Двигатель четвертого поколения ПС-90А, который используется в гражданской и военной авиации, был разработан и создан еще в СССР под руководством генерального конструктора Павла Соловьева. После распада Советского Союза никаких новых двигателей создано не было.
Инновационность проекта, получившего шифр ПД-14, состоит в том, что при его разработке удалось получить качественное изменение основных параметров рабочего режима двигателя - увеличения степени двухконтурности в два раза, температуры газа перед турбиной - на 100 позиций по шкале Кельвина, суммарной степени сжатия в компрессоре - на 20 процентов.
Отдельно необходимо отметить разработку технологии литья охлаждаемых лопаток ТВД с монокристаллической структурой из нового жаропрочного сплава, легированного рением, рутением. А использование композиционных материалов в конструкции двигателя и мотогондолы, полые широкохордные титановые лопатки вентилятора существенно снизили массу двигателя.
Благодаря передовым конструкционным материалам и новейшим энергоэффективным технологиям обеспечен конкурентоспособный уровень основных характеристик ПД-14: степень двухконтурности 8,5, температура газа перед турбиной - до 1950К, степень сжатия в горячей части компрессора 17, удельный расход топлива 0,53 кг/кгс*ч; экологические параметры лучше действующих норм ИКАО. Применение современных материалов и технологии стало важным преимуществом нового двигателя.
Впервые в российской инженерной и технологической практике АО «ОДК-Авиадвигатель» совместно с ФГУП «ВИАМ» сконструирована мотогондола двигателя ПД-14 из ~ 60 % по массе полимерных композиционных материалов (ПКМ), обеспечивающая высокую весовую эффективность по сравнению с металлическими аналогами при сохранении требуемых упругопрочностных свойств, в том числе высоких ударной вязкости и стойкости к климатическим факторам, и обеспечивающая требования по шуму как внутри салона, так и на местности.
В конструкции газогенератора и мотогондолы двигателя ПД-14 используются 20 новых материалов и технологий их производства, разработанных во ФГУП «ВИАМ». Среди них: никелевые жаропрочные сплавы для турбины высокого давления - монокристаллический с рением и рутением ВЖМ4 для рабочих лопаток и интерметаллидный ВКНА-1ВР для сопловых лопаток с высокоресурсными жаростойкими и комплексными теплозащитными покрытиями (ВСДП-16, ВСДП-З+ВСДП-4), высокопрочная сталь ВКС170 для валов турбины и деталей подвески, титановый сплав ВТ25У для диска компрессора высокого давления; сплав ЭП648ПС для получаемых по аддитивным технологиям завихрителей фронтового устройства камеры сгорания. C целью защиты замков лопаток вентилятора двигателя ПД-14 разработано фреттингостойкое шликерное покрытие. Для деталей и агрегатов мотогондолы ПД-14 во ФГУП «ВИАМ» созданы перспективные полимерные материалы нового поколения: углепластики ВКУ25/SYT-49C, ВКУ29/ВТкУ-3, ВКУ39/ВТкУ-2.200; стеклопластик ВПС-48/7781, которые по характеристикам не уступают лучшим мировым аналогам и выпускаются в условиях малотоннажного производства в ФГУП «ВИАМ».
Также включены в спецификацию для применения в модификациях двигателя ПД-14: сплав ВЖМ5 для лопаток турбины высокого и низкого давления, интерметаллидный сплав ВТИ-4 для корпусных деталей турбины, компрессора, и задней опоры, сплавы ВКНА-4, ВКНА-4У для сектора турбины, сплав ВЖ175 для дисков компрессора и турбины высокого давления, материал ВЗМК-1 для звукопоглощающих конструкций мотогондолы.
Для двигателя ПД-14 в рамках действующих паспортов с выпуском дополнений и доп. сведений и новых технических условий доработано более 50 серийных марок материалов, таких как: ВЖ145, ВТ20, ВТ8-1, ЭИ698, ЭП742, ЭП718, ЭП517-Ш, ВНЛ5, ЭП648, ВКС5 и др.
Для сертификации двигателя в 2018 году, в рамках комплексной программы, включающей полномасштабные квалификационные испытания для определения расчетных значений характеристик прочности материалов, во ФГУП «ВИАМ» проведены испытания 11277 образцов для 19 материалов (54 полуфабрикатов), в том числе 80% от общего количества самых трудоемких испытаний на длительную прочность и ползучесть.
Для обеспечения материалами и полуфабрикатами серийного выпуска двигателей семейства ПД-14 во ФГУП «ВИАМ» организованы малотоннажные производства:
- литой прутковой шихтовой заготовки жаропрочных никелевых сплавов для лопаток турбины;
- катодов для нанесения покрытий;
- препрегов для производства угле- и стеклопластиков мотогондолы.
Впервые в России во ФГУП «ВИАМ» организовано аддитивное производство завихрителей фронтового устройства камеры сгорания ПД-14 из жаростойкого никелевого сплава марки ЭП648ПС. В настоящее время поставлено более 700 деталей для серийных двигателей. При этом разработан полный комплект нормативной документации по всем стадиям производственного цикла: получение металлопорошковой композиции, синтез деталей, газостатическая и термическая обработка.
Таким образом, разработано и внедрено в конструкцию двигателя ПД-14 и мотогондолы 20 новых и более 50 доработанных серийных марок материалов и технологий их производства. Проведена общая (паспорт, ТУ, ТИ) и
специальная квалификация материалов/полуфабрикатов и организовано их серийное производство на предприятиях отрасли.
Генеральный директор Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ), президент Ассоциации государственных научных центров «Наука», академик РАН Евгений Каблов о двигателе ПД-14:
Удельный расход топлива снизился на 12 процентов, а экономичность работы двигателя и соответствие экологическим параметрам значительно повысились. По расчетам, эксплуатация двигателя обойдется на 14-17 процентов дешевле действующих аналогов, а общая стоимость жизненного цикла снизится на 15-20 процентов.
Эти и другие параметры удалось обеспечить во многом благодаря применению 20 новых материалов, разработанных учеными ВИАМ. Именно наш институт в этом проекте отвечал за создание принципиально новых конструкционных высокотемпературных металлических, интерметаллидных, композиционных, керамических, естественно-композиционных, функциональных материалов и технологий изготовления крупногабаритных полуфабрикатов и деталей. Важнейшей составляющей этого проекта являются технологии создания широкохордной лопатки вентилятора из ПКМ, легких лопаток из интерметаллидных титановых сплавов, лопаток турбины высокого давления с монокристаллической структурой.
Наш институт на протяжении десяти лет ведет активную работу с предприятиями ОДК в области разработки, исследований, производства и внедрения материалов нового поколения в конструкцию перспективных газотурбинных двигателей.
В конструкции перспективного двигателя ПД-14, в частности, внедрены супержаропрочные монокристаллические сплавы для рабочих и сопловых лопаток с высокоресурсными жаростойкими и комплексными теплозащитными покрытиями. Высокопрочные конструкционные стали и деформируемые никелевые и титановые сплавы нового поколения использовались при изготовлении валов, дисков и корпусов.
Кроме того, методом аддитивных технологий из отечественной металлопорошковой композиции в ВИАМ изготовлена "боевая" деталь двигателя ПД-14 - завихритель фронтового устройства камеры сгорания. При этом технологический цикл составил всего шесть дней при стопроцентном выходе годного, тогда как традиционный технологический цикл - литье по выплавляемым моделям - составляет 60 дней при выходе годного не более 40 процентов. При этом производительность труда была увеличена в десять раз. Но главное - это решение позволило добиться существенного снижения эмиссии NOx, СOx.
Подводя итог
ПД-14 - это не просто современный двигатель пятого поколения. На базе его газогенератора будет создан ПД-8 взамен SaM146, ПД-12 - для вертолетов, ПД-35 - для транспортного и пассажирского авиалайнеров. А сама разработка ПД-14 проходила по новой, цифровой технологии, благодаря чему уже седьмой экземпляр двигателя был собран в Перми по технологии серийного производства, в то время как раньше опытная партия изготовлялась в количестве до 35 экземпляров.
