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俄罗斯涡轴发动机的创新发展

Innovative Development of Russian Turboshaft Engines

刘翠玉     2021年10月18日

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苏联解体前,TV2-117和TV3-117涡轴发动机及其改型共生产约5万台,创造了该级别发动机销量的绝对纪录。苏联解体后,俄罗斯和乌克兰主要为卡-50和米-28战斗直升机研制TV3-117VM和TV3-117VMA发动机,由克里莫夫公司负责设计,由乌克兰扎波罗热马达西奇公司负责生产。2014年,俄乌关系紧张,国际政治形势复杂,新机研制进展停滞,促使俄罗斯致力于实现进口替代。近年来,俄罗斯的涡轴发动机项目主要包括VK-2500P、VK-2500PS-03、VK-2500PS-02、TV7-117V、VK-650V、VK-1600V和VK-2500等,这些发动机可以满足轻型和中型直升机动力的国产化需求。

 

代表机型及其主要特点


VK-650V轻型直升机发动机


俄罗斯联合发动机公司(UEC)在轻型直升机动力装置中最重要的创新是VK-650V发动机,该机型于2019年开始研制,2020年9月首次亮相,主要配装安萨特(Ansat)、卡-226T、VRT-500等轻型直升机,用于替换这些机型配备的国外发动机。VK-650V发动机的起飞功率为478kW,采用模块化设计、全权限数字式电子控制(FADEC)系统。与国外同类相比,虽然功率、耗油率基本相当,但成本更低,质量更轻,而且保持了俄制发动机在极端气象条件下的安全性和可靠性。UEC还计划利用VK-650V核心机为无人机和轻型飞机研制367~514kW的发动机。

 

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VK-650V发动机

 

VK-650V发动机的研制依靠广泛的行业合作,除克里莫夫公司外,全俄航空材料研究院(VIAM)、车尔尼雪夫机械制造企业和“礼炮”科研生产联合体也参与其中。首台演示验证机中12%(质量)的部件采用了增材制造技术,涡轮导向器、涡轮机匣零件、燃烧室旋流器均由VIAM研制的镍基和钛基粉末合金制成。2020年12月,乌法发动机生产联合体为VK-650V发动机制造了自由涡轮转子、燃烧室和涡轮支承等组件。2021年年初,VK-650V发动机首次点火成功,目前演示验证机的第二阶段测试已经开始,计划2023年取得型号合格证,2024年开始批量生产。


VK-650V发动机的主要创新点包括:新的FADEC系统;20%的零件使用增材制造技术以减轻质量;采用移动式服务,主体是一个长度约12m的集装箱,可容纳各类生产设施且便于运输。


VK-650V发动机预计年产160台,占俄罗斯国内市场需求的30%。目前,俄罗斯直升机控股公司表示有意签署首批供应合同,发动机将用于改型直升机的飞行测试,以实现换发目标。


VK-2500中型直升机发动机


由于俄乌关系日趋紧张,俄罗斯未雨绸缪,早在1999—2001年就开始了米-28直升机的TV3-117VMA发动机的国产化工作,替代型号为VK-2500,已于2012年完成测试,2015年批量生产。VK-2500的批产,标志着俄罗斯国产涡轴发动机实现全自主生产。该型发动机在俄罗斯及国际上非常受欢迎,5年内生产了600多台,还可配装米-24/35、卡-52、卡-27/29/31和卡-32。与TV3-117VMA发动机相比,VK-2500发动机更先进,燃油效率高,功率提高了15%~20%,采用了新型控制系统BARK-78,以及SHK-78-1工作时间计数器,最高实用升限增加了30%,爬升率增加了50%。与美国T700发动机相比,该发动机可靠性高且运行成本低。


VK-2500发动机重要创新是自动控制系统的研制。TV7-117和VK-2500的所有改型都将采用克里莫夫公司开发的BARK-65/6V自动控制系统。目前已开始对BARK-6V进行模块化升级,且只采用俄罗斯生产的组件,这也将成为一个突破点。


改进型VK-2500PS-03发动机于2016年完成认证,2017年投入批产,配装米-171A2民用直升机;该发动机的军用型VK-2500P,配装升级后的米-28NM,已于2020年完成国家测试,可不需改进直接用于所有“米” “卡”系列军用直升机。克里莫夫公司将于2022年年底完成VK-2500PS-02发动机的设计,用于改进后的卡-32,新发动机将提高直升机在外挂载荷情况下执行木材集运、灭火或其他任务的能力。

 

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VK-2500PS发动机

 

TV7-117V中型直升机发动机


TV7-117V发动机在2015年获得型号合格证,2017—2021年共交付17台,配装米-38。同时计划安装在“卡”系列直升机上,2030年前还获得了另外255台发动机订单。TV7-117V已在全球得以应用。目前,UEC正在与国外合作商就TV7-117V适配国外机型进行谈判。

 

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TV7-117V发动机


VK-1600V中型直升机发动机


VK-1600V发动机起飞功率为1029kW,专为卡-62多用途和特种直升机设计,并计划在其基础上为轻型客机和支线运输机研制VK-1600S涡桨发动机。VK-1600V发动机已通过设计审查,首台验证机已完成组装并在2021年莫斯科航展上展出,将于年内进行试验,预计2023年取证,2024年批产。

 

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VK-1600V发动机


VK-1600V发动机的验证机中,约70%铸件采用增材制造技术,包括涡轮导向器、第一支承壳体、涡轮支承壳体及其他组件。VK-1600V发动机的设计首次全部实现电子化。研发过程中使用产品数据管理(PDM)系统,采用了克里莫夫公司研发的BARK-15V控制系统。


重型直升机和无人机发动机


UEC还致力于为米-26重型直升机研制国产动力,目前,该直升机配备了两台乌克兰D-136发动机,替代型号为PD-12V,该机型基于俄罗斯新型PD-14发动机核心机研制,采用了新技术和先进材料。发动机采用双轴设计,包含8级压气机、2级涡轮和3级自由涡轮。发动机质量为1150kg,尽管比D-136发动机多出近100kg,但其推力可以提升至10290kW,对周围环境适应性更强,在高海拔和炎热气象条件下也能保持性能。PD-12V发动机计划采用FADEC系统,飞发一体化得以改善,耗油率可下降9%。此外,新的中俄AHL重型直升机也可以配备PD-12V发动机。


近年来,随着无人机的快速发展,其发动机的研制也获得了极大关注。UEC的混合电推进验证机的研制,具有推广应用至轻型无人机的潜力,其中包括无人直升机。关于混合电推进技术的应用,UEC正与俄罗斯直升机集团、乌拉尔民用航空厂、喀琅施塔得集团等进行谈判。

 

涡轴发动机研制特点


在涡轴发动机研制过程中,UEC注重基础设施建设和行业合作,注重提升设计、制造工艺水平,以及新材料和新技术的应用,不断取得新突破。


加强基础设施建设 ,全面保障生产


为了保障各项目的实施,实现俄罗斯涡轴发动机的全生命周期自主研制,在国家大力支持下,克里莫夫公司投资建设50000m2的设计和生产基地,并于2015年全面完成生产、行政和设计局的搬迁。历时2年完成了试车台改造,新建试车台16个,并彻底更换了工程网络。目前,公司共有27个试车台,试验能力大大提升,可在2021年将TV3-117和VK-2500系列发动机的产量增加30%。

 

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克里莫夫公司新生产基地


UEC还尝试通过建立专业化中心来改造现有的生产模式。2020年,在乌法发动机科研生产联合体组建了一个涡轴发动机部件生产中心,旨在为批产型发动机生产配套件。中心包括4个生产基地,配备数百台现代化数字设备。


俄罗斯国家技术集团于2018年成立增材制造中心,为俄罗斯多个大型项目生产零部件,如PD-14、PD-35、VK-650V、VK-1600V 发动机等。该中心于2021年10月7日成为首家获得3D打印批产航空产品许可证的俄罗斯企业,可批产民用飞机、直升机的发动机部件。

 

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俄罗斯国家技术集团增材制造中心

 

注重科技创新研究,创建新研项目


涡轴发动机自主研制方面的一个重要创新点是自动控制系统,确保在紧急状态下增加发动机输出功率,提高可靠性和降低燃油消耗。20世纪90年代末,克里莫夫公司创立了发动机数字化自动监测与控制系统研发部门,目前可为所有先进发动机提供BARK系列控制系统的研发、制造和维护服务。自动控制系统方面,未来将应用人工智能,有助于预测和防止异常情况的发生。


除传统的动力装置外,UEC还着眼于先进创新项目。2020年8月,克里莫夫公司启动了混合电推进系统演示创新项目,包括研制混合电推进系统各部件以及集成,将有助于在试验设计工作框架中研制一系列市场所需的动力装置,用于多用途直升机、无人机和支线飞机。UEC也推出了新一代涡轴发动机概念,采用空气轴承,减少液压机构,极大优化产品结构,大幅减少零部件数量。


应用新材料与工艺 ,提升制造能力


基于PD-14涡扇发动机研制经验,UEC开发的一系列新型复合材料和制造工艺,能够广泛应用于其他产品。目前增材制造技术已广泛应用于涡轴发动机生产,尤其是VK-650V的验证机和原型机。


积极转变生产模式,寻求内外合作


早在2005年,克里莫夫公司就摒弃了传统的企业全包全揽式生产模式,转而采取了多方合作和外包协作,提高了生产效率和全球竞争力。目前,克里莫夫公司主要侧重于国内合作,得益于数字化转型,与合作伙伴的互动更有成效。联合型公司是非常有利于合作的一种模式,俄罗斯国家技术集团在全国60个地区共有800多个科研和生产组织,许多相关企业都建有共用的生产加工和试验数据库中心,非常有助于开展合作。

 

结束语


俄罗斯涡轴发动机的发展得益于诸多内外驱动因素。首先,多年的科技储备和研制经验是促进发展的内部基础,各型新产品几乎都是原有产品的改型,可实现材料、技术和工艺等的通用。其次,进口替代是重要的政策导向,尽管是不得已而为之,但事关国防安全和国民经济,从长远看是非常有利的。第三,国家的财政支持是各项目的重要保障,国家和集团公司对产品研发投入了巨大资源,建设新生产基地和专业化中心、更新设备,有效地提高了研发和生产能力。第四,西方制裁和迫切的市场需求是促进发展的外部刺激因素。目前,俄罗斯直升机面临急迫的换发任务,多型涡轴发动机被寄予厚望。俄罗斯航空发动机工业正在逐步提升竞争力,各在研项目也成为凝聚行业力量实现进一步突破的重要推手。愈发严峻的国际形势表明,只有具备航空发动机全生命周期的独立自主研发能力,才能摆脱国外的掣肘。


(刘翠玉,中国航发研究院,工程师,主要从事航空发动机情报研究)

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