六西格瑪設計方法在射流預冷裝置設計中的應用

劉旭峰， 薛洪科， 常鴻雯， 佟堯

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽110015）

0 引言

六西格瑪設計（DFSS）方法起源于系統工程領域，它是一種正向的精細化的設計方法，適用于新產品的設計和現有產品的改進工作。它已成功地應用于國外航空裝備產品研制和生產過程。DFSS的內涵是一種靈活的綜合性系統方法論，它關注于顧客的需求，強調在產品的設計初期預防缺陷，用數據說話和無邊界合作也是DFSS方法的顯著特點。

1 項目背景

高速渦輪發動機是未來航空領域的制高點，為迎合高速渦輪發動機發展的迫切需求，近年來我國也在開展相關技術研究。從國外典型的高速渦輪發動機產品及研制路徑可知，高速渦輪發動機發展的表現特征為：以現有的渦輪發動機為基礎，采用組合循環方式或采用進氣預冷卻擴包線技術[1]。其中射流預冷技術即是進氣預冷卻擴包線技術的典型代表。

射流預冷裝置是射流預冷系統的重要組成部件，關系著射流預冷技術的安全性和可靠性。所謂射流預冷技術就是在常規發動機風扇前端進氣道內加裝噴射預冷裝置，通過將冷卻介質噴入到進氣道內，介質蒸發吸熱，降低進入發動機入口的氣流溫度，同時還可以增加氣流的密度，影響進氣質量流量，進而改善發動機的推力性能[2]。

2 設計路徑

DFSS方法提供了精益的設計路徑，雖然該設計路徑迄今尚無統一的模式，但是在內容上，都包含了“需求識別（簡稱I）”、“概念設計（簡稱C）”、“結構設計（簡稱D）”、“優化階段（簡稱O）”、“設計驗證（簡稱V）”等共性的步驟，如圖1所示。

圖1 DFSS方法論的共性步驟

本文依據的ICDOV的設計路徑如圖2所示，DFSS設計本質上遵循了公理設計基本原理，即“需求域→功能域→結構域→流程/工藝域”的設計邏輯。該路徑顯示了ICDOV設計路徑與公理設計的關系，明確了各階段的活動內容和輸出物。同時，還體現了項目管理和設計風險控制與DFSS方法的內在聯系。本論文沿用該設計路徑完成了射流預冷裝置的精細化設計工作。

3 實施過程

圖2 DFSS設計路徑

通過采用DFSS方法，找到影響射流預冷裝置噴射能力、溫度場均勻性、流阻特性、降溫能力的關鍵因子，采用有效的方法對其控制、優化并驗證，最終實現射流預冷裝置的低流阻系數、出口溫度場均勻性好、降溫量大的設計目標。

3.1 需求識別（I）階段

首先組建了10人多功能團隊，確定了上游顧客、下游顧客和約束條件等8種顧客，并獲得40項需求，通過對需求的親和與卡諾分析，整理成12類需求。通過對需求項說明、衡量指標確定、需求驗證規劃的匯總，形成需求定義表，作為顧客需求的管理和追蹤基線文件。通過對顧客需求和射流預冷系統設計要求的理解，團隊匯總形成37條技術要求。最終通過質量功能展開（QFD）工具，實現了顧客需求與技術要求之間的相關性評價，并確定射流流量范圍、噴射介質的霧化粒徑、射流裝置的總壓損失、壓力和溫度畸變指數、降溫量和蒸發率作為該階段的關鍵質量特性，確認以上關鍵質量特性的目標值之后作為該階段射流預冷裝置的設計目標，如表1所示。

3.2 概念設計（C）階段

根據對顧客需求的理解，項目團隊通過技術檢索確定出實現關鍵質量特性的關鍵技術4項，針對關鍵技術進行概念碎片的搜集，概念碎片組合后形成8種概念方案，如圖3所示。團隊使用PUGH矩陣和層次分析法，最終選擇了方案8（直桿型等間距布置噴桿＋離心霧化噴嘴）為最終方案。應用運行使用構想的方法，確定噴水、不噴水、性能檢查、接口檢查等7個運行使用場景，并以文檔形式完成任務描述、原理框圖分析、系統正常的功能流程以及功能異常情況及處理。完成了功能定義表，針對異常情況及處理完成了功能危害性分析（FHA），將預防措施落實至設計準則當中；基于功能流程圖建立功能-結構的映射關系，通過QFD分析重要結構部件為噴嘴、噴桿為關鍵結構。

表1 設計質量表

圖3 概念方案

3.3 結構設計（D）階段

使用了IDEF建模方法針對所有結構識別了35個設計參數，由“結構-設計參數”的質量功能展開（QFD）分解，確定反映顧客需求的技術指標和關鍵質量特性的關鍵結構設計參數；關鍵的結構設計參數為噴桿個數、噴嘴個數、噴嘴流量、噴桿布局截面間距、噴桿截面型狀、噴嘴霧化粒徑6個關鍵參數。對噴嘴、噴桿和接頭等零件進行硬件FEMCA分析，制定改進和補償措施。建立了數據收集計劃，收集并初步確定了重要結構參數取值范圍，明確下一步的工作目標，確定對總壓損失該質量特性開展優化設計。

3.4 優化設計（O）階段

通過采用實驗設計（DOE）、雙響應優化設計技術，對射流預冷裝置的總壓恢復系數作為響應變量，將噴桿的截面型狀和布置截面間距作為因子，分析了各因子及因子相互作用，確定關鍵因子及最優設置水平，構建傳遞函數，最終得到最優的設計參數，噴桿采用翼型截面設計，通過整體鑄造再精加工的工藝方案，噴桿布置間距選為250 mm。至此階段，射流預冷裝置的所有結構參數全部確定，射流預冷裝置模型如圖4所示。

3.5 設計驗證（V）階段

首先建立驗證計劃，通過對全尺寸試驗件地面模擬試驗，得到了射流預冷裝置降溫和總壓恢復系數等參數，通過對試驗數據的分析結果可知，射流裝置射流流量范圍、噴射介質的霧化粒徑、射流裝置的總壓損失、壓力和溫度畸變指數、降溫量和蒸發率都達到了預期的設計目標。

4 結論

圖4 射流預冷裝置模型

“需求識別”、“概念設計”、“結構設計”、“設計優化”、“設計驗證”——ICDOV5個步驟可以與我國航空武器裝備研制現狀和約束條件相融合，在射流預冷裝置上的應用結果顯示，通過QFD工具和關鍵質量特性的識別，為顧客需求向產品的轉換提供了方法和技術路徑；通過FHA分析、硬件FEMICA分析、設計準則的建立實現設計風險的規避和控制；通過需求定義、功能定義和接口定義的建立，為項目管理提供方法。

DFSS方法注重顧客需求的識別、分析與轉化，其核心是面向可靠性的系統化設計，關注設計過程的風險識別。DFSS方法不僅提高了設計效率還保證了設計質量，具有較好的示范和工程推廣價值。

[參考文獻]

[1] 楊天宇,張彥軍,芮長勝.高速渦輪發動機技術發展淺析[J].燃氣渦輪試驗與研究,2013,26(6)：26-29.

[2] MEHTA U,BOWLES J,MELTON J,et al.Water injection precompressor cooling assist space access[J].Aeronautical Journal,2012,119(1212)：145-171.

[3] 采峰,馬召.面向裝備研制的先進質量工程方法論[J].標準科學,2015,2(6)：72-77.