民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)效能評(píng)估模型研究

湯 琳,徐凱軍

（中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所,湖南 株洲 412002）

概述

航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制需投入大量資金、人力和時(shí)間,因其性能及技術(shù)復(fù)雜性不斷提高,采購費(fèi)用和使用保障費(fèi)用也隨之大幅上升,在投入生產(chǎn)前,對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)效能及費(fèi)用的系統(tǒng)性、權(quán)衡性分析——效費(fèi)分析,也變得越來越重要。

對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的效能進(jìn)行明確的可量化的評(píng)估是效費(fèi)分析的基礎(chǔ),建立效能評(píng)估模型又是效能評(píng)估的首要工作和難點(diǎn)之一,然而根據(jù)國內(nèi)實(shí)際情況,對(duì)效能的評(píng)估一般不能直接測量或進(jìn)行精確計(jì)算,同時(shí),因效能具有多尺度性,各尺度量綱不同,評(píng)估中需進(jìn)行無量綱化處理,導(dǎo)致相對(duì)值的出現(xiàn)。本文重點(diǎn)研究民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)典型部件壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪的效能評(píng)估模型的建立。

1 民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)效能指標(biāo)體系研究

目前國際上比較成熟的系統(tǒng)級(jí)效能模型主要有ARINC 系統(tǒng)效能模型、美國海軍系統(tǒng)效能模型和WSEIAC 系統(tǒng)效能模型三種,其中WSEIAC 系統(tǒng)效能模型的指標(biāo)定義為可用性、可信性、固有能力。選用WSEIAC 模型進(jìn)行分析,符合民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn),WSEIAC 模型基本上是三個(gè)矩陣的乘積,即可用度行向量A、可信度矩陣D 及固有能力矩陣C。本文在WSEIAC 模型基礎(chǔ)上,結(jié)合國內(nèi)民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)部件研制具體過程,對(duì)效能指標(biāo)進(jìn)一步分解,需同時(shí)滿足可量化、設(shè)計(jì)輸入要素、綜合效應(yīng)反映至少80%的系統(tǒng)效能等條件。經(jīng)行業(yè)內(nèi)專家評(píng)估,最終建立了民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)部件效能指標(biāo)體系如圖1～3 所示。

圖1 民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)效能指標(biāo)體系

2 民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)部件級(jí)效能評(píng)估方法研究

目前比較成熟的效能評(píng)估方法主要有層析分析法和算術(shù)平均法。

本文對(duì)民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)部件的效能評(píng)估采用的是算術(shù)平均法,算術(shù)平均法是綜合計(jì)算過程中最常用最有效的方法之一,是利用若干個(gè)按照特定規(guī)則,針對(duì)同一變量產(chǎn)生的數(shù)值進(jìn)行排列,計(jì)算出該變量的算術(shù)平均數(shù),并以這一數(shù)值作為預(yù)測該變量的數(shù)值的一種方法。算術(shù)平均法能夠反映同一變量的總體一般水平。

圖2 民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室效能指標(biāo)體系

圖3 民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪效能指標(biāo)體系

在發(fā)動(dòng)機(jī)效能指標(biāo)體系綜合計(jì)算過程中,針對(duì)建立的效能指標(biāo)體系,邀請(qǐng)行業(yè)內(nèi)20 余位專家,對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行重要度評(píng)估,各部件效能指標(biāo)采用算術(shù)平均法分別進(jìn)行重要度評(píng)估。

3 民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)部件效能評(píng)估模型研究

3.1 壓氣機(jī)效能評(píng)估模型建立

3.1.1 可用性模型的建立

根據(jù)壓氣機(jī)效能指標(biāo)體系,可用性指標(biāo)可通過可用度來表示。可用度是指系統(tǒng)在任一隨機(jī)時(shí)刻需要和開始執(zhí)行任務(wù)時(shí),處于可工作或可使用狀態(tài)的程度,它綜合反映了系統(tǒng)的可靠性、維修性和保障性。一般情況下,可用度分為固有可用度、可達(dá)可用度與使用可用度,本文選擇固有可用度a1來表示壓氣機(jī)可用性,如下所示：

式中,MTBF 為平均故障間隔時(shí)間,MTTR 為平均修復(fù)時(shí)間。

3.1.2 計(jì)算可信性下層指標(biāo)對(duì)可信性的重要度系數(shù)

利用算術(shù)平均法,對(duì)專家評(píng)估結(jié)果進(jìn)行綜合計(jì)算,求得各下層指標(biāo)相對(duì)于可信性a2的重要度系數(shù)。

3.1.3 計(jì)算安全性下屬指標(biāo)對(duì)安全性的重要度系數(shù)

利用算術(shù)平均法,對(duì)專家評(píng)估結(jié)果進(jìn)行綜合計(jì)算,求得各下層指標(biāo)相對(duì)于安全性的重要度系數(shù)。

3.1.4 計(jì)算使用可靠性下屬指標(biāo)對(duì)使用可靠性的重要度系數(shù)

利用算術(shù)平均法,對(duì)專家評(píng)估結(jié)果進(jìn)行綜合計(jì)算,求得各下層指標(biāo)相對(duì)任務(wù)可靠性的重要度系數(shù)。

3.1.5 計(jì)算環(huán)境適應(yīng)性下屬指標(biāo)對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的重要度系數(shù)

利用算術(shù)平均法,對(duì)專家評(píng)估結(jié)果進(jìn)行綜合計(jì)算,求得各下層指標(biāo)相對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的重要度系數(shù)。

3.1.6 計(jì)算固有能力下屬指標(biāo)對(duì)固有能力的重要度系數(shù)

重要度系數(shù) 各專家W14? W14?防濕熱霉菌能力 0.529 0.500 0.467 0.500 0.500 0.499防冰能力 0.471 0.500 0.533 0.500 0.500 0.501

重要度系數(shù) 各專家W1? W1?安全性 0.270 0.258 0.278 0.273 0.265 0.269耐久性 0.243 0.258 0.222 0.227 0.235 0.237使用可靠性 0.243 0.258 0.167 0.273 0.265 0.241環(huán)境適應(yīng)性 0.243 0.226 0.333 0.227 0.235 0.253

重要度系數(shù) 各專家W13? W13?壓氣機(jī)性能穩(wěn)定性 0.529 0.500 0.500 0.615 0.556 0.540制造成熟度 0.471 0.500 0.500 0.385 0.444 0.460

重要度系數(shù) 各專家W11? W11?包容能力 0.333 0.370 0.231 0.333 0.308 0.315防鈦火能力 0.333 0.333 0.077 0.333 0.346 0.285轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性 0.333 0.296 0.692 0.333 0.346 0.400

利用算術(shù)平均法,對(duì)專家評(píng)估結(jié)果進(jìn)行綜合計(jì)算,求得各下層指標(biāo)相對(duì)固有能力a3的重要度系數(shù)。

重要度系數(shù) 各專家W? W?進(jìn)出口壓力 ?χ 0.121 0.155 0.024 0.133 0.141 0.115絕熱效率 χ?? 0.136 0.121 0.220 0.089 0.127 0.138壓比 χ?? 0.121 0.155 0.220 0.133 0.141 0.154空氣流量 χ?? 0.121 0.138 0.195 0.133 0.127 0.143干質(zhì)量 χ?? 0.121 0.086 0.073 0.111 0.099 0.098功率提取 χ?? 0.121 0.103 0.049 0.111 0.099 0.097喘振裕度 χ?? 0.136 0.138 0.171 0.178 0.141 0.153引氣要求 χ?? 0.121 0.103 0.049 0.111 0.127 0.102

3.1.7 綜合求得系統(tǒng)效能模型

通過專家評(píng)估的算術(shù)平均值得到下層指標(biāo)對(duì)上一層的重要度系數(shù),可進(jìn)一步求得可信性底層指標(biāo)相對(duì)可信性的重要度系數(shù),如下所示：

重要度系數(shù) W14? W1? W?防濕熱霉菌能力 χ? 0.499 0.126防冰能力 χ? 0.501 0.253 0.127重要度系數(shù) W11? W1? W?包容能力 ?χ 0.315 0.085防鈦火能力 χ? 0.285 0.077轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性 ?χ 0.400 0.269 0.108? 重要度系數(shù) W12? W1? W?壓氣機(jī)設(shè)計(jì)壽命 ?χ 1 0.237 0.237? 重要度系數(shù) W13? W1? W?壓氣機(jī)性能穩(wěn)定性 ?χ 0.540 0.130制造成熟度 χ? 0.460 0.241 0.111?

綜合可用性模型,可信性、固有能力指標(biāo)系數(shù),同時(shí)考慮各指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)效能的影響方向（其中干質(zhì)量對(duì)效能為負(fù)影響,其他指標(biāo)為正影響）,得到壓氣機(jī)效能評(píng)估模型為：

其中

3.2 燃燒室效能模型建立

采用相同方法,選擇固有可用度a1表示燃燒室的可用性,通過專家評(píng)估的算術(shù)平均值,得到燃燒室可信性a2、固有能力a3各底層指標(biāo)的重要度系數(shù),如下所示：

重要 度 系 數(shù) W 11? W1? W ?包容能力 ?χ 0.332 0.097防熄火能力χ? 0.668 0.292 0.195? 重要度 系數(shù) W 12? W1? W?燃燒室設(shè)計(jì)壽命χ? 1 0.247 0.247? 重 要 度 系 數(shù) W1 3? W 1? W ?燃燒室性能穩(wěn)定性χ? 0.553 0.123制造成熟度χ? 0.447 0.222 0.099? 重要 度系 數(shù) W14? W1 ? W?防濕熱霉菌能力χ? 0.369 0.088耐高溫能力χ? 0.631 0.239 0.151?重 要 度 系 數(shù) W ?進(jìn)出口壓力χ? 0.097燃燒效率χ? 0.138總壓損失χ?? 0.150燃油流量χ?? 0.136起動(dòng)特性χ?? 0.187干 質(zhì)量χ?? 0.114溫 度場χ?? 0.179

其中總壓損失、干質(zhì)量對(duì)效能為負(fù)影響,其他指標(biāo)為正影響,得到燃燒室效能評(píng)估模型為：

其中

3.3 渦輪效能評(píng)估模型建立

同樣的,選擇固有可用度a1表示渦輪的可用性,通過專家評(píng)估的算術(shù)平均值,得到渦輪可信性a2、固有能力a3各底層指標(biāo)的重要度系數(shù),如下所示：

重要度 系數(shù) W11? W1? W?包容能力 ?χ 0.475 0.152防斷軸能力χ? 0.525 0.319 0.168? 重要度系數(shù) W12? W1? W?渦輪設(shè)計(jì)壽命 χ? 1 0.249 0.249? 重 要 度 系 數(shù) W13 ? W1? W ?渦輪性能穩(wěn)定性χ? 0.541 0.116制造成熟度 χ? 0.459 0.214 0.098? 重 要 度 系 數(shù) W14 ? W1 ? W?防濕熱霉菌能力χ? 0.414 0.090耐高溫能力χ? 0.586 0.218 0.128?重要度系數(shù) W?進(jìn)出口溫度χ? 0.129進(jìn)出口壓力χ? 0.129絕熱效率χ?? 0.160膨脹比χ?? 0.167燃?xì)饬髁喀?? 0.143功 率χ?? 0.156干 質(zhì) 量χ?? 0.115

其中干質(zhì)量對(duì)效能為負(fù)影響,其他指標(biāo)為正影響,得到渦輪效能評(píng)估模型為：

其中

4 總結(jié)

上述建立的民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)部件效能評(píng)估模型,是進(jìn)行效費(fèi)權(quán)衡分析的基礎(chǔ)。建立的效能評(píng)估模型,也可以脫離效費(fèi)權(quán)衡模型單獨(dú)使用,用來評(píng)估目標(biāo)型號(hào)的效能水平。在進(jìn)行目標(biāo)型號(hào)效能評(píng)估時(shí),需要選擇一個(gè)基準(zhǔn)型號(hào)。通過計(jì)算目標(biāo)型號(hào)與基準(zhǔn)型號(hào)的效能的相對(duì)值,來確定目標(biāo)型號(hào)的效能水平。具體計(jì)算方法如下：

E相對(duì)=E目標(biāo)/E基準(zhǔn)為目標(biāo)型號(hào)各參數(shù)值與基準(zhǔn)型號(hào)各參數(shù)值的比值,代入效能評(píng)估模型進(jìn)行計(jì)算。因此,在計(jì)算過程中,需要保證目標(biāo)型號(hào)各參數(shù)值與基準(zhǔn)型號(hào)各參數(shù)值的計(jì)量單位統(tǒng)一。在數(shù)據(jù)不足時(shí),若其中一型型號(hào)缺項(xiàng),默認(rèn)為兩型型號(hào)取值相同,進(jìn)行缺項(xiàng)填充；兩型型號(hào)都缺項(xiàng)的數(shù)據(jù),同時(shí)取值為1,進(jìn)行缺項(xiàng)填充。

若E相對(duì)＞1,則目標(biāo)機(jī)型比基準(zhǔn)機(jī)型效能水平更高,若E相對(duì)＜1,則目標(biāo)機(jī)型比基準(zhǔn)機(jī)型效能水平更低,若E相對(duì)=1,則證明目標(biāo)機(jī)型比基準(zhǔn)機(jī)型效能水平相當(dāng)。該效能評(píng)估模型充分考慮了國內(nèi)民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)研制實(shí)際情況,具有較強(qiáng)的可操作性。

5 結(jié)論

本文基于WSEIAC 系統(tǒng)效能模型,對(duì)民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)三大典型部件的效能指標(biāo)進(jìn)行分解,形成了壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪部件的效能指標(biāo)體系。通過調(diào)研民用渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)總研、總承制單位,并邀請(qǐng)行業(yè)內(nèi)20 余位專家對(duì)各效能指標(biāo)進(jìn)行重要度評(píng)估,得到各效能指標(biāo)的權(quán)重系數(shù),從而分別得到壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪部件的效能評(píng)估模型,為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的部件效能評(píng)估提供參考。