民用渦軸發動機部件級效能評估模型研究

湯 琳,徐凱軍

（中國航發湖南動力機械研究所,湖南 株洲 412002）

概述

航空發動機研制需投入大量資金、人力和時間,因其性能及技術復雜性不斷提高,采購費用和使用保障費用也隨之大幅上升,在投入生產前,對航空發動機效能及費用的系統性、權衡性分析——效費分析,也變得越來越重要。

對航空發動機的效能進行明確的可量化的評估是效費分析的基礎,建立效能評估模型又是效能評估的首要工作和難點之一,然而根據國內實際情況,對效能的評估一般不能直接測量或進行精確計算,同時,因效能具有多尺度性,各尺度量綱不同,評估中需進行無量綱化處理,導致相對值的出現。本文重點研究民用渦軸發動機典型部件壓氣機、燃燒室、渦輪的效能評估模型的建立。

1 民用渦軸發動機部件級效能指標體系研究

目前國際上比較成熟的系統級效能模型主要有ARINC 系統效能模型、美國海軍系統效能模型和WSEIAC 系統效能模型三種,其中WSEIAC 系統效能模型的指標定義為可用性、可信性、固有能力。選用WSEIAC 模型進行分析,符合民用渦軸發動機的特點,WSEIAC 模型基本上是三個矩陣的乘積,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 模型基礎上,結合國內民用渦軸發動機部件研制具體過程,對效能指標進一步分解,需同時滿足可量化、設計輸入要素、綜合效應反映至少80%的系統效能等條件。經行業內專家評估,最終建立了民用渦軸發動機部件效能指標體系如圖1～3 所示。

圖1 民用渦軸發動機壓氣機效能指標體系

2 民用渦軸發動機部件級效能評估方法研究

目前比較成熟的效能評估方法主要有層析分析法和算術平均法。

本文對民用渦軸發動機部件的效能評估采用的是算術平均法,算術平均法是綜合計算過程中最常用最有效的方法之一,是利用若干個按照特定規則,針對同一變量產生的數值進行排列,計算出該變量的算術平均數,并以這一數值作為預測該變量的數值的一種方法。算術平均法能夠反映同一變量的總體一般水平。

圖2 民用渦軸發動機燃燒室效能指標體系

圖3 民用渦軸發動機渦輪效能指標體系

在發動機效能指標體系綜合計算過程中,針對建立的效能指標體系,邀請行業內20 余位專家,對各指標進行重要度評估,各部件效能指標采用算術平均法分別進行重要度評估。

3 民用渦軸發動機部件效能評估模型研究

3.1 壓氣機效能評估模型建立

3.1.1 可用性模型的建立

根據壓氣機效能指標體系,可用性指標可通過可用度來表示?？捎枚仁侵赶到y在任一隨機時刻需要和開始執行任務時,處于可工作或可使用狀態的程度,它綜合反映了系統的可靠性、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來表示壓氣機可用性,如下所示：

式中,MTBF 為平均故障間隔時間,MTTR 為平均修復時間。

3.1.2 計算可信性下層指標對可信性的重要度系數

利用算術平均法,對專家評估結果進行綜合計算,求得各下層指標相對于可信性a2的重要度系數。

3.1.3 計算安全性下屬指標對安全性的重要度系數

利用算術平均法,對專家評估結果進行綜合計算,求得各下層指標相對于安全性的重要度系數。

3.1.4 計算使用可靠性下屬指標對使用可靠性的重要度系數

利用算術平均法,對專家評估結果進行綜合計算,求得各下層指標相對任務可靠性的重要度系數。

3.1.5 計算環境適應性下屬指標對環境適應性的重要度系數

利用算術平均法,對專家評估結果進行綜合計算,求得各下層指標相對環境適應性的重要度系數。

3.1.6 計算固有能力下屬指標對固有能力的重要度系數

重要度系數 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 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環境適應性 0.243 0.226 0.333 0.227 0.235 0.253

重要度系數 各專家W13? W13?壓氣機性能穩定性 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 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轉子穩定性 0.333 0.296 0.692 0.333 0.346 0.400

利用算術平均法,對專家評估結果進行綜合計算,求得各下層指標相對固有能力a3的重要度系數。

重要度系數 各專家W? W?進出口壓力 ?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 綜合求得系統效能模型

通過專家評估的算術平均值得到下層指標對上一層的重要度系數,可進一步求得可信性底層指標相對可信性的重要度系數,如下所示：

重要度系數 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 W11? W1? W?包容能力 ?χ 0.315 0.085防鈦火能力 χ? 0.285 0.077轉子穩定性 ?χ 0.400 0.269 0.108? 重要度系數 W12? W1? W?壓氣機設計壽命 ?χ 1 0.237 0.237? 重要度系數 W13? W1? W?壓氣機性能穩定性 ?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、固有能力指標系數,同時考慮各指標對系統效能的影響方向（其中干質量對效能為負影響,其他指標為正影響）,得到壓氣機效能評估模型為：

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,通過專家評估的算術平均值,得到燃燒室可信性a2、固有能力a3各底層指標的重要度系數,如下所示：

重要 度 系 數 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 W 12? W1? W?燃燒室設計壽命χ? 1 0.247 0.247? 重 要 度 系 數 W1 3? W 1? W ?燃燒室性能穩定性χ? 0.553 0.123制造成熟度χ? 0.447 0.222 0.099? 重要 度系 數 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 W ?進出口壓力χ? 0.097燃燒效率χ? 0.138總壓損失χ?? 0.150燃油流量χ?? 0.136起動特性χ?? 0.187干 質量χ?? 0.114溫 度場χ?? 0.179

其中總壓損失、干質量對效能為負影響,其他指標為正影響,得到燃燒室效能評估模型為：

其中

3.3 渦輪效能評估模型建立

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

重要度 系數 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 W12? W1? W?渦輪設計壽命 χ? 1 0.249 0.249? 重 要 度 系 數 W13 ? W1? W ?渦輪性能穩定性χ? 0.541 0.116制造成熟度 χ? 0.459 0.214 0.098? 重 要 度 系 數 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 W?進出口溫度χ? 0.129進出口壓力χ? 0.129絕熱效率χ?? 0.160膨脹比χ?? 0.167燃氣流量χ?? 0.143功 率χ?? 0.156干 質 量χ?? 0.115

其中干質量對效能為負影響,其他指標為正影響,得到渦輪效能評估模型為：

其中

4 總結

上述建立的民用渦軸發動機部件效能評估模型,是進行效費權衡分析的基礎。建立的效能評估模型,也可以脫離效費權衡模型單獨使用,用來評估目標型號的效能水平。在進行目標型號效能評估時,需要選擇一個基準型號。通過計算目標型號與基準型號的效能的相對值,來確定目標型號的效能水平。具體計算方法如下：

E相對=E目標/E基準為目標型號各參數值與基準型號各參數值的比值,代入效能評估模型進行計算。因此,在計算過程中,需要保證目標型號各參數值與基準型號各參數值的計量單位統一。在數據不足時,若其中一型型號缺項,默認為兩型型號取值相同,進行缺項填充；兩型型號都缺項的數據,同時取值為1,進行缺項填充。

若E相對＞1,則目標機型比基準機型效能水平更高,若E相對＜1,則目標機型比基準機型效能水平更低,若E相對=1,則證明目標機型比基準機型效能水平相當。該效能評估模型充分考慮了國內民用渦軸發動機研制實際情況,具有較強的可操作性。

5 結論

本文基于WSEIAC 系統效能模型,對民用渦軸發動機三大典型部件的效能指標進行分解,形成了壓氣機、燃燒室、渦輪部件的效能指標體系。通過調研民用渦軸發動機總研、總承制單位,并邀請行業內20 余位專家對各效能指標進行重要度評估,得到各效能指標的權重系數,從而分別得到壓氣機、燃燒室、渦輪部件的效能評估模型,為航空發動機的部件效能評估提供參考。