TRIZ理論在航空發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

丁朝霞，黃順洲

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500)

1 引言

1987年由美國(guó)空軍首先發(fā)起的IHPTET計(jì)劃，是迄今為止最成功的航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)預(yù)研計(jì)劃[1]。該計(jì)劃的總目標(biāo)分為三個(gè)階段，主要關(guān)注提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比、循環(huán)溫度，同時(shí)也對(duì)降低生產(chǎn)成本和維修成本提出了更高要求。在IHPTET計(jì)劃結(jié)束后，美國(guó)從2006年又開(kāi)始實(shí)施了VAATE計(jì)劃，其宗旨是在提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能的同時(shí)，更加強(qiáng)調(diào)降低生產(chǎn)和維修成本。VAATE計(jì)劃的發(fā)展重點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)可承受性，總目標(biāo)是到2017年開(kāi)發(fā)出革命性和創(chuàng)新性的技術(shù)，使先進(jìn)軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)可承受性在F119發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上提高10倍，推重比提高20%～30%，耗油率降低25%～30%，研制、生產(chǎn)和維修成本降低50%的研究目標(biāo)。

我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)從測(cè)繪仿制、引進(jìn)消化吸收到自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)，已艱難走過(guò)半個(gè)多世紀(jì)，為我軍航空武器裝備發(fā)展作出了很大貢獻(xiàn)，但與世界先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)相比，至少落后20～30年。如何科學(xué)、持續(xù)地提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展速度，縮短與世界先進(jìn)水平的差距，滿(mǎn)足我國(guó)未來(lái)先進(jìn)航空武器裝備發(fā)展對(duì)動(dòng)力裝置的需要，是當(dāng)前急需解決的重大問(wèn)題[2]。

TRIZ創(chuàng)新理論體系是一種發(fā)明問(wèn)題解決理論，由Altshuller及其研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立。相對(duì)于傳統(tǒng)的創(chuàng)新方法，TRIZ理論成功揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，著力于澄清和強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)中存在的矛盾，其目標(biāo)是有效解決矛盾，獲得理想解。實(shí)踐證明，運(yùn)用TRIZ創(chuàng)新理論，可大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程，得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)。近年，TRIZ創(chuàng)新理論已得到國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家的高度重視，并逐漸在實(shí)際中加以應(yīng)用，取得了顯著效果。如在工藝領(lǐng)域[3，4]、生化領(lǐng)域[5]、汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域[6]等都得到了廣泛應(yīng)用，但在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用較少。

本文嘗試?yán)肨RIZ創(chuàng)新理論來(lái)解決高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)方案設(shè)計(jì)中遇到的技術(shù)矛盾。

2 高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)面臨的主要矛盾

未來(lái)高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的技術(shù)特征包括：超聲速巡航能力、長(zhǎng)壽命和低成本、寬包線(xiàn)和長(zhǎng)航時(shí)等。超聲速巡航能力是未來(lái)高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)仍需具備的技術(shù)特點(diǎn)，且巡航速度應(yīng)比第四代戰(zhàn)斗機(jī)有所增加；長(zhǎng)壽命主要體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)的使用可靠性及氣動(dòng)、熱力、機(jī)械負(fù)荷的輕重上；可靠性則要求發(fā)動(dòng)機(jī)具有更少的零部件數(shù)、更精準(zhǔn)的控制規(guī)律、更強(qiáng)的抗畸變能力等；低成本主要是指研制、生產(chǎn)和使用成本更低；寬包線(xiàn)和長(zhǎng)航時(shí)特征要求發(fā)動(dòng)機(jī)能突破現(xiàn)有的工作包線(xiàn)，可工作于更高的馬赫數(shù)和高度，同時(shí)具有良好的耗油率特性，實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間[7]。

為實(shí)現(xiàn)高馬赫數(shù)飛行，特別是保證發(fā)動(dòng)機(jī)在更高馬赫數(shù)超聲巡航時(shí)仍然具有較好的推力性能，要求發(fā)動(dòng)機(jī)具有較小的涵道比和較高的渦輪前溫度；而良好的耗油率特性要求發(fā)動(dòng)機(jī)具有較大的涵道比和較高的部件效率。因此，在高推重比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)具體方案設(shè)計(jì)中涉及以下兩個(gè)主要矛盾。

(1)高風(fēng)扇壓比與低壓系統(tǒng)復(fù)雜性間的矛盾。提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比有兩條途徑：一是降低發(fā)動(dòng)機(jī)重量、縮短發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度、減少零件數(shù)、采用輕質(zhì)材料(特別是復(fù)合材料)和選定合適的轉(zhuǎn)動(dòng)部件切線(xiàn)速度；二是提高發(fā)動(dòng)機(jī)單位流量產(chǎn)生的推力，即提高噴管出口的排氣壓力和排氣溫度。提高風(fēng)扇壓比可提高排氣壓力，提高燃燒室出口溫度可提高排氣溫度。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提高，風(fēng)扇壓比會(huì)越來(lái)越高，為驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，低壓渦輪的做功能力必須越來(lái)越強(qiáng)。這就導(dǎo)致低壓渦輪級(jí)數(shù)增加，進(jìn)而增加低壓渦輪的復(fù)雜性。同樣，風(fēng)扇壓比的增加，也會(huì)增加風(fēng)扇的級(jí)數(shù)和復(fù)雜性。因此，在高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)中，必然存在高風(fēng)扇壓比與風(fēng)扇和低壓渦輪系統(tǒng)(低壓系統(tǒng))復(fù)雜性之間的矛盾。推重比越高，矛盾越尖銳。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)工作馬赫數(shù)與耗油率間的矛盾。未來(lái)高推重比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)要實(shí)現(xiàn)寬包線(xiàn)、長(zhǎng)航時(shí)的技術(shù)特征，一方面要求發(fā)動(dòng)機(jī)在超聲速工作時(shí)，具有較大的單位流量推力。單位流量推力越大，飛行馬赫數(shù)越高。這時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)除了需要工作在很高的渦輪轉(zhuǎn)子前溫度外，還必須工作在最小涵道比模式，即準(zhǔn)渦噴狀態(tài)；另一方面要求發(fā)動(dòng)機(jī)在亞聲速工作時(shí)，具有較低的耗油率特性，這樣飛機(jī)的航程和航時(shí)才更長(zhǎng)。為實(shí)現(xiàn)低耗油率特性，除要求發(fā)動(dòng)機(jī)各部件工作效率高、損失低外，更重要的是希望發(fā)動(dòng)機(jī)工作在較大涵道比模式，即渦扇狀態(tài)。因此，為實(shí)現(xiàn)未來(lái)高推重比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)寬包線(xiàn)、長(zhǎng)航時(shí)的技術(shù)特征，必然存在發(fā)動(dòng)機(jī)工作馬赫數(shù)與耗油率之間的矛盾。推重比越高，矛盾越尖銳。

3 TRIZ創(chuàng)新理論的具體應(yīng)用

對(duì)于一個(gè)具體問(wèn)題，當(dāng)人們無(wú)法直接找到對(duì)應(yīng)解時(shí)，可以先將此問(wèn)題轉(zhuǎn)換，表達(dá)為一個(gè)TRIZ問(wèn)題，然后利用TRIZ創(chuàng)新體系中的理論、工具和方法獲得通用解，最后將通用解轉(zhuǎn)化為具體問(wèn)題的解。

3.1 TRIZ通用技術(shù)參數(shù)

TRIZ創(chuàng)新理論提出用39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)來(lái)描述問(wèn)題(表1)。通過(guò)這些參數(shù)，可建立起現(xiàn)實(shí)問(wèn)題與TRIZ創(chuàng)新理論之間的橋梁[8]。

需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，這些技術(shù)參數(shù)的變化可分為兩類(lèi)。

(1)欲改善的參數(shù)：指系統(tǒng)改進(jìn)時(shí)將提升和加強(qiáng)的特性所對(duì)應(yīng)的工程參數(shù)。

(2)被惡化的參數(shù)：指系統(tǒng)改進(jìn)時(shí)，在某個(gè)技術(shù)參數(shù)獲得提升的同時(shí)，導(dǎo)致其它參數(shù)變差的技術(shù)參數(shù)。

欲改善的參數(shù)與欲惡化的參數(shù)就構(gòu)成了技術(shù)系統(tǒng)的矛盾，TRIZ創(chuàng)新理論就是通過(guò)克服這些技術(shù)矛盾，推進(jìn)系統(tǒng)向理想化進(jìn)化[9]。

3.2 TRIZ原理

通過(guò)對(duì)大量專(zhuān)利的研究，TRIZ創(chuàng)新理論提煉出40個(gè)最重要且具有普遍用途的發(fā)明原理，見(jiàn)表2[10]。

3.3 TRIZ矛盾矩陣

通過(guò)多年研究、分析和比較，TRIZ創(chuàng)新理論提出了矛盾矩陣，該矩陣將描述技術(shù)矛盾的39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)與40個(gè)發(fā)明原理建立起了對(duì)應(yīng)關(guān)系，很好地解決了改進(jìn)過(guò)程中選擇發(fā)明原理的困惑。

表1 TRIZ通用技術(shù)參數(shù)Table 1 Universal technical parameters of TRIZ

39個(gè)技術(shù)參數(shù)從行、列兩個(gè)維度構(gòu)成矩陣方格共1521個(gè)，其中1263個(gè)方格在每個(gè)方格中有幾個(gè)數(shù)字，這幾個(gè)數(shù)字就是TRIZ理論所推薦的解決相應(yīng)技術(shù)矛盾的發(fā)明原理的序號(hào)。矛盾矩陣為39×39的一個(gè)矩陣，其示意簡(jiǎn)表如表3所示[7]。

4 主要矛盾解決方案

4.1 高風(fēng)扇壓比帶來(lái)的系統(tǒng)復(fù)雜性問(wèn)題

采用TRIZ創(chuàng)新理論解決高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)中高風(fēng)扇壓比與低壓系統(tǒng)復(fù)雜性間的矛盾，其過(guò)程為：

(1)確定技術(shù)參數(shù)。為提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比，必然要提高風(fēng)扇壓比，這是欲改善的特性。對(duì)應(yīng)到通用技術(shù)參數(shù)，選擇No.11壓強(qiáng)，以此作為欲改善的參數(shù)。為減少低壓系統(tǒng)的復(fù)雜性，又不希望低壓部件的級(jí)數(shù)增加太多，因此風(fēng)扇壓比提高，必然引起系統(tǒng)更加復(fù)雜，這就是被惡化的特性。對(duì)應(yīng)到通用技術(shù)參數(shù)中選擇No.36系統(tǒng)的復(fù)雜性，以此作為被惡化的參數(shù)。

(2)查找TRIZ矛盾矩陣。根據(jù)欲改善的參數(shù)No.11壓強(qiáng)和被惡化的參數(shù)No.36系統(tǒng)的復(fù)雜性，從矩陣表查找對(duì)應(yīng)的方格，得到方格中推薦的發(fā)明原理序號(hào)共3個(gè)，分別是No.19、No.1和No.35。

表2 TRIZ發(fā)明原理Table 2 Creative principle of TRIZ

表3 TRIZ矛盾矩陣簡(jiǎn)表Table 3 Contradictious matrix table of TRIZ

(3)發(fā)明原理分析。No.19為周期性作用原理，即將連續(xù)動(dòng)作改為周期性動(dòng)作。No.1為分割原理，即把一個(gè)物體分成相互獨(dú)立的部分。No.35為物理或化學(xué)參數(shù)變化原理，即改變物體的物理或化學(xué)參數(shù)，如濃度、溫度、體積等。

(4)發(fā)明原理應(yīng)用。采用分割原理，具體技術(shù)措施是：采用核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，如圖1所示。即把高壓比的風(fēng)扇部件分成兩個(gè)部件，前一個(gè)風(fēng)扇部件由低壓渦輪驅(qū)動(dòng)，后一個(gè)部件由高壓渦輪驅(qū)動(dòng)，這樣可大大降低低壓系統(tǒng)的復(fù)雜性；低壓渦輪可采用單級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也可充分發(fā)揮高壓渦輪的做功能力。該措施能有效解決高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)中，高風(fēng)扇壓比與低壓系統(tǒng)復(fù)雜性之間的矛盾。

圖1 帶核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)概念Fig.1 Variable cycle engine concept with CDFS

4.2 寬包線(xiàn)、長(zhǎng)航時(shí)帶來(lái)的系統(tǒng)適應(yīng)性問(wèn)題

采用TRIZ創(chuàng)新理論解決高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)中，工作馬赫數(shù)與耗油率間的矛盾，其過(guò)程如下：

(1)確定技術(shù)參數(shù)。為實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)寬包線(xiàn)、長(zhǎng)航時(shí)的技術(shù)特征，即提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作馬赫數(shù)，這是欲改善的特性。對(duì)應(yīng)到通用技術(shù)參數(shù)，選擇No.9速度，以此作為欲改善的參數(shù)。為提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作馬赫數(shù)，必然要提高轉(zhuǎn)子前溫度，其耗油率必然增大，這就是被惡化的特性。對(duì)應(yīng)到通用技術(shù)參數(shù)中，選擇No.19運(yùn)動(dòng)物體能量消耗，以此作為被惡化的參數(shù)。

(2)查找TRIZ矛盾矩陣。根據(jù)欲改善的參數(shù)和被惡化的參數(shù)，從矩陣表查找對(duì)應(yīng)的方格，得到方格中推薦的發(fā)明原理序號(hào)共4個(gè)，分別是No.8、No.15、No.35和No.38。

(3)發(fā)明原理分析。No.8為重量補(bǔ)償原理，通過(guò)與環(huán)境的相互作用實(shí)現(xiàn)重量補(bǔ)償。No.15為動(dòng)態(tài)特性原理，體現(xiàn)在3個(gè)方面：①調(diào)整物體或環(huán)境性能，使其在工作的各階段達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)；②分割物體，使其各部分可以改變相對(duì)位置；③如果一個(gè)物體整體是靜止的，使之移動(dòng)或可動(dòng)[9，10]。No.35為物理或化學(xué)參數(shù)變化原理，No.38為加速氧化原理。

(4)發(fā)明原理應(yīng)用。采用動(dòng)態(tài)特性原理，具體技術(shù)措施是：采用變涵道比的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)(圖1)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在超聲速工作時(shí)，減小涵道比或關(guān)閉涵道，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在渦噴狀態(tài)，滿(mǎn)足飛機(jī)最大推力要求；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在亞聲速工作時(shí)，增大涵道比，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在渦扇狀態(tài)，滿(mǎn)足飛機(jī)的最低耗油率要求。故采用變涵道比的方式，可有效解決高推重比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)工作馬赫數(shù)與耗油率間的矛盾。

以上兩條技術(shù)措施在GE公司YF120發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了應(yīng)用。該發(fā)動(dòng)機(jī)不加力推力達(dá)125 kN，超過(guò)了早期的F100發(fā)動(dòng)機(jī)的加力推力，其耗油率比第三代發(fā)動(dòng)機(jī)降低了30%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從滿(mǎn)足未來(lái)戰(zhàn)斗機(jī)的需求出發(fā)，將TRIZ創(chuàng)新理論及其解題工具引入到高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中。在對(duì)實(shí)際問(wèn)題分析的基礎(chǔ)上，確定了技術(shù)參數(shù)，構(gòu)建了技術(shù)矛盾，運(yùn)用39個(gè)工程參數(shù)中的4個(gè)參數(shù)描述該矛盾；由矛盾矩陣確定采用發(fā)明原理-No.1分割原理和No.15動(dòng)態(tài)特性原理，對(duì)高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展中的兩個(gè)重要問(wèn)題進(jìn)行了TRIZ解析，創(chuàng)造性地構(gòu)建出可變涵道的核心機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)方案，滿(mǎn)足了未來(lái)高推重比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)寬包線(xiàn)、長(zhǎng)航時(shí)的技術(shù)特征要求。如果能夠掌握TRIZ這種標(biāo)準(zhǔn)化的創(chuàng)新方法并運(yùn)用于實(shí)際的設(shè)計(jì)創(chuàng)新活動(dòng)中，必將加快航空發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品創(chuàng)新，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制水平。

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