操碎了心的“老管家”，“大发”设计之总体结构篇
发动机是有几万个零件在狭小的空间内装配组成的复杂系统，要把这么多的机械结构组织安排好，同时还要承受着超高性能所带来的超高载荷，航空发动机总体结构的设计工作可谓“米粒上雕花”，其复杂、困难程度在人类整个工业体系中堪称罕见。
透露一下，本期作者张成武童鞋是一位大大大帅哥哦~~还是海龟高知，这里先买个关子，让大家多期待一会，下一期一块奉上他的帅照哦~~下面先来听听“大发”对总体结构专业攻城狮哥哥姐姐们的夸奖吧吧~
“总体结构”是个啥？如果从发动机专业设计上来说，这实在过于抽象、枯燥、乏味，所以在开始介绍之前，先跟大伙分享一个案例，活跃一下气氛。
2005年12月17日，一家法国航空的波音777-200ER从首尔飞巴黎途中，一台GE90发生故障，飞机在西伯利亚的伊尔库斯克紧急降落，机长赶紧跟航空公司总部联系，需要立刻换发以恢复飞行。公司总部赶紧找飞机给运一台备用发动机过去。然而问题来了，这么大的一个发动机，找啥飞机能运过去呢？
下图中，左边是一架波音737客机，右边是GE90发动机，二者等比例放在一起就是这个效果。
这个尺寸，一般的窄体客机是不指望了，只能往大了找。鉴于当时A380还没出生，航空公司家里有的最大的飞机也就是波音747了，看看下面，够大了吧？
然而，搬发动机的时候大家又傻眼了，机身尺寸是够了，可是咋进去啊？舱门就那么点，总不能为了运台发动机，把舱门砸个大豁口出来吧。公司总部无奈的通知机长，我们发动机很多，但是没有飞机可以运啊！你能不能就近找个大点的飞机过来取呢？
机长一听傻眼了，这人生地不熟的，我上哪弄这么大飞机呢？机长绞尽脑汁，我们降落在哪儿来着？西伯利亚呀，战斗民族的地盘！这种牛逼的问题，没有比他们更合适帮忙的了！于是，机长操起电话向当地机场求救。机场领导一听尺寸要求，说，这个难度有点大，看来我们只能出大杀器了，让安-124辛苦一趟吧。这个时候，不明真相的群众一定开始纳闷了，安-124是哪路货色？连747都搞不动的东西，它搞得动？关于安-124，我们先来个45度角靓照看看颜值。
怎么样，战斗民族的灰机还是很霸气的吧！然而，明明可以靠脸吃饭的，它还非得要靠实力！看着驾驶舱窗户，童鞋们大概也就知道这货的尺寸了。额，还是没概念？那再上一张图吧
别说一台发动机了，一条地铁吞进去，顶上还剩一大块空间呢！
机长看到安124之后，心里一块石头总算落地。不过高兴之余，心里也不免一阵嘀咕：我一台发动机也就七八吨的重量，你直接来一架载重150吨的大灰机，是不是有点太浮夸啊！不过好在问题总算解决了，也就不好说什么了。
拆装的诀窍
这样的问题出现一次还好，但谁也不能保证下次飞机不会在什么荒郊野岭的地方再坏一台发动机。莫非以后都得劳烦战斗民族的大灰机帮忙运么？牛刀杀鸡的成本问题不说，面子上也挂不住啊！
所以，要有更聪明的解决方案。为了解决大尺寸发动机运输难题，GE的攻城狮们在GEnx上想了这么个招。
你风扇机匣不是大么，得，我直接在飞机上就把发动机小拆一把，然后把你扔飞机上，把剩下的搬走，那需要运输的东西不就一下子小了好多了么！
我这个时候已经能猜到大伙的表情了。
虽然我也理解大家的心情，但是作为业内人士（容我装一下哈），还是钦佩GE攻城狮们走了一着好棋，且听我细细道来。
请看上图，攻城狮们把发动机分成了风扇机匣单元体、推进器（上图中红圈部分）两大部分以及进气锥、风扇叶片、流道板、外部管路电缆组合件等散件。发动机维修无外乎两种情况：限寿件寿命到期，零部件损坏。而事实上，风扇机匣不是出事故的概率非常之小，也没有寿命限制，绝大部分限寿件更换和运行事故都在推进器上。因此，绝大部分情况下，可以在外场只拆卸推进器，将风扇机匣留在飞机上，不需要一起运回大修厂。推进器的尺寸小很多，完全可以用B747、DC-10、A310等大部分商用宽体飞机进行运输！
若需要更换整个发动机（包括风扇机匣），也可以先将发动机（3.48 m×5.64m×3.45 m）快速分解为风扇机匣单元体（3.48 m×2.03 m×3.45 m）与推进器（3.07m×5.06 m×2.44 m）两部分再进行运输，减小边界尺寸，使得整机可以使用包括B747在内的25种飞机进行运输。
不过，外行看热闹，内行看门道，这么一个简单的运输方式选择，背后却隐藏着大量的设计方案考虑：
得有大量的使用经验证明，风扇机匣部分是极少出问题需要返厂维修的；
拆卸这些部分所需要的时间必须是极短的（起码和拆装整机的时间相当）、工装必须极少的（最好就只需要几个扳手），这就要求结构布局设计上，要保证这几部分结构充分模块化，连接结构非常简单且可达性强，在整机装配性设计时，保证拆卸推进器前尽可能少地拆卸其他模块/零件；
装上去之后，发动机不需要磨合试验，直接就能开工（单元体设计理念），要是占着坑还要拆装调试几个来回…不说了，时间就是出勤率，出勤率就是金钱啊。
所有这些，都是需要总体结构的攻城狮们在发动机研制之初，从结构布局方案上细致考虑，才能最终实现。而保证发动机方便维修和运输，仅仅只是总体结构专业的一小小部分工作而已。
总体结构干些啥？
好，言归正传，下面，就让我来告诉你，除了上面这个案例以外，总体结构还有哪些事情要做。
发动机研制的一般流程，是由总体性能打头，从飞机的需求量得到发动机的各项指标以及各部件和系统的设计要求，之后由各部件气动专业将指标逐一解码成与空气游戏的具体规则，如空气在哪儿进气，在哪儿压缩，压缩多少，在哪儿燃烧，在哪儿膨胀，膨胀多少，在哪儿喷出去，等等。把空气运动的轨迹画在图上，就形成了发动机的“流道”。之后，总体结构的攻城狮们摩拳擦掌准备上场了。
发动机可以分为转动件（如压气机、涡轮）、静止件（如燃烧室、承力框架）两大类，分别叫做转子和静子，转子架在静子上，中间通过轴承保证二者可以自由相对运动。总体结构最开始做的，就是怎么安排支承，把转子架在静子上。本着节约的传统美德，支承点是肯定越少越好，那一个棒子也得有两个支点才架得住吧？于是，高压转子两个支点，低压转子两个支点。但是，高压转子还好，低压转子那又长又细的，几千的转速飞起来，哪儿稍微有点多余的重量，小细腰肯定得弯得不行了！所以，一般在合适地方，给低压转子额外增加一个支点。这就形成了双转子发动机最常用的五支点布局。
决定好了轴承的位置，就把转子径向固定好了。但是，压气机把空气使劲往后压，根据牛顿第三定律，压气机自然受到一个向前的力；涡轮被前面的气流吹着跑，自然受到一个向后的力。两个力一综合，转子总会受到一个向前或者向后的作用力，所以需要支点中有一个安排了止推轴承（滚珠）来保证转子前后的定位，其他地方就安排滚棒轴承好了。
支点布完了，力咋传出去呀？于是，还要再做承力系统的布局。人家压气机、燃烧室、涡轮这些个名门正派都不好惹，一听到这么大的力要放在自己身上，个个上蹦下跳不淡定，什么变形太大影响间隙啦，反正就是不给放。于是，只好找点边边角角的地方（过渡流道），整些个支板加强一下，就当做承力框架了。有的实在找不到地儿，硬着头皮布置到燃烧室上面，还得天天忍受人家的火气炙烤，着实不容易！最后，挑个硬实点的承力框架，穿个叫做安装节的带钩子马甲（钩子用来勾飞机），承力系统布局就算做完了。自此，发动机已经初具雏形。
然而，艰巨的任务才刚刚开始。
涡轮：我这天天热得快融化了，得装个空调吧？
总体结构：要的要的，这就给你安排冷气管路；
轴承：我挤在高速运动的转静子之间热得要命，得让我解渴散热吧？
总体结构：要的要的，这就给你排轴承腔、滑油管路；
传动：我有滑油泵、燃油泵、发电机等等一大家子要养，得想办法给点补给吧？
总体结构：要的要的，这就给你布置传动杆、齿轮箱；
控制：我这天天被人追着问发动机现在什么情况，状态好不好，得帮我装几个摄像头吧？
总体结构：要的要的，这就给你装传感器。
传动：我有滑油泵、燃油泵、发电机等等一大家子要养，得想办法给点补给吧？
总体结构：要的要的，这就给你布置传动杆、齿轮箱。
综合各方面需求之后，总体结构的攻城狮闭关几日，心中已将方案酝酿成型，于是，各部件系统沐浴更衣斋戒数日翘首以待，总体的图纸终于摊开，总体结构的攻城狮，拉拉筋骨伸伸腰，然后拿起大笔，在图纸上纵横驰骋，恣意挥洒，笔锋所到之处，掌声、惊叹声、赞美声此起彼伏，一浪高过一浪！
待众人还未回过神来，画笔回转急收，紧接着一顶红印落款，图纸即刻归档！各部件系统无不佩服得五体投递，纷纷将图纸举过头顶，一路鲜花飘散，尊迎回府。
额，我脑中怎么突然想起给秋香姐上房顶取风筝的唐伯虎了。
突然一阵叫骂声，总体结构的攻城狮从梦中惊醒，回到现实中，才发现刚才只是一个梦，围在周围的没有鲜花没有掌声，有的只是菜场般的咒骂声和飞扬的吐沫星。
压气机：哎呀又给我整这么胖，不能让我瘦点么？什么？下面有个轴承？把它挪走不行么！
轴承：我占得地儿就这么一点，都快喘不过气了，好意思再挤我！还有，你轴向载荷太大，我轴承做不了，降不下来？那我不管，出了事你负责！
涡轮：我这小身板本来就脆弱得很，你没事就来开个孔是几个意思？什么？用来给我通冷气？走别的地儿不行么！
燃烧室：压气机要引走的气，凭啥把孔开在我身上啊！
传动：上周刚定下来的尺寸，过完周末你就给变了，你玩我的啊！风扇方案做不了？他做不了跟我有半毛钱关系啊！
好在总体结构的攻城狮们早就习惯了这些个喋喋不休，对于这些意见，尽管他们并非各个专业领域的专家，但是好在接触各个门派机会多，趁着对方不注意，还是偷炼了很多入门级的招式和内功心法，反客为主说不上，摆摆事实讲讲道理还是够得，再加上多年摸爬滚打练就的嘴皮子功夫，这些个鸡毛蒜皮的事情还是可以摆平的。于是，一把抹掉嘴边口水，开始了逐个安抚。
初次总体结构还要考虑如何把各个部件系统分成固定的模块（单元体划分），如何把各个模块组装起来（装配性分析、集件和总装），如何保证发动机受热膨胀、变形各个状态下内部结构不会碰磨或者脱开（尺寸链计算），如何将上头下达的重量要求分配给各个专业（重量指标分配），如何把试验阶段各个专业的测试需求落实到发动机结构上（测试改装），还有开篇所提到的，产品维修和运输。。。
最后，在经历各种曲折反复、斗智斗勇、唇枪舌剑、讨价还价之后，总体结构布局在各专业的妥协下最终以一个折衷的方案艰难出炉，各专业载着一堆要求，唉声叹气而归。
（以上多有夸张之处，咱们干大发的，总体和各部件系统关系还是和谐融洽的，若有言语不当冒犯之处，我给各部件系统先行赔礼啦！）
我们这稳定压倒一切
总而言之，发动机是一个极其复杂的大系统，在结构层面上，需要将各个部件和子系统集成浓缩在一个有限的空间内，同时还要保证重量最轻，制造成本低，可靠性高，维修性强，方便运输。
如果说，性能和气动专业考虑的是如何造梦，总体结构专业考虑的则是如何把梦想变为现实，它如同一位执掌庞大家族的老管家，上面要满足各位“爷”的需求，一切以性能和气动目标为宗旨；下面还要照顾到各部件系统的承受能力，东挡一挡，西压一压，得保证实现整机层面的要求，又得保证大家都做得下来。一不小心考虑不周全，没安排好，或者是一碗水端不平，那就得吃不了兜着走。
所以，作为一名总体结构的攻城狮，专业知识上，必须是上知天文，下通地理，邻里闲话全入耳，娱乐八卦记心中；工作能力上，还要能上得厅堂下得厨房，镇得住场面，受得了委屈，战场上排兵布阵指挥若定，回到家婆媳关系游刃有余。
说到这儿，观众们不禁要问了，国家现在天天都号召要创新创新再创新，你看人家风扇，从凸肩做到宽弦再到后掠，从钛合金实心做到空心，再到碳纤维复材，碳纤维复材还从1代做到2代再到3代。你总体结构说得好像无所不能，这么多年有啥创新没有？
总体结构犹如一个：莫急莫急，创新是要一点一点来的，总体结构最重要的，是另外两个字：维稳！
能不变就不变，以不变应万变，实在要变也得一点一点变。一个安定团结稳定的局面才能促进改革健康有序发展（咦，这话听着好熟。。。）。
话音刚落，四周立刻嘘声四起。不着急，我先给大家讲个故事。
话说上世纪60年代，RR公司的总体性能部门也有一个叫孔小乙的（肿么到处都有这货~）。有一天，孔小乙闲来没事推导起公式，边写还喃喃自语：总压比越高，发动机效率就越高，但是压气机压比太高又会越过喘振边界了，喘振来源于发动机前后级不匹配问题，不匹配问题是由于前后十几级都是同一个转速，转速！就是因为它们在同一个转子上。。。
那如果把他们多分几个转子，问题不就解决了么？不就可以提高效率了么？指标！孔小乙脑中立刻闪现出这两个金灿灿的大字，犹如发现新大陆一样兴高采烈地拿着写满公式的草稿纸找到领导，领导听了，大腿一拍：能提高效率？好啊！不就多个转子嘛，总体结构过来过来！我们现在要多增加个转子，你那边没问题吧？
话说RR的总体结构攻城狮们那是天生的攻坚克难癖好，有困难要上，没有困难制造困难也要上！但是，这次他们真的遇到难题了，三个转子要套在一起，保证各自径向上不干涉就已经很困难了，转子上还得布置轴承，还要配套承力框架，加上轴承润滑，以及后期的装配拆解。。。想想脑袋都大。
可能RR公司对自己真的是太乐观了，三转子的布局外加复合材料的风扇，还同时开启多个型号的研制，进度一拖再拖，最后竟然把自己搞到破产！还好亲妈出手救了一命，虽然晚了半年，不过最终还是把三转子给搞成了。
所谓一朝被蛇咬，十年怕井绳。RR公司自从搞出第一台三转子发动机（RB211-22），历经RB211系列化发展（22，535），再到TRENT系列（700，800，500，900，1000），适配的飞机从最早的L-1011，到B747、B767、B777、A330、A340、A380，在这长达半个世纪的时间里，这个基本的总体结构布局，一直没变过！
是的，一直没有变过。
但是结果如何呢？RR公司自此在民用航空发动机市场上始终屹立不倒，并且在利润最丰厚的宽体客机发动机市场上，牢牢占据着半壁江山！
一直到最近刚开始服役的TRENT XWB，由于低压转子轴向力太大（没办法，孔小乙们又发现把调压腔引气取消，可以提高效率！），滚棒轴承在3号支点位置放不下了，才把1、3号轴承换了个位置，其他地方仍然保持不变。
有前车之鉴，尽管垂涎三个转子的性能优势，PW宁愿在风扇和低压涡轮之间加个齿轮，也不想多加个转子，而GE则老老实实搞自己的双转子，结构干不过你我就拼材料。
究其原因，还是因为做成一套成熟的总体结构方案，实在是不容易，换个方案风险太大，所以只要是能满足各方面要求，能不变就别变了，还是那句话：
一个安定团结稳定的局面才能促进改革健康有序发展。
说了这么多，最后的最后，给大家来个轻松点的：
总体结构的攻城狮们听得目瞪口呆，似懂非懂，记了一大本子笔记，回去通宵达旦废寝忘食研究方案。一个星期后，他们神情恍惚、目光呆滞，平生第一次低下高贵而倔强的头颅，跪地求饶：
责编：赵诗棋