航空發動機產品結構編碼標準研究

王長溪 楊 寧 劉啟國 唐 偉

航空發動機長期工作于高溫、高壓、高轉速、高負載的惡劣環境中，發動機結構設計涉及多個學科和專業，其結構復雜，包含零部件數目多，需要有一套科學、有序、統一、規范化的編碼系統，供發動機的設計、制造、使用、維護以及管理過程中的信息交換。

國外早已開展有關研究，建立了包括航空發動機在內的一套完善的航空產品結構編碼系統。我國航空發動機技術起步晚，也編制了一些有關發動機組件編號的標準。近年來，隨著數字化在航空發動機領域的普及，發動機產品數據遷移到數字化環境中進行管理的情況愈加普遍，數字化技術已經得到廣泛應用，各種數字化手段的應用趨于常態化。另一方面，目前我國正大力開展民用航空發動機的研制工作，國際合作力度不斷得到加強，主承制商/供應商的模式也被逐漸推廣應用，這使得產品的信息流動愈加頻繁，通過對發動機產品結構進行科學及有序的分類與編碼，可使各零部件在數字化環境中擁有唯一標識，為產品數據信息在航空發動機全生命周期中的信息交換奠定基礎，最大限度地實現產品結構信息的共享，提升科研效率，降低研發與維修成本。

航空發動機產品結構編碼標準是發動機所有編碼系統的頂層標準，是發動機其他編碼標準編制的基礎，可用于型號物料清單（BOM）構建、圖樣編號、用戶技術資料編制、產品數據管理系統（PDM）、企業資源計劃系統（ERP），還可用于工作分解（WBS），建立WBS工作單元。因此，開展航空結構發動機產品結構編碼標準的研究具有重要意義。產品結構編碼技術主要包括結構分類、結構編碼、編碼應用等3方面，本文通過分析研究國內、外發動機產品結構分類及編碼應用情況，對航空發動機產品結構編碼技術進行了總結，梳理了國內、外發動機產品結構編碼有關標準，可為國內相關標準的制定提供參考和借鑒。

1 航空發動機產品結構編碼技術分析

1.1 國外航空發動機結構編碼技術研究

1.1.1 國外民用航空發動機結構分類

CFM56發動機是由美國通用電氣公司（GE）和法國國營航空發動機公司（SNECMA）共同組成的CFM國際公司（CFMI），在F101核心機技術的基礎上，為適應20世紀80年代后國際軍、民用飛機市場的需要而研制的10kN級高涵道比渦扇發動機。從它的第1個型號CFM56-2于1979年11月取得適航證后，到目前已發展了CFM56-2、CFM56-3、CFM56-5、CFM56-7等多種型號，廣泛應用于各種軍用/民用飛機上，已成為超過22種型號飛機的動力。CFM56系列發動機均采用了單元體結構設計，是采用核心機和單元體設計思想的成功典范。以CFM56-2為例，共分為4個主單元體，即風扇、核心機、低壓渦輪和附件傳動裝置。4個主單元體又可分解為17個維修單元體。

RB211是英國羅爾斯·羅伊斯（簡稱羅·羅）公司生產的第一種高涵道比渦輪風扇發動機。為了滿足20世紀70年代巨型運輸機對發動機提出的：推力大、耗油率低、噪音和排氣污染小以及維護方便等要求，RB211同CF6與JT9D等大型渦輪風扇發動機一樣，采用了高涵道比、高增壓比與高渦輪前燃氣溫度，成為具有所謂“三高”指標的第二代渦輪風扇發動機。所不同之處是，RB211采用了獨特的三轉子結構。為了做到在外場更換單元體，每個單元體的轉動件均事先經過平衡，同時轉子間采用特殊的圓弧端齒聯軸器連接。在飛機上更換了單元體后，飛行前只需對發動機作一次全速運轉，無需進行推力等性能的測定。為此，對每個單元體中的零件特別是葉型要求較高，單元體不僅在尺寸上應有互換性，而且在性能上也應基本一致。例如，為了不致破壞風扇轉子的平衡，對更換的風扇葉片不僅有重量規定，而且對沿葉高的重量分布也有一定的要求。RB211采用了單元體結構設計，分風扇、中壓壓氣機、風扇機匣、中壓/高壓壓氣機的中介機匣、高壓系統（包括燃燒室）、中壓與低壓渦輪以及外傳動機匣等7個單元體。

普惠公司的PW4000系列發動機，主要用于波音747、767、空客A300、A310、麥道MD-11等飛機上。該發動機旨在取代JT9D-7R4發動機，因此其外廓尺寸與JT9D-7R4發動機相同，且具有相同的安裝平面間距。PW4000系列發動機采用了一系列先進技術，與JT9D-7R4發動機相比PW4000發動機具有更低的耗油率、更簡單的結構、更高的可靠性。PW4000系列整臺發動機共由13個單元體組成，即壓氣機進口整流罩、風扇葉片、低壓轉子聯軸器、低壓壓氣機、風扇機匣、中介機匣、高壓壓氣機、擴壓器及燃燒室、高壓渦輪導向器和火焰筒內壁、高壓渦輪、低壓渦輪、渦輪排氣機匣和主齒輪箱。

1.1.2 國外航空發動機產品結構編碼技術的應用

關于國外航空發動機產品結構編碼技術的應用，以CFM56發動機為例，本文給出了該系列發動機部分產品結構編碼表。CFM56發動機圖解零部件目錄中，結構編碼分章、節、題目3層，按發動機結構隸屬關系進行編排，其編碼滿足ATA 2200《航空技術出版物規范》要求，限于篇幅，表1僅給出了章、節的編號及名稱。

表1 CFM56發動機產品結構編碼

1.2 國內航空發動機產品結構編碼技術研究

1.2.1 國內航空發動機結構分類

目前國內軍民用渦扇發動機產品設計均參考國外技術采用了單元體設計思想，從設計上重視維修性品質。對于軍用航空發動機，我國逐步擺脫仿制，并積極跟進國外技術發展，采用了如帶進氣可變彎度導向風扇葉片、多級靜子可調壓氣機、復合冷卻高壓渦輪葉片、高低壓反轉設計等一系列先進設計理念。在民用航空發動機領域，國外已經形成了完善的設計流程與方法，設計思想與理念成熟。參考國外技術，國內同樣采用單元體進行設計，據報道國內某型商用發動機由整流罩、風扇/增壓級、中介機匣、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪等9大單元體組成。

1.2.2 國內航空發動機產品結構編碼技術的應用

對于軍用發動機，國內已將發動機產品結構編碼技術用于在研型號的圖樣編號中，圖樣編號由單元體或系統代號、順序號組成，其中單元體或系統代號符合HB 7834-2008《航空發動機產品結構編碼》中發動機產品基本結構分類與代碼的前2層規定。主單元體或部分可分為若干維修單元體，維修單元體下包含若干組（分組件），表2中給出了應用舉例。當航空發動機結構發生變化，增加新的組件或分組件時，可按其結構隸屬關系賦予相應代碼。當位類代碼不夠時，可按結構相近性原則采用其相鄰組件的代碼。

國內商用發動機結構分類方法主要參考了ATA 2200《航空維修資料標準》的相關規定，并根據發動機的設計特點進行了擴展，ATA 2200中發動機產品結構示意圖如圖1所示。國內商用發動機產品結構代碼由4層組成，其應用舉例見表3。

1.3 小結

航空發動機產品結構編碼的基礎是結構分類，將其與編碼技術相結合即可實現航空發動機產品結構編碼。通過對國內、外航空發動機產品結構編碼技術的研究可以發現，發動機結構均采用單元體進行設計。這主要是由于采用單元體的設計方法可為后期的使用維護帶來巨大的便利，其維修時可在現場單獨更換單元體，排查零部件故障，而不必將整臺發動機運到修理廠，同時更換后的單元體不影響到整臺發動機的性能，不會打破部件間的協調工作，從而提高發動機的維修性，節約了大量運輸時間與成本。單元體的分類需要根據發動機結構的異同而進行分析選取，但需要保證各單元體界面清晰，滿足互換性，便于發動機拆裝、維修，對于轉子結構通常還需要保證更換后的轉子不需要進行動平衡。發動機的單元體可以是：

表2 單元體或系統代號

表3 航空發動機基本產品結構和代碼

● 單獨的功能性部件，如核心機、風扇、燃燒室、高壓渦輪、排氣裝置、附件傳動機匣、減速器、功率輸出軸等；

● 主要裝配組合件，如中介機匣、中央傳動裝置、高壓渦輪轉子、高壓渦輪靜子等；

● 發動機的功能性部件并帶有一些單獨的零組件，或帶有相鄰功能性部件的裝配組合件，如燃燒室進口帶有高壓壓氣機出口整流葉片而組成的燃燒室單元體，或燃燒室出口帶有高壓渦輪導向器的單元體；

● 單元體內還可分成若干個維修單元體，如壓氣機單元體可分為壓氣機轉子、壓氣機靜子單元體。

2 航空發動機產品結構編碼標準研究

2.1 國外航空發動機產品結構編碼標準分析

目前，尚未搜集到專門用于發動機產品結構編碼的標準。ATA 2200針對動力裝置給出70～84章號區間，編號如下：70、71—動力裝置、72—渦輪/渦輪螺旋槳有噴管風扇/無噴管風扇發動機、73—發動機燃油和控制、74—點火、75—空氣、76—發動機控制、77—發動機指示、78—排氣裝置、79—滑油、80—起動、81—渦輪機、82—噴水、83—附件齒輪箱、84—助推裝置。

2.2 國內航空發動機產品結構編碼標準分析

2.2.1 GJB 2116A-2015《武器裝備研制項目工作分解結構》分析

GJB 2116A-2015主要針對武器裝備項目工作分解結構的編制要求、編制程序和應用說明進行了規定。該標準僅在附錄B.1 飛機系統產品分解結構中對發動機結構提出要求，對各層次進行了單元定義，見表4。其項目結構分解結構共分為3層，發動機結構屬于飛機結構的第三層，但標準未向下劃分發動機產品結構。

2.2.2 GJB 4855-2003《軍用飛機系統劃分及編碼》分析

GJB 4855-2003按照飛機系統劃分的要求分3層給出飛機、發動機、武器系統、機載成品項目的代碼，并留有一定的空間給制造廠用于擴展新品。標準的編制參照了MIL-STD-1808A《系統的子系統，子子系統編號》，追其根源來自于美國航空運輸協會（ATA）的民用飛機編號系統ATA100。GJB4855-2003《軍用飛機系統劃分及編碼》主要在ATA 2200（或ATA100）的基礎上增添了武器相關的章節號。標準規定了包括航空發動機在內的軍用飛機與軍用直升機各系統的劃分與編號、手冊類用戶資料的章節編號規則以及主要章節的編號。其中發動機相關系統的劃分與ATA 2200相同， 70～84章號區間為發動機及相關系統，其編號形式由章、節、主題3個元素組成，分別表示系統、子系統、單元。

表4 GJB 2116對發動機產品結構的分類及編碼要求

2.2.3 HB 5614.2-1987《航空發動機設計圖樣管理制度 編號制度》分析

HB 5614.2-1987規定采用分段隸屬編號法對航空發動機的設計圖樣和技術文件進行編號。其組件（或分組件）代號采用兩位數字碼，即00－系統和總體、10－進氣、壓氣、30－燃燒、40－渦輪、50－加力、排氣、60－傳動、潤滑、70－減速、90－聯合單元體。零、部組件序號由3位或4位阿拉伯數字組成，即零件：001～799或0001～7999；部件：800～899或8000～8999為機加部件，900～949或9000～9499為裝配部件；總圖、組件總圖、分組件總圖、原理圖、系統圖等：950～999或9500～9999。

該標準編制時間較早，但現在仍廣泛使用，需要指出的是，該標準基于手工管理體制的編號體系而規定的編號系統，且現有發動機結構形式已發生了一定變化，不能完全適應于當前計算機信息管理系統。

2.2.4 HB 7834-2008《航空發動機產品結構編碼》分析

HB 7834-2008《航空發動機產品結構編碼》規定了航空渦輪噴氣、渦輪風扇、渦輪螺旋槳、渦輪軸發動機的產品結構編碼的編碼原則、方法以及編碼構成，為數字化環境中的航空發動機產品結構標識提供唯一依據。發動機結構編碼由基本結構碼和擴展結構碼構成，用7 位數字表示，其中第1～4 位為基本結構碼，第5～7 位為擴展結構碼。標準的基本結構分類與代碼第一層、第二層部分延用了HB 5614.2-1987《航空發動機設計圖樣管理制度 編號制度》中渦輪發動機組件和分組件的代號，在HB 5614.2-1987的基礎上增刪了一些結構分類，調整了部分編號，并預留了一定空位碼，以便使用中根據需要進行擴充。發動機產品零組件的標識可按照該標準的附錄A.1中規定來進行，其引用HB 7729-2003《航空產品CAD文件管理規定》給出了兩種方法，兩種零件標識編碼均由型號代碼、基本結構碼、擴展結構碼組成。第一種方法擴展結構碼為系列順序號，支持自上而下的設計思想，第二種方法為遞增順序碼，與HB 5614.2的分段隸屬編號方法兼容。

該標準提到了聯合單元體的概念，是從HB 5614.2繼承而來，與GJB 3817的單元體定義并不完全一致。聯合單元體本來是指生產過程中存在，實際并不以單元體方式存在的件，譬如國內某型發動機軸承機匣與壓氣機后機匣需組合加工，因此有此工序過程的圖紙，但在實際裝配過程中不存在這樣的組件；又如所有發動機都需壓氣機與渦輪裝在一起進行平衡，此時它就成了一個聯合單元體，但在實際裝配過程中也不存在這樣的單元體等等。

2.2.5 HB 20201-2014《航空發動機通用件分類與編碼規則》分析

HB 20201-2014規定了發動機通用件的編碼原則與編碼方法。其代碼結構由通用件標識符（TY）、單位代碼、分類碼和4位流水碼組成，共16位。該標準使用的分類碼來源于HB 7834-2008，但僅采用HB 7834-2008中的基本結構碼的前兩位，如不能滿足使用，可將使用部位編入相應部件的總成，整機通用件編入總體/系統總成。

2.3 小結

由于我國科研體制的特點，發動機的零組件代碼直接在發動機設計部門確定，且貫穿于整個發動機研制、定型的全過程，所以航空發動機產品結構編碼標準可用于發動機零組件的編碼以及多種涉及發動機產品結構信息管理的系統，適應于發動機的整個研制周期，不會出現重復和沖突。航空發動機產品結構編碼標準是發動機所有編碼系統的頂層標準，編制發動機其他編碼系統標準可參考該標準，借鑒其編碼原則、代碼結構組成方法、編碼方法等。

對于航空發動機產品結構編碼相關標準，暫未搜集到國外有關專用標準。目前我國軍用發動機產品結構編碼與GJB 4855-2003或HB 5614.2-1987的組件/分組件代號或HB 7834-2008相兼容；對于民用發動機產品結構編碼，國外主要是參照ATA 2200等標準，目前國內商用發動機的產品結構編碼也與ATA 2200兼容。國內涉及到航空發動機產品結構編碼的標準主要包括：

● 涉及產品結構分類與編碼的項目工作分解結構標準，如GJB 2116A-2015《武器裝備研制項目工作分解結構》等；

● 對航空發動機的通用結構進行分類與編碼的標準，如GJB 4855-2003《軍用飛機系統劃分及編碼》、HB 7834-2008《航空發動機產品結構編碼》、HB 5614.2-1987《航空發動機設計圖樣管理制度 編號制度》等。

3 結束語

通過上述研究與分析可知，基于單元體的結構分類法是航空發動機產品結構編碼的關鍵，科學、有序、統一、規范的產品結構編碼體系，可給發動機設計、制造、維修、管理帶來極大便利。國內軍用航空發動機產品結構編碼標準的編制可參考HB 7834-2008、 GJB 4855-2003等，對于民用航空發動機，國內尚無標準，有關標準的編制建議與ATA 2200等標準協調。國內航空發動機產品結構編碼標準仍需進一步在使用實踐中暴露問題，由于現有編碼標準的編制僅從設計或維護保障單一方面考慮，實際使用中往往存在著設計用編號與維護用編號不一致的現象，不利于航空發動機產品的設計、制造、維護與管理。目前國內航空發動機產品結構編碼有關標準仍不夠完善，例如部件分類等級過粗，缺少有關單元體的分類和編碼；單元體、維修單元體以及聯合單元體的定義不明確，容易引起概念混淆；標準的資料性附錄中缺少有關結構編碼的應用示例。仍需要不斷補充、完善國內航空發動機產品編碼有關標準，支撐我國航空發動機的研制。

[1] 劉長福，鄧明. 航空發動機結構分析[M]. 西安：西北工業大學出版社，2010.

[2] 陳光，洪杰，馬艷紅. 航空燃氣渦輪發動機結構[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[3] 陶金. 典型民用航空發動機單元體劃分淺析[J].工業設計，2016（7），161-163.