某型燃氣輪機設計方案技術風險分析

周亞峰，尹家錄，李泳凡

（中航工業沈陽發動機設計研究所，沈陽 110015）

0 引言

高新技術項目的研制，必然需要采用一些新技術和新工藝。先進的技術和工藝以及新研制的系統和部件，盡管在性能上能滿足項目要求，但是缺乏實際應用或應用程度不足，或者需要試驗驗證。如果采用新技術過多，不確定因素增加，就可能達不到項目的預期目標；而采用新技術過少又難以保證項目的先進性。在進行總體方案論證階段，總要在項目的繼承性和先進性之間作出合理的取舍，以保證項目指標先進的同時盡可能降低技術風險，而技術風險主要體現在新技術和新工藝的使用以及繼承性部件在特定使用環境條件下的適應性方面。而技術風險始終存在于項目的實施過程中，因此，在項目的論證和實施過程中必須對其進行分析、判斷，進而制定相應的規避措施。

本文對某型燃氣輪機研制的方案論證階段所涉及的各部件和系統進行全面的技術風險分析。

1 風險評估

風險評估包括風險辨識、風險分析和風險排序3個過程。

1.1 風險辨識

風險辨識是對產品的各方面、各過程識別出有風險的區域或有風險的技術過程，確定風險事件，即找出產品在哪個部分、在哪個過程、有哪些事件可能導致產品的某個項目或整個系統發生問題。

1.2 風險分析

風險分析是對已辨識出來的風險區域或風險技術過程進一步研究，細化對風險的描述，找出風險致因，確定其影響，分析與其他風險的關系，并用風險發生概率和一旦發生后造成的后果來綜合表征風險的大小。風險分析常用方法有故障樹分析、故障模式影響及危害性分析、建模和仿真分析、可靠性預計分析、專家技術評估。這些方法不是彼此孤立的，對1個項目可能需要同時采用多種方法綜合分析。

1.3 風險排序

風險排序是按各風險大小的順序排列，列出風險清單。確定風險的大小或等級的高低，主要依據3方面內容：（1）事件發生的可能性（概率）；（2）如果事件發生，其后果的嚴重性；（3）對上述二者綜合的“嚴酷度”的主觀判斷。風險可劃分為低風險、中等風險和高風險3個級別。

風險評估的目的就是通過上述3個步驟，抓住最薄弱的環節，對其中最關鍵的風險進行處理，選擇并實施應對方案，以避免、控制或降低風險，使其達到可接受的程度。

2 設計方案的技術風險分析方法

某型燃氣輪機是在某型航空發動機和工業燃氣輪機的基礎上派生發展的，其設計指導思想是盡可能繼承和利用母型機成熟的研制技術和經驗，提高設計可靠性，將研制風險降到最低。該燃氣輪機在總體方案設計中采用了一些新技術和新部件，按照項目風險管理的要求，進行了總體設計方案的技術風險分析。

將設計方案所采取的新技術或設計細化，并進行技術風險分析，按其發生的概率分為 a、b、c、d、e共 5個等級，見表1。將風險一旦發生后會造成的后果，分為 l、2、3、4、5 共 5 個等級，見表 2。通過細化分析，分為高、中、低3個風險級別，按照事件發生的概率和后果，形成總體風險的概率統計以及綜合風險判據，見表3。用風險矩陣法表征總體風險等級的排序,如圖1所示。圖中縱坐標為風險發生概率，橫坐標為事件發生造成的后果，從矩陣中的風險事件位置向矩陣對角線投影，在對角線上投影點沿紅色箭頭所示表示風險增大的方向，即表明事件的風險度增加。

表1 風險概率判據

表2 技術風險后果判據

表3 總體風險等級事件的概率

3 總體方案技術風險分析

3.1 總體性能和總體結構方案風險分析

（1）總體熱力循環計算風險分析。包括計算程序、計算編程模塊、總體循環參數匹配和總體性能目標風險分析等。

（2）渦輪前溫度風險分析。燃氣輪機的壽命取決于渦輪前溫度的設計水平，在對國外航改燃氣輪機技術參數分析的基礎上，確定與原型發動機渦輪前溫度的儲備值，通過轉子動力學強度和低循環疲勞壽命計算，驗證參數的合理性，并進行鹽霧環境下的技術風險分析。

（3）排氣溫度風險分析。通過對母型發動機和工業燃氣輪機進行理論計算和試驗數據對比，修正計算模型，預測實際工況下的排氣溫度，并進行預測溫度達標性風險評估。

（4）總體結構風險分析。包括繼承部件、新設計部件及系統設計風險分析。計算分析整體支撐系統的傳力路線和結構強度，評估總體結構熱膨脹補償和結構對中調整的結構可靠性，分析前置壓力平衡腔和軸向力平衡結構的合理性，評估前置刷式封嚴、進氣機匣、前軸承機匣和功率輸出軸的結構形式、強度的可靠性。

3.2 部件技術風險分析

（1）對壓氣機部件進行提高換算轉速后氣動穩定性和可調導葉調節規律的技術風險分析。

（2）對燃燒室燃燒輕柴油的試驗結果進行技術風險分析，并進行模擬試驗環境下和真實環境下可能的差異分析。

（3）對理論燃燒室出口溫度場（OTDF）風險及對OTDF超出限制值后對渦輪造成的影響進行風險分析。

（4）對渦輪葉片噴涂涂層后的堵塞情況進行分析，通過熱力循環計算確定涂層對氣動性能的影響，并進行渦輪隔熱涂層技術風險評估。

（5）對動力渦輪偏離設計點的氣動性能和其對總體性能的影響，及變工況特性進行計算分析，并進行結構可靠性風險評估。

（6）對排氣引射裝置與總體性能的一體化和排氣裝置結構可靠性進行分析，通過全3維流場對排氣系統引射系數和總體氣動驗收達標的風險進行計算分析，并進行壁溫預估。

3.3 系統風險分析

（1）調整冷卻空氣后的空氣系統參數分析，通過冷效試驗數據進行渦輪導向葉片減少冷卻空氣的結構可靠性風險分析。

（2）通過母型發動機和工業燃氣輪機的使用情況，對滑油系統結構和油品、潤滑以及散熱的技術風險進行分析。

3.4 控制系統風險分析

（1）控制器可靠性風險分析包括控制器環境試驗風險分析，重點進行電磁兼容性試驗等9個試驗項目的風險分析。

（2）起動系統風險分析，對液壓起動和電動機起動2個方案進行風險分析。

（3）燃油控制與葉片角控制系統風險分析，重點進行柱塞泵和齒輪泵2種方案的可靠性和壽命風險分析。

（4）控制系統電源失效風險分析，即在控制系統電源失效時，對燃油和葉片調節系統控制方案進行風險分析。

（5）控制器系統功能失效風險分析，即在控制器系統功能失效時，對燃油和葉片調節系統控制方案進行風險分析。

（6）在燃氣輪機超溫、超轉、振動超限情況下，對降低狀態和應急控制2種控制方案進行風險分析。

（7）在電液伺服閥功能失效時，對電子控制器轉換到對高速閥控制方案進行風險分析。

（8）在高速閥功能失效時，對電子控制器轉換到對電液伺服閥控制方案進行風險分析。

（9）在燃油控制器計量活門功能失效時，對放油電磁閥控制方案的可靠性進行風險分析。

（10）在燃油控制器壓差活門功能失效，即該活門卡住不動時，對應急控制方案進行風險分析。

（11）在燃油控制器分布器活門功能失效，即該活門卡住不動時，電子控制器采取控制應急電磁閥控制方案的進行風險分析。

（12）在供油泵進口供油中斷時，對控制器采取的應急控制方案進行風險分析。

（13）在燃油濾堵塞時，對采取的并聯油濾控制方案進行風險分析。

（14）在其他系統失效時，對控制器采取的應急控制方案進行風險分析。

4 設計方案風險分析結果

按照風險判斷準則，將可能存在的技術風險，按照風險概率判據（表1）和風險后果判據（表2）進行歸類，歸類結果見表4、5。按總體風險等級（表3）分析，得到燃氣輪機總體技術風險等級概率見表6。按照如圖1所示的對角線矩陣風險排序法可知，表6中有2項技術風險最高，分別是燃燒室出口溫度場和控制器可靠性的技術風險，但其風險等級均為中等級別。

表4 某型燃氣輪機技術風險等級概率

表5 某型燃氣輪機技術風險后果判斷等級

表6 某型燃氣輪機總體技術風險等級概率

5 結束語

（1）采用專家分析方法對某型燃氣輪機所采取的新技術或新設計進行了技術分析和風險評估，其中有14項屬于低風險等級，有12項屬于中風險等級，有2項風險應予以重點關注，基本沒有高風險等級的風險，表明該燃氣輪機研制的技術風險較小。

（2）在方案論證過程中對項目所涉及的各部件和系統均進行了技術風險分析，并對各項技術風險進行全過程控制管理，有效地保證了項目順利實施和按期完成。

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