基于DFSS的航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)單元體改進(jìn)設(shè)計

張少平，鐘世林

(中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500)

1 引言

六西格瑪設(shè)計(DFSS)是按照合理的步驟、運(yùn)用科學(xué)的方法、準(zhǔn)確理解和把握顧客需求、對產(chǎn)品或流程進(jìn)行穩(wěn)健設(shè)計的結(jié)構(gòu)化方法體系，在國外軍工企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)體系中已獲得廣泛應(yīng)用[1]。我國航空裝備企業(yè)也將DFSS引入了產(chǎn)品設(shè)計流程中[2-3]，建立了航空裝備產(chǎn)品六西格瑪精細(xì)化設(shè)計的技術(shù)路徑，主要由識別(I)、概念(C)、設(shè)計(D)、優(yōu)化(O)、驗證(V)五個階段構(gòu)成，并在國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)部件設(shè)計中獲得了成功應(yīng)用。侯漢莉等[4]采用六西格瑪設(shè)計方法對某型發(fā)動機(jī)高壓渦輪機(jī)匣開展了優(yōu)化設(shè)計，其數(shù)值仿真結(jié)果表明達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)；趙勇等[5]在發(fā)動機(jī)靜子葉片聯(lián)調(diào)機(jī)構(gòu)研發(fā)中應(yīng)用六西格瑪設(shè)計理念，建立了可復(fù)用的設(shè)計和優(yōu)化模型，具有一定的工程實用價值。

某小型渦扇發(fā)動機(jī)在研制過程中出現(xiàn)起動失敗問題，試驗數(shù)據(jù)分析表明，壓氣機(jī)單元體性能不達(dá)標(biāo)是導(dǎo)致起動失敗的主要原因。因此，擬對壓氣機(jī)單元體進(jìn)行系統(tǒng)性改進(jìn)設(shè)計，從根本上解決發(fā)動機(jī)起動失敗問題。本文基于DFSS方法，結(jié)合需求工程、系統(tǒng)工程的工具和方法，按照ICDOV的技術(shù)路徑對該型發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)單元體進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計。

2 基于DFSS的改進(jìn)設(shè)計方法

為保證改進(jìn)設(shè)計項目的順利實施，在識別(I)、概念(C)階段應(yīng)用需求工程的需求捕獲、卡諾分析、需求親和以及質(zhì)量功能展開(QFD)等工具進(jìn)行需求開發(fā)和管理，建立設(shè)計質(zhì)量表，明確改進(jìn)設(shè)計目標(biāo)；應(yīng)用系統(tǒng)工程思維，構(gòu)建從壓氣機(jī)單元體系統(tǒng)設(shè)計到產(chǎn)品實現(xiàn)、再到集成驗證的“V字”型模型；針對壓氣機(jī)單元體包括中介機(jī)匣和壓氣機(jī)兩部分的結(jié)構(gòu)特點，產(chǎn)品實現(xiàn)過程中，中介機(jī)匣和壓氣機(jī)兩部分分別按照ICDOV技術(shù)路徑完成產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計，即整個壓氣機(jī)單元體改進(jìn)設(shè)計實際上采用了系統(tǒng)工程“雙V字”模型。

3 需求工程在改進(jìn)設(shè)計中的應(yīng)用

3.1 壓氣機(jī)單元體的需求捕捉與分解

傳統(tǒng)設(shè)計體系下的設(shè)計需求僅僅表現(xiàn)為設(shè)計任務(wù)書中的功能性要求，而DFSS能夠?qū)?nèi)、外部顧客進(jìn)行充分識別，梳理出與該項目相關(guān)的所有需求。這種需求分析不但包含了功能性需求，還包含了工藝性、六性等非功能性需求。

對壓氣機(jī)單元體的需求進(jìn)行捕獲與分解的第一步是開展顧客識別。在該項目中多功能團(tuán)隊共識別出發(fā)動機(jī)總體性能、總體結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)廠、六性設(shè)計、設(shè)計規(guī)范和管理共6類顧客，如表1所示。這6類顧客以不同形式提出各自的需求，這些需求主要分為功能需求、結(jié)構(gòu)需求、六性需求和約束，其中約束又分為材料工藝約束、設(shè)計規(guī)范約束和管理約束。

第二步是開展需求分解。按照上述分類將顧客需求不斷細(xì)化，完成三級需求分解。以功能性需求為例，一級需求表現(xiàn)為壓氣機(jī)單元體性能滿足要求，這一需求可分解為單元體壓比、單元體進(jìn)口流量、單元體內(nèi)涵效率、低轉(zhuǎn)速穩(wěn)定裕度和匹配要求。其中，滿足發(fā)動機(jī)匹配工作要求又可繼續(xù)細(xì)化分解為出口壓力分布、出口馬赫數(shù)分布和出口氣流角等三級需求。

第三步是需求的親和及派生。在需求分解完成后采用卡諾分析將所有的需求按照基本、一元和魅力進(jìn)行親和，以確定改進(jìn)工作的基本方向。由于此時的需求均是基于壓氣機(jī)單元體，需要將其分解到中介機(jī)匣和壓氣機(jī)子項目中，這一過程會派生出新的需求。例如，滿足單元體流量設(shè)計要求這一需求，在分解到中介機(jī)匣時會派生出進(jìn)口流量滿足設(shè)計要求和涵道比滿足設(shè)計要求兩項需求。

表1 識別出的顧客及其需求Table 1 Identification of customer and voice of the customer

3.2 壓氣機(jī)單元體改進(jìn)目標(biāo)的確定

根據(jù)上述細(xì)化的顧客需求，提出相應(yīng)的技術(shù)要求。技術(shù)要求的確認(rèn)需要以顧客需求為牽引，并能夠進(jìn)行量化。本文由34項需求牽引出24項技術(shù)要求，其中11項由功能性需求牽引而來，另13項由非功能性需求牽引而來。采用質(zhì)量功能展開(QFD)對顧客需求和技術(shù)要求的相關(guān)性進(jìn)行評估，共識別出7項重要技術(shù)要求，包括單元體內(nèi)涵壓比、單元體進(jìn)口流量、單元體內(nèi)涵穩(wěn)定裕度、單元體內(nèi)涵效率、出口壓力分布、出口馬赫數(shù)和出口氣流角，其余的技術(shù)要求將作為設(shè)計準(zhǔn)則及規(guī)范在后續(xù)設(shè)計中予以關(guān)注。結(jié)合發(fā)動機(jī)現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)制定設(shè)計質(zhì)量表，如表2所示。通過分析，選定表2中的單元體內(nèi)涵效率、單元體內(nèi)涵穩(wěn)定工作裕度作為優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)，其余5項技術(shù)要求作為設(shè)計約束。

續(xù)表1

表2 壓氣機(jī)單元體設(shè)計質(zhì)量表Table 2 Design objects of compressor unit

4 系統(tǒng)工程在改進(jìn)設(shè)計中的應(yīng)用

系統(tǒng)工程是將構(gòu)成系統(tǒng)的元素加以合理的定義和配置，提供系統(tǒng)的整體功能和提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，核心思想是綜合即創(chuàng)造[6]。文中采用基于V字模型的系統(tǒng)工程方法，主要從系統(tǒng)設(shè)計、產(chǎn)品實現(xiàn)、集成驗證三方面開展設(shè)計工作。

4.1 壓氣機(jī)單元體的系統(tǒng)設(shè)計

壓氣機(jī)單元體的系統(tǒng)設(shè)計包括了從識別顧客需求到構(gòu)建系統(tǒng)概念再到定義構(gòu)成最終系統(tǒng)組成單元的演進(jìn)過程，其最終目的是產(chǎn)生一個滿足顧客需求的經(jīng)確認(rèn)可行的設(shè)計實現(xiàn)方案。

風(fēng)扇出口氣流通過壓氣機(jī)單元體的中介機(jī)匣分流，形成內(nèi)、外涵氣流。其中外涵氣流和內(nèi)涵引氣在外涵摻混后通過噴管排出，內(nèi)涵氣流則通過壓氣機(jī)壓縮形成高壓、高溫氣流供燃燒室使用。梳理壓氣機(jī)單元體在發(fā)動機(jī)環(huán)境下的系統(tǒng)，形成了如圖1所示的系統(tǒng)邊界圖。從物理連接看，中介機(jī)匣是整個系統(tǒng)的核心，將風(fēng)扇、壓氣機(jī)、燃燒室和尾噴管連接在一起；從力、能量傳遞看，中介機(jī)匣進(jìn)口和壓氣機(jī)出口界面是關(guān)鍵；從氣流方向看，內(nèi)涵流動是關(guān)鍵。

在系統(tǒng)邊界分析的基礎(chǔ)上形成功能流程圖，構(gòu)建壓氣機(jī)單元體功能分配圖(圖2)，實現(xiàn)功能向結(jié)構(gòu)的映射。梳理壓氣機(jī)單元體各部分的功能和結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系，確保各項功能在結(jié)構(gòu)上均有承載[7-8]。

4.2 壓氣機(jī)單元體的產(chǎn)品實現(xiàn)

在系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，從中介機(jī)匣流場特性改進(jìn)和壓氣機(jī)低轉(zhuǎn)速特性改進(jìn)兩方面開展研究，首先獲得低層次產(chǎn)品，然后在較高層次上組裝集成，依據(jù)設(shè)計規(guī)范驗證和顧客需求確認(rèn)，最終得到符合規(guī)范且滿足需求的產(chǎn)品。通過關(guān)鍵技術(shù)檢索形成如圖3所示的技術(shù)地圖。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)本項目的約束形成如下備選方案：流道附面層控制技術(shù)、低損失支板葉型設(shè)計技術(shù)、分流環(huán)形狀設(shè)計技術(shù)、支板布局設(shè)計技術(shù)、壓氣機(jī)級間匹配設(shè)計、壓氣機(jī)葉型控制技術(shù)、壓氣機(jī)流道控制技術(shù)、級間放氣技術(shù)。

備選方案確定后，壓氣機(jī)和中介機(jī)匣部件轉(zhuǎn)入詳細(xì)設(shè)計階段。壓氣機(jī)與中介機(jī)匣的詳細(xì)設(shè)計遵循ICDOV過程，如圖4所示。

4.2.1 中介機(jī)匣詳細(xì)設(shè)計過程

中介機(jī)匣基于DFSS方法的詳細(xì)設(shè)計過程如圖5所示。通過QFD-Ⅰ評估識別出中介機(jī)匣總壓恢復(fù)系數(shù)、中介機(jī)匣進(jìn)口流量、涵道比和質(zhì)量4個重要技術(shù)要求，建立設(shè)計質(zhì)量表，明確設(shè)計目標(biāo)值(表3)。通過分析，選定總壓恢復(fù)系數(shù)和質(zhì)量作為優(yōu)化目標(biāo)，中介機(jī)匣進(jìn)口流量及涵道比作為設(shè)計約束。

表3 中介機(jī)匣項目設(shè)計質(zhì)量表Table 3 Design objects of intermediate casing

確定設(shè)計質(zhì)量表后，以技術(shù)備選方案為基礎(chǔ)，生成中介機(jī)匣改進(jìn)方案的概念碎片。采用PUSH矩陣篩選并確定最優(yōu)改進(jìn)方案：分流環(huán)前緣圓形唇口設(shè)計+流道三維優(yōu)化設(shè)計+標(biāo)準(zhǔn)支板葉型設(shè)計+四支板布局方案。

通過QFD打分過程最終確定6個重要優(yōu)化設(shè)計參數(shù)(其中支板的前緣半徑、尾緣半徑、轉(zhuǎn)接圓半徑和分流環(huán)前緣半徑為優(yōu)化參數(shù)，總壓恢復(fù)系數(shù)和質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo))，并對其進(jìn)行全因子試驗分析。通過響應(yīng)曲面分析確定優(yōu)化值，結(jié)果如圖6所示。通過三維數(shù)值模擬方法對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行數(shù)值驗證，結(jié)果如表4所示，可見優(yōu)化結(jié)果滿足改進(jìn)設(shè)計要求。

表4 數(shù)值驗證結(jié)果Table 4 Numerical validation results

4.2.2 壓氣機(jī)詳細(xì)設(shè)計過程

壓氣機(jī)基于DFSS方法的詳細(xì)設(shè)計過程如圖7所示。首先通過QFD-Ⅰ打分，識別出壓氣機(jī)的裕度、壓比、流量和效率4個重要技術(shù)要求。然后建立設(shè)計質(zhì)量表(表5)，明確設(shè)計目標(biāo)值。其中壓氣機(jī)效率和裕度作為優(yōu)化目標(biāo)，壓比和流量作為設(shè)計約束。

設(shè)計質(zhì)量表確定后，以技術(shù)備選方案為基礎(chǔ)，生成中介機(jī)匣改進(jìn)方案的概念碎片。采用PUSH矩陣篩選并確定最優(yōu)改進(jìn)方案：級間流場均勻化設(shè)計+葉型控制方法優(yōu)化+均勻曲率流道+增大放氣面積。

建立功能流程圖，識別壓氣機(jī)的主要功能特性，通過QFD-Ⅱ打分識別出對氣體做功和保證發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工作裕度2個重要功能要求。然后建立功能分配圖和系統(tǒng)邊界圖，通過QFD-Ⅲ打分識別出葉型形狀與尺寸、放氣孔結(jié)構(gòu)形式、葉片安裝軸向位置、葉片安裝周向位置和葉片尾緣形狀5個重要結(jié)構(gòu)要求。最后通過QFD-Ⅳ分別識別出壓氣機(jī)的8個重要設(shè)計參數(shù)：理論葉型控制參數(shù)、葉型輪廓度、葉片強(qiáng)度、放氣孔位置度、放氣面積、放氣通道倒圓半徑、葉片安裝周向均勻度和葉片安裝軸向平整度?？梢?，通過QFD打分可將顧客需求逐步轉(zhuǎn)化為重要的設(shè)計參數(shù)，設(shè)計過程更加明確、顯性化。

表5 壓氣機(jī)項目設(shè)計質(zhì)量表Table 5 Design objects of compressor program

將壓氣機(jī)的效率和裕度作為優(yōu)化目標(biāo)，對放氣孔重疊度、直徑和孔邊倒圓3個參數(shù)進(jìn)行全因子試驗分析，獲得優(yōu)化設(shè)計參數(shù)取值(圖8)。通過三維數(shù)值模擬的方法對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行數(shù)值驗證，結(jié)果如表6所示，可見優(yōu)化結(jié)果滿足改進(jìn)設(shè)計要求。

4.3 壓氣機(jī)單元體的集成驗證

對改進(jìn)設(shè)計獲得的優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行中介機(jī)匣與壓氣機(jī)全三維數(shù)值聯(lián)算模擬，計算結(jié)果如表7所示，均滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

表6 設(shè)計目標(biāo)完成情況表Table 6 Fact of design objects completion

表7 中介機(jī)匣與壓氣機(jī)全三維數(shù)值聯(lián)算計算結(jié)果Table 7 Intermediate casing and compressor full three-dimensional numerical calculation results

5 結(jié)束語

通過運(yùn)用DFSS方法，針對某型發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)單元體開展了精細(xì)化改進(jìn)設(shè)計。改進(jìn)設(shè)計中，按照DFSS的ICDOV技術(shù)路徑進(jìn)行實施，并應(yīng)用需求工程、系統(tǒng)工程工具和方法明確改進(jìn)設(shè)計目標(biāo)，構(gòu)建“雙V字”系統(tǒng)工程模型，保證了項目的順利達(dá)成。數(shù)值模擬驗證表明，改進(jìn)后的壓氣機(jī)單元體性能滿足改進(jìn)設(shè)計要求。此外，基于DFSS方法建立的航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)單元體改進(jìn)設(shè)計方法在改進(jìn)設(shè)計流程中更加顯性化，追溯性方面相比傳統(tǒng)設(shè)計方法具有一定的優(yōu)勢，其中應(yīng)用的需求工程和系統(tǒng)工程工具及方法具有很強(qiáng)的通用性，可在航空發(fā)動機(jī)部件設(shè)計中推廣應(yīng)用。

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