壓氣機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)建設(shè)及型號(hào)應(yīng)用

■ 楊琳 趙勇 蔣永松/中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所

中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所的壓氣機(jī)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)是依據(jù)專(zhuān)業(yè)及應(yīng)用特點(diǎn)在多年研制經(jīng)驗(yàn)的積累下逐步建立起來(lái)的，涵蓋了設(shè)計(jì)過(guò)程的各類(lèi)要素，并建立了氣動(dòng)專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成平臺(tái)，在型號(hào)和項(xiàng)目研制過(guò)程中推進(jìn)使用，大幅提高了設(shè)計(jì)工作的效率，同時(shí)保證了整個(gè)團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)水平。

中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所壓氣機(jī)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)是依據(jù)專(zhuān)業(yè)及應(yīng)用特點(diǎn)在多年研制經(jīng)驗(yàn)的積累下逐步建立起來(lái)的，并以壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)為代表建立了典型的集成系統(tǒng)平臺(tái)，在型號(hào)研制和預(yù)先研究中發(fā)揮了重要作用。

壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建設(shè)最早可以追溯到“十五”。 “十五”期間，在航空推進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃的支持下，壓氣機(jī)專(zhuān)業(yè)開(kāi)展了基于規(guī)范、軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)和系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)體系建設(shè)工作。

壓氣機(jī)設(shè)計(jì)體系建設(shè)一直堅(jiān)持邊建邊用，邊用邊完善的原則?！笆濉蹦┢诖罱ê玫臍鈩?dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)，在專(zhuān)業(yè)內(nèi)實(shí)行了強(qiáng)制使用，作為氣動(dòng)設(shè)計(jì)唯一使用的集成工具。該系統(tǒng)在使用中不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、改進(jìn)問(wèn)題，同時(shí)根據(jù)技術(shù)的進(jìn)步和需求的變化逐漸完善，進(jìn)而使系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)進(jìn)入充滿(mǎn)活力的良性循環(huán)。

壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)

壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)集成了設(shè)計(jì)所需的各類(lèi)要素：流程、規(guī)范、軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)等，支持壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的大部分工作。圖1給出了氣動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)的界面和各項(xiàng)要素的集成情況。

圖1 壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面

首先該系統(tǒng)是以客戶(hù)端/服務(wù)器（C/S）的模式運(yùn)行，而不是采用瀏覽器/服務(wù)器（B/S）的網(wǎng)頁(yè)模式運(yùn)行。C/S模式可以充分發(fā)揮客戶(hù)端的處理能力，減小服務(wù)器端的運(yùn)行壓力，功能強(qiáng)大（如支持右鍵菜單），具有強(qiáng)大的本地?cái)?shù)據(jù)處理能力，響應(yīng)速度快，有可靠的安全性等優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，由于該系統(tǒng)只在局域網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行，且只有壓氣機(jī)專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)人員使用，因此可以大幅度減弱C/S程序維護(hù)困難等劣勢(shì)。

其次，該系統(tǒng)從簡(jiǎn)單實(shí)用出發(fā)考慮集成模式。在現(xiàn)階段暫不采用流程驅(qū)動(dòng)模式，避免了流程不成熟引發(fā)的頻繁更改、卡滯等問(wèn)題，進(jìn)而提高系統(tǒng)的適應(yīng)性。集成方式上也從簡(jiǎn)單實(shí)用考慮，系統(tǒng)只集成常用的自主軟件，并沒(méi)有集成非自主的商業(yè)軟件，進(jìn)而在集成方式上可以做到簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。

圖2 流路修改

第三，該系統(tǒng)是基于服務(wù)器的運(yùn)行模式，正如前面所說(shuō)的C/S模式，不是單機(jī)版，每個(gè)用戶(hù)面對(duì)的界面只是一個(gè)客戶(hù)端。服務(wù)器管理著所有設(shè)計(jì)程序，通過(guò)客戶(hù)端調(diào)用這些程序并在客戶(hù)端上執(zhí)行，進(jìn)而開(kāi)展各項(xiàng)設(shè)計(jì)活動(dòng)；客戶(hù)端可以處理本地?cái)?shù)據(jù)，開(kāi)展輸入數(shù)據(jù)的修改、輸出數(shù)據(jù)的查看等。因此，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了專(zhuān)業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)程序的統(tǒng)一管理，保證了設(shè)計(jì)工具的規(guī)范性和唯一性。

壓氣機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)在三級(jí)風(fēng)扇設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

下面以一個(gè)三級(jí)風(fēng)扇的S2流場(chǎng)設(shè)計(jì)為例，介紹利用氣動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)展風(fēng)扇/壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的過(guò)程。該三級(jí)風(fēng)扇具有較高的負(fù)荷水平，各項(xiàng)指標(biāo)要求高，設(shè)計(jì)難度較大，設(shè)計(jì)中參考以往型號(hào)的設(shè)計(jì)方案，依據(jù)設(shè)計(jì)流程開(kāi)展設(shè)計(jì)。根據(jù)一維設(shè)計(jì)結(jié)果，參考模板文件，準(zhǔn)備輸入文件。輸入文件可以通過(guò)文本編輯和界面編輯兩種方式查看。對(duì)文本格式較熟悉的用戶(hù)可以根據(jù)程序說(shuō)明書(shū)直接在文本上修改數(shù)據(jù)。對(duì)于分布曲線(xiàn)類(lèi)的數(shù)據(jù)，更適合利用界面來(lái)編輯。圖2顯示了對(duì)流路曲線(xiàn)的修改。在右鍵菜單里選擇“拖拽編輯”后，就可以直接點(diǎn)擊流路以及前尾緣的控制點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整；還可以通過(guò)雙擊控制點(diǎn)，在彈出的對(duì)話(huà)框中直接修改控制點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而更精確地控制流路。

圖3 靜子葉片出口角度分布曲線(xiàn)修改

圖4 界面數(shù)據(jù)的信息提示

這種拖拽編輯還應(yīng)用于其他輸入曲線(xiàn)的數(shù)據(jù)調(diào)整，例如，各排轉(zhuǎn)子/靜子葉片的壓比、氣流角等的徑向分布曲線(xiàn)。在拖拽曲線(xiàn)時(shí)，坐標(biāo)表格里的數(shù)字也會(huì)隨之改變，當(dāng)然也可以更精確地直接修改表格內(nèi)的數(shù)字，然后通過(guò)右圖的曲線(xiàn)形狀判斷是否達(dá)到所需的分布形式，如圖3所示。

對(duì)于非曲線(xiàn)形式的輸入數(shù)據(jù)，在界面上除了參數(shù)框前面的說(shuō)明外，還加入了浮動(dòng)提示的功能，如圖4所示。打開(kāi)浮動(dòng)提示按鈕后，將鼠標(biāo)移動(dòng)到某個(gè)參數(shù)框處，會(huì)出現(xiàn)更詳細(xì)的要求或說(shuō)明，對(duì)于有些參數(shù)還會(huì)給出建議的取值范圍。這些詳細(xì)的說(shuō)明來(lái)自說(shuō)明書(shū)、指導(dǎo)書(shū)及規(guī)范，是這些指導(dǎo)性文件更直接的一種應(yīng)用方式。在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到問(wèn)題時(shí)，還可以參考系統(tǒng)里集成的各類(lèi)指導(dǎo)性文件，直接點(diǎn)擊打開(kāi)查閱。

準(zhǔn)備好輸入數(shù)據(jù)，就可以開(kāi)展相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算。只需雙擊對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)程序，服務(wù)器上的計(jì)算程序就會(huì)在請(qǐng)求的客戶(hù)端上執(zhí)行，充分利用客戶(hù)端的計(jì)算資源，而不會(huì)占用服務(wù)器的計(jì)算資源。程序運(yùn)行中的一些信息會(huì)在信息欄顯示。隨著設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，一旦設(shè)計(jì)程序有更新，服務(wù)器端程序替換后，可以保證所有客戶(hù)端都能使用最新的程序，確保專(zhuān)業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)方法的統(tǒng)一規(guī)范。

圖5 流場(chǎng)計(jì)算輸出的界面曲線(xiàn)

程序計(jì)算結(jié)束后，可以查看結(jié)果文件。同樣也是可以通過(guò)文本編輯和界面控制兩種方式查看。文本方式給出了完整的輸出數(shù)據(jù)，界面方式則以曲線(xiàn)的形式給出各類(lèi)參數(shù)的分布情況，如圖5所示。當(dāng)然，也需要遵照規(guī)范、參考專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)判，并通過(guò)分析對(duì)設(shè)計(jì)輸入的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，開(kāi)展新一輪的計(jì)算。對(duì)于關(guān)鍵的設(shè)計(jì)活動(dòng)，往往要經(jīng)歷上百輪的調(diào)整，獲得最佳的方案或者最合適的方案。

系統(tǒng)方案有固定的模塊結(jié)構(gòu)，進(jìn)而模塊間的數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)傳遞，上游程序的輸出可以直接為下游程序提供輸入。這種自動(dòng)的數(shù)據(jù)傳遞使得采用系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程變得完整統(tǒng)一，并大幅度提高了工作效率。除了自動(dòng)的數(shù)據(jù)傳遞，系統(tǒng)還提供了接口程序NFTU，可以根據(jù)需要將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的格式提供給商業(yè)軟件等程序及其他專(zhuān)業(yè)，例如，結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等開(kāi)展后面的設(shè)計(jì)和分析。這些自動(dòng)化的處理過(guò)程可以徹底消除人為處理時(shí)可能產(chǎn)生的錯(cuò)誤，保證數(shù)據(jù)處理的正確性。

通過(guò)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的集成，設(shè)計(jì)工作的效率得到大幅度的提升，早期經(jīng)過(guò)測(cè)算表明，僅在S2流場(chǎng)計(jì)算數(shù)據(jù)前后處理方面就節(jié)省了40%以上的時(shí)間。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)的不斷改進(jìn)和完善

隨著需求的不斷提高以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，設(shè)計(jì)系統(tǒng)也在不斷發(fā)展和完善。在系統(tǒng)界面上，為了適應(yīng)不斷地修改，更快捷地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，在程序樹(shù)上設(shè)置了自建平臺(tái)，省去了信息化人員的參與，可以由設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的系統(tǒng)管理員直接在自建平臺(tái)上掛接新版本的設(shè)計(jì)程序，實(shí)現(xiàn)快速的集成和應(yīng)用。同時(shí)，界面系統(tǒng)的升級(jí)也更新了曲線(xiàn)圖形的顯示，使得曲線(xiàn)和刻度更加清晰易于辨識(shí)。

新的設(shè)計(jì)技術(shù)也在系統(tǒng)上得到體現(xiàn)。例如，在葉片造型設(shè)計(jì)上，從早期的常規(guī)葉型，已增加了多種可控?cái)U(kuò)散葉型的造型手段，實(shí)現(xiàn)了橢圓形前緣的設(shè)計(jì)，完善了可變彎度導(dǎo)向器的設(shè)計(jì)程序。并且，根據(jù)高負(fù)荷風(fēng)扇/壓氣機(jī)設(shè)計(jì)的需要，增加了大小葉片、串列葉片等新的設(shè)計(jì)技術(shù)。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)未來(lái)的建設(shè)方向

隨著“以信息化促進(jìn)工業(yè)化”的國(guó)家信息化發(fā)展戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，隨著中國(guó)航發(fā)集團(tuán)AEOS工程的深化開(kāi)展，設(shè)計(jì)體系建設(shè)越來(lái)越得到重視并進(jìn)入快速發(fā)展階段。同時(shí)，隨著信息化技術(shù)水平的不斷提高，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的能力也將得到大幅度的提升。

從當(dāng)前大數(shù)據(jù)時(shí)代的信息化發(fā)展方向來(lái)看，未來(lái)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)將會(huì)朝著系統(tǒng)化、知識(shí)化、智能化的方向發(fā)展。系統(tǒng)化是指從當(dāng)前以部件或?qū)I(yè)為主的設(shè)計(jì)系統(tǒng)發(fā)展成為從整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)全局出發(fā)，完整考慮跨專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，考慮從設(shè)計(jì)到加工、保障等全流程設(shè)計(jì)，建立統(tǒng)籌全局的完整的航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)系統(tǒng)。知識(shí)化是指設(shè)計(jì)過(guò)程中知識(shí)輔助的能力大幅提高，將以往在設(shè)計(jì)、排故中總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)等隱形知識(shí)進(jìn)行顯性化，能夠在設(shè)計(jì)中通過(guò)推送等形式支持設(shè)計(jì)，進(jìn)而保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高設(shè)計(jì)成功的可行性。智能化是指未來(lái)設(shè)計(jì)中人工智能的成分會(huì)越來(lái)越多，在大數(shù)據(jù)的支持下，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘、總結(jié)和提煉，形成智能化代理模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化，并在專(zhuān)家的逐漸介入修正中，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的智能化設(shè)計(jì)。

因此，為了適應(yīng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)設(shè)計(jì)信息化的發(fā)展，需要盡快開(kāi)展以下一些工作。

圖6 涵蓋全生命周期及各專(zhuān)業(yè)的研發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)

首先是需要建立統(tǒng)一的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。大數(shù)據(jù)的積累是未來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化、知識(shí)化、智能化的基礎(chǔ)。所建立的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)需涵蓋發(fā)動(dòng)機(jī)研制的全生命周期，覆蓋設(shè)計(jì)的各個(gè)專(zhuān)業(yè)，包含各類(lèi)設(shè)計(jì)的過(guò)程數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)，可能涉及多種類(lèi)型的數(shù)據(jù)文件。初步的架構(gòu)設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖6）及數(shù)據(jù)組織模式可以按如下思路開(kāi)展。數(shù)據(jù)庫(kù)按照項(xiàng)目全生命周期進(jìn)行組織，從整機(jī)方案，分解到部件及專(zhuān)業(yè)，按照設(shè)計(jì)活動(dòng)組織不同設(shè)計(jì)模塊的數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以建立與相關(guān)其他專(zhuān)業(yè)的聯(lián)系。數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以采用基于XML類(lèi)型的自解析形式，同時(shí)保存原始文件。XML格式數(shù)據(jù)的自解析優(yōu)勢(shì)有利于不同類(lèi)型數(shù)據(jù)文件的統(tǒng)一管理，并可以清晰地表達(dá)從數(shù)據(jù)庫(kù)頂層一直到底層數(shù)據(jù)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，不僅要包含氣動(dòng)專(zhuān)業(yè)程序產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，還要包含結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)而有利于各類(lèi)經(jīng)驗(yàn)的顯性化和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)作為唯一數(shù)據(jù)源實(shí)現(xiàn)專(zhuān)業(yè)間的協(xié)同設(shè)計(jì)，作為積累各類(lèi)數(shù)據(jù)的平臺(tái)將設(shè)計(jì)與生產(chǎn)、保障聯(lián)系在一起，為未來(lái)數(shù)字孿生的建立打下基礎(chǔ)。

其次，不斷完善集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)。集成設(shè)計(jì)平臺(tái)作為設(shè)計(jì)員直接面對(duì)的設(shè)計(jì)工具，在設(shè)計(jì)中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。系統(tǒng)平臺(tái)的作用是將各類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)、資源等與設(shè)計(jì)員連接在一起。未來(lái)系統(tǒng)平臺(tái)的特征體現(xiàn)在：自動(dòng)化程度大幅度提高，知識(shí)化推送能力增強(qiáng)，規(guī)范化的軟件版本管理，個(gè)性化的配置風(fēng)格，簡(jiǎn)易化的平臺(tái)改進(jìn)模式。設(shè)計(jì)流程中，成熟的設(shè)計(jì)活動(dòng)或模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等能自動(dòng)化處理的，均應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)所開(kāi)展的工作，系統(tǒng)可自動(dòng)推送相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，包含規(guī)范、指導(dǎo)書(shū)（含設(shè)計(jì)檢查單、以往故障）等，輔助設(shè)計(jì)活動(dòng)順利開(kāi)展；新的設(shè)計(jì)按要求使用最新版本的程序，早期的方案也可通過(guò)調(diào)用早期版本程序?qū)崿F(xiàn)復(fù)現(xiàn)，各版程序得到有效控制；設(shè)計(jì)系統(tǒng)的界面配置等可根據(jù)用戶(hù)當(dāng)前設(shè)計(jì)階段、模塊按照用戶(hù)需求進(jìn)行個(gè)性化調(diào)整，進(jìn)而提高工作效率；系統(tǒng)具備特別簡(jiǎn)易的改進(jìn)模式，小的改動(dòng)不需要信息化專(zhuān)業(yè)人員的參與，可由設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)管理員利用簡(jiǎn)單的工具完成，使得系統(tǒng)長(zhǎng)期保持活力。

最后，開(kāi)展智能化多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)研究。設(shè)計(jì)智能化也許不再遙遠(yuǎn)，對(duì)于復(fù)雜的航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，也許會(huì)在某些小的設(shè)計(jì)活動(dòng)中成為現(xiàn)實(shí)。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，從系統(tǒng)級(jí)角度出發(fā)，借助大數(shù)據(jù)支持，在專(zhuān)家系統(tǒng)的參與和不斷完善下，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化可能會(huì)發(fā)揮出越來(lái)越大的效果，進(jìn)而從系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能水平的綜合最優(yōu)。

結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所壓氣機(jī)設(shè)計(jì)體系建設(shè)情況，重點(diǎn)描述了氣動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成平臺(tái)的特點(diǎn)，并以三級(jí)風(fēng)扇設(shè)計(jì)為例介紹了系統(tǒng)平臺(tái)的應(yīng)用情況，最后論述了設(shè)計(jì)系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展方向，結(jié)論如下：第一，設(shè)計(jì)體系是研究所核心設(shè)計(jì)能力的集中體現(xiàn)，應(yīng)該堅(jiān)持邊建邊用，邊用邊完善的原則；第二，壓氣機(jī)專(zhuān)業(yè)氣動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)平臺(tái)建成后得到了很好的應(yīng)用，并在風(fēng)扇壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要的作用，提高了工作效率，保障了設(shè)計(jì)的規(guī)范性；第三，未來(lái)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)將朝著系統(tǒng)化、知識(shí)化、智能化的方向發(fā)展，應(yīng)盡快著手在數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)平臺(tái)、智能化設(shè)計(jì)等方向開(kāi)展研究。