六西格玛设计方法在射流预冷装置设计中的应用

刘旭峰， 薛洪科， 常鸿雯， 佟尧

（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）

0 引言

六西格玛设计（DFSS）方法起源于系统工程领域，它是一种正向的精细化的设计方法，适用于新产品的设计和现有产品的改进工作。它已成功地应用于国外航空装备产品研制和生产过程。DFSS的内涵是一种灵活的综合性系统方法论，它关注于顾客的需求，强调在产品的设计初期预防缺陷，用数据说话和无边界合作也是DFSS方法的显著特点。

1 项目背景

高速涡轮发动机是未来航空领域的制高点，为迎合高速涡轮发动机发展的迫切需求，近年来我国也在开展相关技术研究。从国外典型的高速涡轮发动机产品及研制路径可知，高速涡轮发动机发展的表现特征为：以现有的涡轮发动机为基础，采用组合循环方式或采用进气预冷却扩包线技术[1]。其中射流预冷技术即是进气预冷却扩包线技术的典型代表。

射流预冷装置是射流预冷系统的重要组成部件，关系着射流预冷技术的安全性和可靠性。所谓射流预冷技术就是在常规发动机风扇前端进气道内加装喷射预冷装置，通过将冷却介质喷入到进气道内，介质蒸发吸热，降低进入发动机入口的气流温度，同时还可以增加气流的密度，影响进气质量流量，进而改善发动机的推力性能[2]。

2 设计路径

DFSS方法提供了精益的设计路径，虽然该设计路径迄今尚无统一的模式，但是在内容上，都包含了“需求识别（简称I）”、“概念设计（简称C）”、“结构设计（简称D）”、“优化阶段（简称O）”、“设计验证（简称V）”等共性的步骤，如图1所示。

图1 DFSS方法论的共性步骤

本文依据的ICDOV的设计路径如图2所示，DFSS设计本质上遵循了公理设计基本原理，即“需求域→功能域→结构域→流程/工艺域”的设计逻辑。该路径显示了ICDOV设计路径与公理设计的关系，明确了各阶段的活动内容和输出物。同时，还体现了项目管理和设计风险控制与DFSS方法的内在联系。本论文沿用该设计路径完成了射流预冷装置的精细化设计工作。

3 实施过程

图2 DFSS设计路径

通过采用DFSS方法，找到影响射流预冷装置喷射能力、温度场均匀性、流阻特性、降温能力的关键因子，采用有效的方法对其控制、优化并验证，最终实现射流预冷装置的低流阻系数、出口温度场均匀性好、降温量大的设计目标。

3.1 需求识别（I）阶段

首先组建了10人多功能团队，确定了上游顾客、下游顾客和约束条件等8种顾客，并获得40项需求，通过对需求的亲和与卡诺分析，整理成12类需求。通过对需求项说明、衡量指标确定、需求验证规划的汇总，形成需求定义表，作为顾客需求的管理和追踪基线文件。通过对顾客需求和射流预冷系统设计要求的理解，团队汇总形成37条技术要求。最终通过质量功能展开（QFD）工具，实现了顾客需求与技术要求之间的相关性评价，并确定射流流量范围、喷射介质的雾化粒径、射流装置的总压损失、压力和温度畸变指数、降温量和蒸发率作为该阶段的关键质量特性，确认以上关键质量特性的目标值之后作为该阶段射流预冷装置的设计目标，如表1所示。

3.2 概念设计（C）阶段

根据对顾客需求的理解，项目团队通过技术检索确定出实现关键质量特性的关键技术4项，针对关键技术进行概念碎片的搜集，概念碎片组合后形成8种概念方案，如图3所示。团队使用PUGH矩阵和层次分析法，最终选择了方案8（直杆型等间距布置喷杆＋离心雾化喷嘴）为最终方案。应用运行使用构想的方法，确定喷水、不喷水、性能检查、接口检查等7个运行使用场景，并以文档形式完成任务描述、原理框图分析、系统正常的功能流程以及功能异常情况及处理。完成了功能定义表，针对异常情况及处理完成了功能危害性分析（FHA），将预防措施落实至设计准则当中；基于功能流程图建立功能-结构的映射关系，通过QFD分析重要结构部件为喷嘴、喷杆为关键结构。

表1 设计质量表

图3 概念方案

3.3 结构设计（D）阶段

使用了IDEF建模方法针对所有结构识别了35个设计参数，由“结构-设计参数”的质量功能展开（QFD）分解，确定反映顾客需求的技术指标和关键质量特性的关键结构设计参数；关键的结构设计参数为喷杆个数、喷嘴个数、喷嘴流量、喷杆布局截面间距、喷杆截面型状、喷嘴雾化粒径6个关键参数。对喷嘴、喷杆和接头等零件进行硬件FEMCA分析，制定改进和补偿措施。建立了数据收集计划，收集并初步确定了重要结构参数取值范围，明确下一步的工作目标，确定对总压损失该质量特性开展优化设计。

3.4 优化设计（O）阶段

通过采用实验设计（DOE）、双响应优化设计技术，对射流预冷装置的总压恢复系数作为响应变量，将喷杆的截面型状和布置截面间距作为因子，分析了各因子及因子相互作用，确定关键因子及最优设置水平，构建传递函数，最终得到最优的设计参数，喷杆采用翼型截面设计，通过整体铸造再精加工的工艺方案，喷杆布置间距选为250 mm。至此阶段，射流预冷装置的所有结构参数全部确定，射流预冷装置模型如图4所示。

3.5 设计验证（V）阶段

首先建立验证计划，通过对全尺寸试验件地面模拟试验，得到了射流预冷装置降温和总压恢复系数等参数，通过对试验数据的分析结果可知，射流装置射流流量范围、喷射介质的雾化粒径、射流装置的总压损失、压力和温度畸变指数、降温量和蒸发率都达到了预期的设计目标。

4 结论

图4 射流预冷装置模型

“需求识别”、“概念设计”、“结构设计”、“设计优化”、“设计验证”——ICDOV5个步骤可以与我国航空武器装备研制现状和约束条件相融合，在射流预冷装置上的应用结果显示，通过QFD工具和关键质量特性的识别，为顾客需求向产品的转换提供了方法和技术路径；通过FHA分析、硬件FEMICA分析、设计准则的建立实现设计风险的规避和控制；通过需求定义、功能定义和接口定义的建立，为项目管理提供方法。

DFSS方法注重顾客需求的识别、分析与转化，其核心是面向可靠性的系统化设计，关注设计过程的风险识别。DFSS方法不仅提高了设计效率还保证了设计质量，具有较好的示范和工程推广价值。

[参考文献]

[1] 杨天宇,张彦军,芮长胜.高速涡轮发动机技术发展浅析[J].燃气涡轮试验与研究,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,马召.面向装备研制的先进质量工程方法论[J].标准科学,2015,2(6)：72-77.