鱼雷热动力系统性能评价指标体系初探

马为峰, 彭 博, 高爱军, 雷云龙, 韩新波, 路 骏



鱼雷热动力系统性能评价指标体系初探

马为峰, 彭 博, 高爱军, 雷云龙, 韩新波, 路 骏

(中国船舶重工集团公司 第 705 研究所, 陕西 西安, 710075)

为了更好的对鱼雷热动力系统进行综合评价, 且能够对同一系统的不同方案进行比较, 在借鉴国内相关行业指标体系构建的基础上, 提出了用于评价鱼雷热动力系统的指标体系, 采用关联矩阵法, 并考虑各指标的权重系数, 获得了各方案有关指标的评价值, 探索了系统多目标量化评价方法。构建的指标体系和评价方法可用于鱼雷不同能源动力系统的对比、同一能源动力系统的改进, 还可反映能源动力系统的发展方向, 为新型能源动力系统选型决策提供技术支撑。

鱼雷热动力系统; 指标体系; 多目标量化; 性能评价

0 引言

目前, 鱼雷热动力系统主要采用OTTO-II燃料活塞机动力系统、HAP三组元燃气涡轮机动力系统、Li/SF6汽轮机动力系统、水反应金属燃料喷射推进系统、氢氧闭式循环动力系统及热电联合动力系统等。这些热动力系统各具特色, 并在发展中出现了不同的方案。如何对过去发展的、现役的和未来可能出现的热动力系统进行综合评价, 如何对同一系统的不同方案进行比较, 如何对不同阶段方案的优化程度进行评价, 建立统一的热动力系统评价指标体系就显得尤为重要。

目前尚无鱼雷热动力系统指标体系, 更谈不上全面。本文在归纳总结国内鱼雷热动力研制开发情况的基础上, 借鉴国内外相关行业指标体系构建的经验, 提出了用于评价鱼雷热动力系统的指标体系, 探索了评价不同能源动力系统的方法。

1 确定指标体系原则

系统评价指标体系是由多个相互联系、相互作用的评价指标, 按照一定的层次结构组成的有机整体, 包含定性指标和定量指标2个方面, 其中, 定性指标是基础, 定量指标是提高。

指标体系的确定并非指标越多越好, 关键在于指标在评价中所起的作用[1-2]。建立鱼雷热动力系统评价指标体系除了应遵循科学性、完备性、可测性等一般评价指标体系建立的基本原则外,还需考虑到鱼雷热动力系统从方案设计到生产,从交付使用到维护保障的全寿命周期的一系列活动, 故在建立其评价指标体系时, 还应遵循以下原则。

1) 突出系统性。从系统的高度统筹考虑, 以构成一个完整的体系为目标, 从不同的角度来描述评价对象的性能特征。

2) 定性与定量相结合。根据鱼雷热动力系统的性能特点, 确定指标时既包括定量指标, 也包括定性指标。

3) 道德全寿命周期原则。鱼雷热动力系统性能评价贯彻“全系统全寿命周期”管理的思想, 不仅考虑设计工作本身, 而且要考虑系统在今后使用过程中的可靠性、维修性等六性问题。

2 鱼雷热动力系统性能评价指标体系

鱼雷热动力系统须在空间和外形严格受限的条件下, 克服水下阻力、不同深度背压影响实现多速制的动力推进。现代潜艇航深达1000m以上, 这就要求鱼雷动力系统保证高效率和输出功率不随航深变化。为了有效攻击目标, 鱼雷需要低速搜索目标, 锁定目标后高速攻击, 这就要求鱼雷热动力系统具有不同的速制。因此, 应将鱼雷口径、工作深度、速制作为热动力系统性能评价指标。

鱼雷热动力系统须在随舰艇战备值班中确保长期储存安全。为保证发射平台的安全, 需要提高鱼雷攻击隐蔽性, 这就要求尽量减小鱼雷热动力系统的振动噪声。鱼雷热动力系统须在水下推进过程中尽可能不排出尾气, 避免产生航迹和排气噪声。因此, 应将鱼雷热动力系统的安全性、振动噪声、航迹系数作为其性能评价指标。

鱼雷热动力系统须携带一定量的能源实现不同功率输出, 以满足鱼雷航速和航程指标, 这就需要鱼雷热动力系统在输出设定的有效功率或达到设定比冲的前提下, 在小尺度空间内实现能源动力系统高比能量和大比功率。因此, 应将能源动力系统比能量、动力系统比功率、输出有效功率、比冲、燃料比耗量作为鱼雷热动力系统性能评价指标。

在评估能源动力系统性能时, 必须考虑相关的经济性性能指标。历史经验表明, 单纯地追求系统的技战术性能而忽视费用, 可能会导致研制费大大超出预算, 并且在使用过程中使保障费用支出过高。因此, 应将鱼雷热动力系统的全寿命周期费用作为热动力系统性能评价指标。

鱼雷热动力系统启动或变工况时, 发动机的转速都要发生变化, 最后趋于原值或新稳态值。因此鱼雷能源动力系统的变工况过程可分为2个阶段, 前一阶段是转速处于变化状态的过渡过程, 它反映系统的动特性; 后一阶段是转速处于某一稳态值的静态过程, 它反映系统的静特性。因此应将鱼雷热动力系统转速、过渡过程时间、超调量、静差作为其性能评价指标。

根据鱼雷热动力系统的特点, 综合考虑系统热力性能、经济性能等方面, 按照系统及其重要组成部分建立了热动力系统性能评价指标体系, 如图1所示。

在鱼雷热动力系统性能评价指标体系中, 鱼雷口径是约束条件, 有效功率、转速、工作深度、工作时间、速制、比冲、航迹系数、全寿命周期费用等是反映动力系统性能的“量”的参数, 燃料比耗量、动力系统比功率、能源动力系统比能量、动力系统振动噪声、系统动静特性、六性等属于反映动力系统性能的“质”的参数。

2.1 鱼雷口径

按研制需求和技术基础, 鱼雷既有533mm, 324 mm这样相对标准的口径, 也存在400 mm, 450mm, 650 mm这样满足特定需求的口径。不同的鱼雷口径使热动力系统可利用的空间尺寸不同, 研制的难度也就有很大差别。

2.2 有效功率

有效功率定义为鱼雷热动力系统的发动机主轴的输出功率, 可由测功器测出。

图1 鱼雷热动力系统性能评价指标体系

2.3 转速

转速是鱼雷热动力系统的输出变量之一, 也是鱼雷热动力系统闭环控制的被控量。在负载和性能参数发生变化时, 转速会产生较大偏差。转速可由测功器的转速测量仪测量。

2.4 工作深度

鱼雷的工作深度即航深, 与热动力系统的循环方式相关。闭式与半闭式循环的动力系统工作不受或基本不受工作深度的影响, 而开式循环的动力系统在工作深度变化时, 发动机的功率和系统效率会发生很大变化。

2.5 工作时间

工作时间可以直接反映鱼雷航程的大小。可由功率试验或实航试验获得。

2.6 速制

鱼雷热动力系统多种速制之间的转换对调速方法、控制阀件、燃烧室和发动机等提出了很高要求[3]。国外先进的动力系统已实现了无级换速。

2.7 比冲

比冲指单位质量的推进剂产生单位推力所需的时间, 也可以定义为单位质量的推进剂产生的冲量[4]。比冲可通过火箭发动机热车试验的推力-时间曲线计算获得。

2.8 航迹系数

鱼雷航迹实际上是由鱼雷能源的燃烧产物中不溶解于水的气体组分升出水面形成的, 可降低鱼雷攻击的隐蔽性和命中率, 对鱼雷发射平台的隐蔽性也会造成不利影响。衡量能源动力系统有无排放可用航迹系数来表示。其定义为能源燃烧产物中不溶解的或很难溶解于水的气体容积之和与各气体总容积之比。各气体成分的容积可通过燃烧室热力计算求得[5]。

2.9 全寿命周期费用

系统全寿命周期费用是一种衡量系统总费用和经济性的综合参数, 它考虑的是系统全过程的费用, 是在总体上度量系统的经济效益的主要指标, 包括装备论证与研制费、装备购置费、使用与保障费以及退役与处置费。

2.10 燃料比耗量

燃料比耗量为动力系统发出单位有效功率所需的推进剂耗量, 可以综合评价热动力鱼雷的推进剂能量特性和发动机热功转换有效性, 计算公式为

2.11 动力系统比功率

动力系统比功率指动力系统单位质量提供给推进器的有效功率, 计算公式为

2.12 能源动力系统比能量

能源动力系统比能量指能源动力系统单位质量提供给推进器的能量[3], 计算公式为

比能量既和能源能量密度、理化特性、能量转换方式和热动力系统效率有关, 也和设计水平有关, 是反映动力系统设计好坏的质的指标。

2.13 动力系统振动噪声

鱼雷动力系统振动的频带从几十赫兹到几千赫兹, 振动加速度信号能够全面反应被测对象的振动信息。因此, 动力系统振动水平用振动加速度级评价

2.14 系统变工况特性

系统变工况特性分为系统动特性和系统静特性。动特性采用过渡过程时间和超调量来表征, 静特性采用静差来表征[5-6]。

1) 过渡过程时间

过渡过程时间是实际转速与稳定转速之间的相对误差开始小于允许值的时间[5-6]。

过渡过程包括鱼雷动力系统的启动、变速、变深等工况。过渡过程时间用来描述动力调节系统的响应速度, 即系统能否很快跟随给定值的变化或很快克服扰动的影响, 反映系统恢复原值或跟随给定值的速度。

2) 超调量

超调量为过渡过程中最高转速超过稳定转速的最大相对量[5-6]。

超调量是一个稳定系统响应振荡特性的度量, 反映动力调节系统在调节过程中超调的大小。

3) 静差

静差指在系统调节过程结束之后, 被调量恢复原值的精度, 是完全恢复原值或跟随给定值, 还是存在一定的误差[5]。

静差用来表示系统静特性的好坏。对于转速要求为恒值的系统来说, 它是调节过程结束后的实际转速偏离要求值的大小。

2.15 六性

在鱼雷热动力系统研制和定型生产过程中, 可靠性、测试性、维修性、保障性、安全性和环境适应性(简称“六性”)是衡量鱼雷热动力系统寿命、工作可靠度的标准[7]。

3 系统多目标量化评价

针对鱼雷热动力评价系统多目标且评价指标不唯一的特点, 采用关联矩阵法进行量化评价。

3.1 确定指标体系

根据评估内容的需要, 建立指标体系。不同方案的评估指标体系可以不一样, 划分的层次也有区别[8]。

3.2 确定权重系数

根据各个指标对评价主体的重要程度分配不同的权重系数。权重系数可采用两两比较、专家征询等方式来确定。

3.3 综合评估

计算各方案评价值的加权和, 评价值加权和最大的方案即为最优方案[9]。

鱼雷热动力系统性能评价示例如表1所示。

表1 鱼雷热动力系统性能评价示例

热动力系统性能评价指标体系具有可扩展性, 可根据不同的能源动力系统、系统的不同阶段和研究的重点进行二次选择。在特定情况下可以选取其中的一项或几项指标对不同动力系统或同一系统的不同方案进行比较。如采用能源动力系统比能量、动力系统比功率、航深对不同热动力系统进行的比较如图2所示。图中, 归一化比能量和归一化比功率是以MK-48/4能源动力系统的比能量、比功率为1进行归一的。①表示MK-48/4能源动力系统; ②表示MK-46能源动力系统; ③表示重型鱼雷用HAP三组元能源动力系统; ④表示重型鱼雷用Li/SF6闭式循环能源动力系统; ⑤表示重型鱼雷用先进型Li/SF6闭式循环能源动力系统; ⑥表示轻型鱼雷用先进型Li/SF6闭式循环能源动力系统; ⑦表示轻型鱼雷用Li/SF6闭式循环能源动力系统。由图2可得不同能源动力系统比能量和比功率的高低, 以及基于同一能源的重型鱼雷能源动力系统和轻型鱼雷能源动力系统的比能量、比功率的高低。

图2 不同能源动力系统比较

4 结束语

本文借鉴国内外相关行业指标体系构建的经验, 提出了用于评价鱼雷热动力系统的指标体系, 探索了多目标量化评价方法。构建的指标体系和评价方法可以对鱼雷动力系统性能进行更为科学、全面的评估, 为不同能源动力系统的对比、同一能源动力系统的改进提供参考, 还可反映能源动力系统的发展方向, 为新型能源动力系统选型决策提供技术支撑。

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(责任编辑: 陈 曦)

Performance Evaluation Index System of Torpedo Thermal Power System

MA Wei-fengPENG BoGAO Ai-junLEI Yun-longHAN Xin-boLU Jun

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

To improve the comprehensive evaluation of a torpedo thermal power system and compare different evaluation plans for same system, a performance evaluation index system is proposed based on the experience from related industries in China. The performance evaluation index system is established by using the related matrix method and considering the weight of each index. Through calculating the weighted sum of the indexes of different thermal power systems, the evaluation values of indexes of each plan are achieved, and the multi-objective quantization method is discussed. The proposed performance evaluation index system and the corresponding evaluation method can be applied to the comparison of torpedo thermal power systems with different energy, the improvement of the power systems with same energy. In addition, this performance evaluation index system may reflect development trend of torpedo thermal power systems, and provide a support for type decision of future thermal power systems.

torpedo thermal power system; index system; multi-objective quantization; performance evaluation

TJ631.2; TM46

A

1673-1948(2014)05-0352-05

2014-06-23;

2014-07-22.

马为峰(1977-), 男, 硕士, 高工, 主要研究方向为鱼雷能源动力技术.