单元体指按照一定的设计要求,由结构和工艺保证,将一组航空发动机零组件组成一个功能、性能和结构相对独立的集成结构(见图)。单元体设计是为了提高发动机的维修性而发展的一种设计方法,在航空发动机领域的应用可追溯至20世纪60年代。发动机制造商为减轻航空发动机服役中的维护工作,在零部件标准化处理方面开展研究,当时的思想是减少定制零部件的使用以创造规模化和长时间经济效益。70年代,将发动机的实际装配状态以及拆装和运输的便捷性融入单元体设计中。80年代、90年代,单元体设计兼顾了发动机装配状态和供应商划分等情况,开始将寿命评估结合到单元体设计中。进入21世纪,单元体设计思想已经在大多数航空发动机研制中运用,是现代发动机设计基础之一。
设计原则包括:①单元体界面清晰,连接结构简单,作为一个独立的模块,不仅在功能、性能上具有互换性,在结构上也具有互换性。②单元体拆装可达性好,更换时不影响其他单元体的完整性。③单元体内转子需单独预调平衡,更换单元体时,发动机无须再次平衡。④单元体内零件寿命尽可能接近,便于发动机寿命控制和管理。⑤单元体划分需考虑实际装配状态和组合装配关系,同时兼顾供应商划分,简化生产组织程序和零部件库存时间。
采用结构单元体设计,在航空发动机研制、使用、维护过程中实现的收益有:减少发动机整机结构设计匹配周期,改善整机装配性;单元体内部的零件具备相似工作环境和寿命,简化寿命管理成本;在外场实现对单元体的快速更换,减少整台发动机的备用数量,节省维修周期和成本,提高飞机出勤率;可按单元体对整台发动机的生产和运输进行分包,增加了生产和运输的便捷性。
新的结构、工艺及健康管理技术的应用,不断深化单元体设计方法,会最大限度发挥单元体带来的收益。未来,航空发动机单元体设计还将与数字孪生技术相结合,产生新的效益。