航空发动机产品结构编码标准研究

王长溪 杨 宁 刘启国 唐 伟

航空发动机长期工作于高温、高压、高转速、高负载的恶劣环境中，发动机结构设计涉及多个学科和专业，其结构复杂，包含零部件数目多，需要有一套科学、有序、统一、规范化的编码系统，供发动机的设计、制造、使用、维护以及管理过程中的信息交换。

国外早已开展有关研究，建立了包括航空发动机在内的一套完善的航空产品结构编码系统。我国航空发动机技术起步晚，也编制了一些有关发动机组件编号的标准。近年来，随着数字化在航空发动机领域的普及，发动机产品数据迁移到数字化环境中进行管理的情况愈加普遍，数字化技术已经得到广泛应用，各种数字化手段的应用趋于常态化。另一方面，目前我国正大力开展民用航空发动机的研制工作，国际合作力度不断得到加强，主承制商/供应商的模式也被逐渐推广应用，这使得产品的信息流动愈加频繁，通过对发动机产品结构进行科学及有序的分类与编码，可使各零部件在数字化环境中拥有唯一标识，为产品数据信息在航空发动机全生命周期中的信息交换奠定基础，最大限度地实现产品结构信息的共享，提升科研效率，降低研发与维修成本。

航空发动机产品结构编码标准是发动机所有编码系统的顶层标准，是发动机其他编码标准编制的基础，可用于型号物料清单（BOM）构建、图样编号、用户技术资料编制、产品数据管理系统（PDM）、企业资源计划系统（ERP），还可用于工作分解（WBS），建立WBS工作单元。因此，开展航空结构发动机产品结构编码标准的研究具有重要意义。产品结构编码技术主要包括结构分类、结构编码、编码应用等3方面，本文通过分析研究国内、外发动机产品结构分类及编码应用情况，对航空发动机产品结构编码技术进行了总结，梳理了国内、外发动机产品结构编码有关标准，可为国内相关标准的制定提供参考和借鉴。

1 航空发动机产品结构编码技术分析

1.1 国外航空发动机结构编码技术研究

1.1.1 国外民用航空发动机结构分类

CFM56发动机是由美国通用电气公司（GE）和法国国营航空发动机公司（SNECMA）共同组成的CFM国际公司（CFMI），在F101核心机技术的基础上，为适应20世纪80年代后国际军、民用飞机市场的需要而研制的10kN级高涵道比涡扇发动机。从它的第1个型号CFM56-2于1979年11月取得适航证后，到目前已发展了CFM56-2、CFM56-3、CFM56-5、CFM56-7等多种型号，广泛应用于各种军用/民用飞机上，已成为超过22种型号飞机的动力。CFM56系列发动机均采用了单元体结构设计，是采用核心机和单元体设计思想的成功典范。以CFM56-2为例，共分为4个主单元体，即风扇、核心机、低压涡轮和附件传动装置。4个主单元体又可分解为17个维修单元体。

RB211是英国罗尔斯·罗伊斯（简称罗·罗）公司生产的第一种高涵道比涡轮风扇发动机。为了满足20世纪70年代巨型运输机对发动机提出的：推力大、耗油率低、噪音和排气污染小以及维护方便等要求，RB211同CF6与JT9D等大型涡轮风扇发动机一样，采用了高涵道比、高增压比与高涡轮前燃气温度，成为具有所谓“三高”指标的第二代涡轮风扇发动机。所不同之处是，RB211采用了独特的三转子结构。为了做到在外场更换单元体，每个单元体的转动件均事先经过平衡，同时转子间采用特殊的圆弧端齿联轴器连接。在飞机上更换了单元体后，飞行前只需对发动机作一次全速运转，无需进行推力等性能的测定。为此，对每个单元体中的零件特别是叶型要求较高，单元体不仅在尺寸上应有互换性，而且在性能上也应基本一致。例如，为了不致破坏风扇转子的平衡，对更换的风扇叶片不仅有重量规定，而且对沿叶高的重量分布也有一定的要求。RB211采用了单元体结构设计，分风扇、中压压气机、风扇机匣、中压/高压压气机的中介机匣、高压系统（包括燃烧室）、中压与低压涡轮以及外传动机匣等7个单元体。

普惠公司的PW4000系列发动机，主要用于波音747、767、空客A300、A310、麦道MD-11等飞机上。该发动机旨在取代JT9D-7R4发动机，因此其外廓尺寸与JT9D-7R4发动机相同，且具有相同的安装平面间距。PW4000系列发动机采用了一系列先进技术，与JT9D-7R4发动机相比PW4000发动机具有更低的耗油率、更简单的结构、更高的可靠性。PW4000系列整台发动机共由13个单元体组成，即压气机进口整流罩、风扇叶片、低压转子联轴器、低压压气机、风扇机匣、中介机匣、高压压气机、扩压器及燃烧室、高压涡轮导向器和火焰筒内壁、高压涡轮、低压涡轮、涡轮排气机匣和主齿轮箱。

1.1.2 国外航空发动机产品结构编码技术的应用

关于国外航空发动机产品结构编码技术的应用，以CFM56发动机为例，本文给出了该系列发动机部分产品结构编码表。CFM56发动机图解零部件目录中，结构编码分章、节、题目3层，按发动机结构隶属关系进行编排，其编码满足ATA 2200《航空技术出版物规范》要求，限于篇幅，表1仅给出了章、节的编号及名称。

表1 CFM56发动机产品结构编码

1.2 国内航空发动机产品结构编码技术研究

1.2.1 国内航空发动机结构分类

目前国内军民用涡扇发动机产品设计均参考国外技术采用了单元体设计思想，从设计上重视维修性品质。对于军用航空发动机，我国逐步摆脱仿制，并积极跟进国外技术发展，采用了如带进气可变弯度导向风扇叶片、多级静子可调压气机、复合冷却高压涡轮叶片、高低压反转设计等一系列先进设计理念。在民用航空发动机领域，国外已经形成了完善的设计流程与方法，设计思想与理念成熟。参考国外技术，国内同样采用单元体进行设计，据报道国内某型商用发动机由整流罩、风扇/增压级、中介机匣、高压压气机、燃烧室、高压涡轮等9大单元体组成。

1.2.2 国内航空发动机产品结构编码技术的应用

对于军用发动机，国内已将发动机产品结构编码技术用于在研型号的图样编号中，图样编号由单元体或系统代号、顺序号组成，其中单元体或系统代号符合HB 7834-2008《航空发动机产品结构编码》中发动机产品基本结构分类与代码的前2层规定。主单元体或部分可分为若干维修单元体，维修单元体下包含若干组（分组件），表2中给出了应用举例。当航空发动机结构发生变化，增加新的组件或分组件时，可按其结构隶属关系赋予相应代码。当位类代码不够时，可按结构相近性原则采用其相邻组件的代码。

国内商用发动机结构分类方法主要参考了ATA 2200《航空维修资料标准》的相关规定，并根据发动机的设计特点进行了扩展，ATA 2200中发动机产品结构示意图如图1所示。国内商用发动机产品结构代码由4层组成，其应用举例见表3。

1.3 小结

航空发动机产品结构编码的基础是结构分类，将其与编码技术相结合即可实现航空发动机产品结构编码。通过对国内、外航空发动机产品结构编码技术的研究可以发现，发动机结构均采用单元体进行设计。这主要是由于采用单元体的设计方法可为后期的使用维护带来巨大的便利，其维修时可在现场单独更换单元体，排查零部件故障，而不必将整台发动机运到修理厂，同时更换后的单元体不影响到整台发动机的性能，不会打破部件间的协调工作，从而提高发动机的维修性，节约了大量运输时间与成本。单元体的分类需要根据发动机结构的异同而进行分析选取，但需要保证各单元体界面清晰，满足互换性，便于发动机拆装、维修，对于转子结构通常还需要保证更换后的转子不需要进行动平衡。发动机的单元体可以是：

表2 单元体或系统代号

表3 航空发动机基本产品结构和代码

● 单独的功能性部件，如核心机、风扇、燃烧室、高压涡轮、排气装置、附件传动机匣、减速器、功率输出轴等；

● 主要装配组合件，如中介机匣、中央传动装置、高压涡轮转子、高压涡轮静子等；

● 发动机的功能性部件并带有一些单独的零组件，或带有相邻功能性部件的装配组合件，如燃烧室进口带有高压压气机出口整流叶片而组成的燃烧室单元体，或燃烧室出口带有高压涡轮导向器的单元体；

● 单元体内还可分成若干个维修单元体，如压气机单元体可分为压气机转子、压气机静子单元体。

2 航空发动机产品结构编码标准研究

2.1 国外航空发动机产品结构编码标准分析

目前，尚未搜集到专门用于发动机产品结构编码的标准。ATA 2200针对动力装置给出70～84章号区间，编号如下：70、71—动力装置、72—涡轮/涡轮螺旋桨有喷管风扇/无喷管风扇发动机、73—发动机燃油和控制、74—点火、75—空气、76—发动机控制、77—发动机指示、78—排气装置、79—滑油、80—起动、81—涡轮机、82—喷水、83—附件齿轮箱、84—助推装置。

2.2 国内航空发动机产品结构编码标准分析

2.2.1 GJB 2116A-2015《武器装备研制项目工作分解结构》分析

GJB 2116A-2015主要针对武器装备项目工作分解结构的编制要求、编制程序和应用说明进行了规定。该标准仅在附录B.1 飞机系统产品分解结构中对发动机结构提出要求，对各层次进行了单元定义，见表4。其项目结构分解结构共分为3层，发动机结构属于飞机结构的第三层，但标准未向下划分发动机产品结构。

2.2.2 GJB 4855-2003《军用飞机系统划分及编码》分析

GJB 4855-2003按照飞机系统划分的要求分3层给出飞机、发动机、武器系统、机载成品项目的代码，并留有一定的空间给制造厂用于扩展新品。标准的编制参照了MIL-STD-1808A《系统的子系统，子子系统编号》，追其根源来自于美国航空运输协会（ATA）的民用飞机编号系统ATA100。GJB4855-2003《军用飞机系统划分及编码》主要在ATA 2200（或ATA100）的基础上增添了武器相关的章节号。标准规定了包括航空发动机在内的军用飞机与军用直升机各系统的划分与编号、手册类用户资料的章节编号规则以及主要章节的编号。其中发动机相关系统的划分与ATA 2200相同， 70～84章号区间为发动机及相关系统，其编号形式由章、节、主题3个元素组成，分别表示系统、子系统、单元。

表4 GJB 2116对发动机产品结构的分类及编码要求

2.2.3 HB 5614.2-1987《航空发动机设计图样管理制度 编号制度》分析

HB 5614.2-1987规定采用分段隶属编号法对航空发动机的设计图样和技术文件进行编号。其组件（或分组件）代号采用两位数字码，即00－系统和总体、10－进气、压气、30－燃烧、40－涡轮、50－加力、排气、60－传动、润滑、70－减速、90－联合单元体。零、部组件序号由3位或4位阿拉伯数字组成，即零件：001～799或0001～7999；部件：800～899或8000～8999为机加部件，900～949或9000～9499为装配部件；总图、组件总图、分组件总图、原理图、系统图等：950～999或9500～9999。

该标准编制时间较早，但现在仍广泛使用，需要指出的是，该标准基于手工管理体制的编号体系而规定的编号系统，且现有发动机结构形式已发生了一定变化，不能完全适应于当前计算机信息管理系统。

2.2.4 HB 7834-2008《航空发动机产品结构编码》分析

HB 7834-2008《航空发动机产品结构编码》规定了航空涡轮喷气、涡轮风扇、涡轮螺旋桨、涡轮轴发动机的产品结构编码的编码原则、方法以及编码构成，为数字化环境中的航空发动机产品结构标识提供唯一依据。发动机结构编码由基本结构码和扩展结构码构成，用7 位数字表示，其中第1～4 位为基本结构码，第5～7 位为扩展结构码。标准的基本结构分类与代码第一层、第二层部分延用了HB 5614.2-1987《航空发动机设计图样管理制度 编号制度》中涡轮发动机组件和分组件的代号，在HB 5614.2-1987的基础上增删了一些结构分类，调整了部分编号，并预留了一定空位码，以便使用中根据需要进行扩充。发动机产品零组件的标识可按照该标准的附录A.1中规定来进行，其引用HB 7729-2003《航空产品CAD文件管理规定》给出了两种方法，两种零件标识编码均由型号代码、基本结构码、扩展结构码组成。第一种方法扩展结构码为系列顺序号，支持自上而下的设计思想，第二种方法为递增顺序码，与HB 5614.2的分段隶属编号方法兼容。

该标准提到了联合单元体的概念，是从HB 5614.2继承而来，与GJB 3817的单元体定义并不完全一致。联合单元体本来是指生产过程中存在，实际并不以单元体方式存在的件，譬如国内某型发动机轴承机匣与压气机后机匣需组合加工，因此有此工序过程的图纸，但在实际装配过程中不存在这样的组件；又如所有发动机都需压气机与涡轮装在一起进行平衡，此时它就成了一个联合单元体，但在实际装配过程中也不存在这样的单元体等等。

2.2.5 HB 20201-2014《航空发动机通用件分类与编码规则》分析

HB 20201-2014规定了发动机通用件的编码原则与编码方法。其代码结构由通用件标识符（TY）、单位代码、分类码和4位流水码组成，共16位。该标准使用的分类码来源于HB 7834-2008，但仅采用HB 7834-2008中的基本结构码的前两位，如不能满足使用，可将使用部位编入相应部件的总成，整机通用件编入总体/系统总成。

2.3 小结

由于我国科研体制的特点，发动机的零组件代码直接在发动机设计部门确定，且贯穿于整个发动机研制、定型的全过程，所以航空发动机产品结构编码标准可用于发动机零组件的编码以及多种涉及发动机产品结构信息管理的系统，适应于发动机的整个研制周期，不会出现重复和冲突。航空发动机产品结构编码标准是发动机所有编码系统的顶层标准，编制发动机其他编码系统标准可参考该标准，借鉴其编码原则、代码结构组成方法、编码方法等。

对于航空发动机产品结构编码相关标准，暂未搜集到国外有关专用标准。目前我国军用发动机产品结构编码与GJB 4855-2003或HB 5614.2-1987的组件/分组件代号或HB 7834-2008相兼容；对于民用发动机产品结构编码，国外主要是参照ATA 2200等标准，目前国内商用发动机的产品结构编码也与ATA 2200兼容。国内涉及到航空发动机产品结构编码的标准主要包括：

● 涉及产品结构分类与编码的项目工作分解结构标准，如GJB 2116A-2015《武器装备研制项目工作分解结构》等；

● 对航空发动机的通用结构进行分类与编码的标准，如GJB 4855-2003《军用飞机系统划分及编码》、HB 7834-2008《航空发动机产品结构编码》、HB 5614.2-1987《航空发动机设计图样管理制度 编号制度》等。

3 结束语

通过上述研究与分析可知，基于单元体的结构分类法是航空发动机产品结构编码的关键，科学、有序、统一、规范的产品结构编码体系，可给发动机设计、制造、维修、管理带来极大便利。国内军用航空发动机产品结构编码标准的编制可参考HB 7834-2008、 GJB 4855-2003等，对于民用航空发动机，国内尚无标准，有关标准的编制建议与ATA 2200等标准协调。国内航空发动机产品结构编码标准仍需进一步在使用实践中暴露问题，由于现有编码标准的编制仅从设计或维护保障单一方面考虑，实际使用中往往存在着设计用编号与维护用编号不一致的现象，不利于航空发动机产品的设计、制造、维护与管理。目前国内航空发动机产品结构编码有关标准仍不够完善，例如部件分类等级过粗，缺少有关单元体的分类和编码；单元体、维修单元体以及联合单元体的定义不明确，容易引起概念混淆；标准的资料性附录中缺少有关结构编码的应用示例。仍需要不断补充、完善国内航空发动机产品编码有关标准，支撑我国航空发动机的研制。

[1] 刘长福，邓明. 航空发动机结构分析[M]. 西安：西北工业大学出版社，2010.

[2] 陈光，洪杰，马艳红. 航空燃气涡轮发动机结构[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[3] 陶金. 典型民用航空发动机单元体划分浅析[J].工业设计，2016（7），161-163.