霍伊的SSJ-100和安东诺夫的An-148双发支线客机,该发动机尚处于计划阶段
2.PD-10 推力范围10吨,(该发动机结构为1级风扇+1级低压压气机+8级高压高压压气机+环形燃烧室+2级高压涡轮+5级低压涡轮)应用于研制中的苏霍伊SSJ-100的加长加大深度改进版SSJ-130NG,该型支线客机几乎已经接近单通道干线客机的范畴,座位数量在100-130人,目前该发动机的研制还在起步阶段
3.PD-14A推力范围12吨(结构为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+6级低压涡轮;涵道比bypass ratio为8.6;总压比total pressure ratio为38)应用于研制中的MS-21-200&300以及IL-76MD型运输机的动力升级。
自08年启动研制该型发动机研制以来,该型发动机2010年首次披露于俄罗斯官方媒体,2012年进入型号机组装阶段,2013年首次台架试车,2015年11月5日首飞,转瞬间,该型号的定型商用也是指日可待,而其所配装的MS-21系列客机也是曙光乍现,在此我们也有必要简单介绍下MS-21。
图204
MS-21,是俄罗斯联合航空制造集团旗下伊尔库特克飞机制造厂最新研制的中短途系列干线客机,原始设计是基于雅克福列夫设计局三发Yak-42客机的双发发展型Yak-242,其研制目的是取代俄国内现役的图-154和图204客机,并与其主要对手欧洲空中客车公司的A320系列及美国波音公司的Boeing-737系列参与国际市场竞争,该机计划中为三个亚型号,分别为200型、300型和400型,载客数分别为135-176、163-211及178-230座。200型的对应飞机分别为A319neo和Boeing737Max7以及庞巴迪公司的CS300;300型所对应飞机分别为A320neo和Boeing737max8/max200及中国商飞的C919客机;400型对应的是A321neo和Boeing737max9。
MS-21客机最早透露于2008年3月,当时就考虑使用国产第五代发动机PD-14于2009年莫斯科航展上推出,并在同年12月与UTC旗下普拉特.惠特尼公司签署购买配套齿轮传驱动风扇发动机PW1000G的协议,早些时候有消息称将于2014年首飞,由于主发动机供货方普惠公司的关系,首飞一再拖延,目前收集到最新发展情况是
据俄罗斯卫星新闻莫斯科2015年1月15日消息,俄罗斯副总理德米特里?罗戈津表示,俄罗斯新式中程客机MS-21计划2016年中期前进行首次飞行。他在俄总理德米特里·梅德韦杰夫与副总理们会晤时说:'我们计划2016年4月至这一年的中期进行首次飞行,期望我们的第一架飞机能在这个期间升空。'他补充说,在制造飞机时计划使用两种不同的发动机。罗戈津向梅德韦杰夫报告说,鉴于飞机的飞行重量,飞机将具有竞争力,因为制造飞机时采用了新型复合材料和合金。罗戈津说:'我们期望,在运营成本方面飞机的竞争力能比空中客车公司(Airbus)和波音公司(Boeing)出产的同类飞机高出大约13-15%。'他说,两天前刚组装好首架飞机机身的第一部分。
但到目前显示的迹象,该飞机尚未首飞。但是随着配套发动机PD-14A的首飞,相信不久的将来我们会听到好消息!
4.PD-14&PD14M推力范围分别为14和15吨(结构分别为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+6级低压涡轮及1级风扇+4级低压压气机+8级高压+环形燃烧室+2级高压涡轮+6级低压涡轮,涵道比bypass ratio分别为8.5和7.6,总压比分别为41和46)主要应用于MS-21-300&-400和IL-76MD-90A的中后期换发和IL-78M-90A加油机的中后期换发以取代早先的PS-90系列。
观察员时雨指出,纵观PD-10到PD-14各型的结构看,由于各自推力的不同,压气机级数基于同一高压压气机基本级数不变情况下采取了各自适合的低压压气机级数,以满足各自的不同总压比和喘振裕度需要,而由于进气流量的差别,风扇直径的变化,低压涡轮负荷的增减,低压涡轮也采取了各自匹配的级数以承担工况需要,而从高压涡轮看,无一例外的采用了2级结构,较少的高压涡轮级数也反映了俄罗斯在高压涡轮设计方面的高水平;同时,从涵道比水平看,基本在先进大涵道发动机的8一级左右,高涵道比带来更低油耗的同时,也对核心机和风扇以及低压涡轮提出更高的要求,以达到更高效率和能源使用率。另有前期俄罗斯相关媒体透露的消息,其涡前温度T4接近1900K,这与当今最先进的两款10-20吨级的发动机LEAP系列和GTF系列极其相似,据信中国正在研制中的CJ-1000商用10吨级发动机的T4温度也在这一数据附近,极高的涡前温度对发动机涡轮材料和风扇压气机设计及发动机总体结构设计都提出更高的要求,这或许也是PD-14踟蹰不前的问题之一。另据报道,以上各款有85-90%的通用部分,较高的单元体配件通用性,也提高了维护效率,降低了维修成本,减少了备件库存。
5.未来发展项目PD-18R,该型号采用当今最流行的齿轮驱动风扇模式,类似于普惠的GTF系列,通过齿轮变换转速,将低压压气机和风扇安排在各自满意的转速。有观察员指出相比过去的低压压气机和风扇串轴同转速,风扇可以做得更大,转速相对更低,叶尖切线马赫数也没有过高失速的风险,而低压压气机也可以获得一定的增压比提高,提高总压比,以达到更为满意的燃烧室前进气流量,以期获得更好的燃烧效果,获得更大的推力;同时相比三轴式发动机如RB211系列,又能减少部件数量,减轻发动机重量,提高一定的发动机推重比;由于零件的减少,又增加了可维护性,但同时,又对齿轮传动性能提出更高要求,要求齿轮达到更高的使用效率和可靠性。由于俄罗斯国内的库兹涅佐夫设计局有长期发展涡桨和三轴式涡扇发动机NK系列的经验,同时也发展过涵道式桨扇的路程,对齿轮变速和齿轮驱动风扇有一定的经验,所以彼尔姆设计局在研制设计PD-18R应该也能获得一定的受益和帮助,据俄罗斯联合发动机制造公司的官方披露,计划中的该发动机的起飞推力18-20吨,将配备最新研制的Tu-214、IL-96-300、IL-96-400Т、IL-214、IL-106等新型客机和运输机。
An-124
An-225
2015年3月,俄罗斯国防部透露了“运输航空兵未来飞机系统”(简称PAKTA)计划,旨在发展从中型,大型到重型的系统运输机,用来取代老旧的An-124和An-225,甚至取代IL-76系列的计划,按计划其第一步,将首先研制载重达80吨的新一代大型运输机,其载重量可运输俄罗斯最新的阿玛塔坦克,预计能够在土质跑道上起降,设计指标已经和美国C-17运输机相当甚至略有超过,其选用的发动机就将是单发推力超过18吨的PD-14系列发动机的改型,从已有资料分析看,该发动机很可能就是PD-18R,其设计指标已经超过了C-17运输机配装的F117发动机
D-18T
除了20吨以下级大涵道发动机上的作为,在20吨以上,甚至30吨推力量级方面,俄罗斯也提出了新的想法。
如前所述,俄罗斯一方面提出了安多诺夫设计局的鲁斯兰和梦幻运输机的下一代方案,一方面积极谋求在国内生产鲁斯兰和梦幻运输机,由于俄乌冲突,乌东部问题的龃龉,乌克兰已经决定不向俄罗斯提供驱护舰所用的燃气轮机(前苏联的主要燃机基地是位于乌克兰尼古拉耶夫州的曙光机械制造集团其EN缩写为Zorya)俄罗斯正在建造的主力驱护舰如22350和11356M后续舰正处于无心可用的地步,虽然俄罗斯在积极进行国产和替代方案,但需要时间,最快也要2018年以后才能初步定型!
An-124在俄罗斯国内的量产也有着同样的问题,由于其发动机D-18T(推力在20吨+,其最新改进的第III型和第IV型推力分别超过了23吨和25吨)在位于乌克兰扎波罗热市的伊夫琴科-进步设计综合体总装,所以也连带受限于当前俄乌局势而不能顺利出口。
正因如此,俄罗斯2012年提出的PD-30发动机计划也超前的提上了议事日程。
上世纪90年代前后,俄罗斯库兹涅佐夫设计局曾经提出过推力达到40吨量级的大涵道NK-44涡扇发动机计划,其可以与美国当时最先进的GE-90系发动机比肩,也可以媲美罗罗当时的Trent系列发动机。之后,又先后有用于IL-106号称“C-17斯基”大型运输机计划的涵道式桨扇发动机NK-93(其设计推力也达到了18-20吨)以及18-30吨推力量级的大涵道发动机NK-65等计划推出。
而NK-65发动机研制计划正是基于号称白天鹅的Tu-160重型远程战略轰炸机的动力NK-32系列发动机
NK-32系列是三轴中涵道加力式发动机,是基于NK-22和NK-25发动机基础上全新推出的重型加力涡扇发动机;而NK-65正是借鉴了其核心机,适当降低了涡前温度T4并提高了总压比,加大了涵道比,设计了全新的风扇和低压部分,修改了相关循环参数而设计出的一款全新大涵道发动机。
打开机头的安124配装D18T发动机
而2012年的莫斯科航空发动机展上,俄罗斯联合发动机制造公司(UEC)携手库兹涅佐夫设计局联手推出的PD-30发动机也正是基于NK-65发动机计划而全新改进设计而来,其推力达到了30吨量级,大有一举取代D-18T发动机,拿下全面国产化An-124运输机道路上绊脚石的如虹气势。据相关媒体透露,按计划PD-30发动机将于2020年前后达到量产能力。
以上概略介绍了下俄罗斯五代大涵道发动机发展路上的七七八八,虽然当年的苏联也曾有过气吞万里如虎的气势,而如今陷入窘境的俄罗斯也有虎瘦雄心在的胆魄,但计划毕竟是计划,测试定型成功量产赢得用户的信任才是一切发动机前进路上的试金石。
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希望俄罗斯的双头鹰之心一路走好,也希望这柄斯拉夫长剑出鞘时刺破青天锷未残
正是,鲲鹏展翅,九万里,翻动扶摇羊角
鸿飞冥冥,星斗移,还看东方破晓
十年面壁,图破壁,一朝为山九仞
更上层楼,梦期圆,杯酒还酹江月
俄罗斯第五代加力涡扇发动机的最新情况将视适当时机,再续前缘。届时沉岩也将一吐胸臆,好好梳理下俄罗斯发动机的前世今生!