性能可靠性理论与航空发动机性能可靠性浅析

胡伟瀚

摘 要：本文对性能可靠性设计技术理论进行了详细的描述，并从结构尺寸偏差、环境不确定性以及测量不确定性三方面对航空发动机性能可靠性设计技术研究现状进行了阐述。

关键词：航空发动机;性能可靠性

航空发动机性能可靠性是指发动机在规定的条件下和规定的工作时间内，其性能参数满足规定指标要求的能力。对于新机来说，可用性能可靠度来度量该航空发动机性能参数满足设计指标要求的程度。

本文仅对设计、制造因素引起的新机性能可靠性问题进行探讨。

1 性能可靠性理论

性能可靠性的概念始于上世纪60年代，卡曼科学公司（Kaman Science Corporation）研究基于系统功能关系的可靠性建模和分析方法——GO方法，并成功用于核反应堆的可靠性分析，这是性能可靠性思想最初的研究成果。进入80年代后，性能可靠性设计理论逐步成为可靠性设计技术中的热点，针对不同的领域出現了多种研究思想和方法，这些有益的研究工作逐步导出了性能可靠性设计技术的研究思路。

1.1 综合可靠性分析工具（IRAT）的研究

综合可靠性分析工具IRAT（Integrated Reliability Analysis Tool）是以色列飞机工业公司研制的一个可靠性、维修性分析综合工具，主要思想是充分利用各专业已有的CAE/CAD工具来支持可靠性、维修性的设计分析工具。

与其他工具相比，它的最大特色是采用了新颖的功能分析技术FAT（Function Analysis Technique），实现了专业设计与可靠性设计工作的良好结合。

1.2 多状态可靠性的研究

在现有的可靠性分析技术里面，假设系统和部件只处于两种状态（故障和不故障）中的一种，这二分法假设有时是合理的。然而在许多实际情况下，系统及其部件具有从功能完好到完全故障之间不同的性能水平，若考虑多种状态更有利于系统可靠性的评估。例如，用摄氏度量水的温度时，可以用状态1，2，…，100来表示水的温度。

因此，用已有的二元模型描述系统不是很精确，代表多状态系统和部件的模型更具有实际意义。为了充分描述这种退化性能，在可靠性分析领域需要发展多状态系统理论。这是性能退化类型的可靠性问题，本文不对这类问题做研究。

1.3 性能与可靠性一体化建模分析方法（IPARA）

进入21世纪，国内在性能可靠性设计理论方面也有了长足进步，北航陈云霞以空空导弹的功能可靠性为对象提出了IPARA（Integrating Performance And Reliability Analysis），填补了国内在这一领域的研究空白。

IPARA综合考虑内因（如设计、结构、材料、加工工艺）与外因（如环境条件、外部干扰等）两方面的影响，建立了基于多状态结构函数理论的系统可靠性模型，该模型不需要知道系统的故障率和故障密度函数，而是通过研究系统产生故障的内因和外因的随机分布规律来考察系统的性能可靠性，建立了相应的数学模型。

2 航空发动机性能可靠性设计方法

我国航空发动机设计领域还未应用性能可靠性设计技术，航空发动机的性能可靠性设计方法包括传统的基于数理统计的方法和基于IPARA两种。基于数理统计的方法是通过统计发动机性能分布的情况得到该发动机性能的可靠程度，但是这种方法有其局限性，它需要大量的发动机试验及外场数据作基础，仅针对现成的发动机进行性能分布统计，对判断发动机的性能满足要求的能力及预测其性能有一定帮助，这些属于发动机设计完成后的工作，并不能指导设计。

通过考察我国航空发动机研制流程，本文建议应该采取IPARA对航空发动机的性能可靠性问题进行研究，即从内外因两方面的影响来建立航空发动机性能可靠性模型，该方法贯穿整个设计过程，将性能可靠性设计到航空发动机中去。

下面从内外两方面选取几个对航空发动机性能可靠性有较大影响的因素进行影响分析。

3 航空发动机性能可靠性影响因素

3.1 结构尺寸偏差对性能可靠性的影响

性能可靠性设计技术需要考虑性能的稳定性，而对于航空发动机这种多机械零件的产品来说，想要保持性能的稳定，就必须控制每个零件的尺寸偏差;尤其是对流道件，叶片尺寸偏离设计值、转子叶片与静子机匣之间的叶尖间隙分布不稳定等都是对发动机部件乃至整机性能稳定影响非常大的因素。

Alexander Lange[1]研究发现加工不稳定造成的高压压气机叶片尺寸偏差对多极高压压气机的性能有很大影响;并将高压压气机叶片型面分成由多个型面参数控制，认为这些参数是服从随机分布的，为高压压气机性能可靠性设计提供了参考。

Jafarali P[2]对涡轮叶尖间隙偏差的影响进行了研究，认为涡轮叶尖间隙大小是服从正态分布的，对涡轮叶尖间隙的大小分布进行了研究，并相应地考察了涡轮性能的变化情况，得到了涡轮性能随叶尖间隙大小变化的分布情况，为考察涡轮性能可靠性提供了设计思路。

为了探索涡轮叶尖间隙在机动飞行下的动态变化规律，贾丙辉[3]在对涡轮叶尖间隙的变化机理进行分析的基础上，建立了涡轮机匣和转子叶片的简化模型，重点研究了转子在飞行器机动飞行情况下的振动幅值对叶尖间隙的影响。

赵旺东[4]通过涡轮试验对涡轮性能可靠性进行了研究，给出了影响航空发动机涡轮效率稳定性的叶尖间隙敏感区间，对提高涡轮部件性能可靠性有指导意义。

邹正平[5]采用数值模拟结合整机试验的方法，研究了叶型偏差对涡轮气动性能及内部非定常流动细节的影响。

3.2 环境不确定性对性能可靠性的影响

航空发动机是在假设环境包括进出口截面压力、温度及来流分布均匀程度等稳定的条件下进行设计的，而实际工作环境并不是这样，实际环境条件应当是处于波动状态的。所以，有必要考虑环境不确定性的影响。

刘志友[6]介绍了航空发动机高空模拟试验中发动机性能参数不确定度控制与改善的需求背景，分析了空气流量等发动机主要性能参数不确定度的影响因素，重点探讨了进气压力波动因素对航空发动机性能参数不确定度的影响及其确定方法。

李进贤[7]在固冲发动机地面试验中，结合某试验固冲发动机，采用小偏差方法评估模拟来流不确定性对试验结果的影响，给出了发动机性能参数对模拟来流误差的敏感系数和小偏差方法适用的范围，提出了一套较完整的考虑模拟来流误差的固冲发动机性能可靠度计算方法和固冲发动机地面直连试验时总压总温调节控制精度的数值计算方法。

陈云霞[8]采取仿真的手段来分析风对导弹飞控系统性能可靠性的影响，首先建立风的工程化模型并进行随机化处理形成仿真模型，进一步研究风对导弹飞控系统的影响原理，进行导弹动力学模型的改造。

3.3测量不确定性对性能可靠性的影响

严格来说测量不确定性并不算是性能可靠性的范畴，只是所测量结果并不是真实的航空发动机参数，但是测量不确定最终将反馈给电脑或者人脑作为判断航空发动机工况的指标，由此不难发现，测量可靠性对于判断工况的真实性有着重要意义，也严重影响着所测性能的可靠程度。

施陈波[9]对mN级推力架静态特性及推力的测量不确定度进行了相关分析，使用砝码对推力架进行静态标定，得到推力架测量的灵敏度、线性度、滞后性、重复性、分辨率、稳定性，分析了推力测量过程中的影响因素，得到推力测量值的不确定度，确定了推力架静态特性是测量不确定度的主要来源，而推进剂供给管路带来的零位漂移则会使得推力测量值的不确定度有所增加，研究给出了发动机地面试车时测量不确定性的影响分析。

朱子环[10]对某型号大推力火箭发动机试验推力测量的不确定度进行了评定，研究根據某型号大推力火箭发动机试验推力测量系统的工作原理和组成、计量标准量值传递关系和系统低温调试结果，确定推力测量系统的不确定度来源，通过进一步的误差分析并应用误差计算理论对系统测量不确定度进行评定，得出该系统测量不确定度作为推力测量可靠性依据。

荆凤林[11]根据固体火箭发动机测量不确定度的评定标准“航天工业行业标准QJ1275-94”，对某型固体发动机推力测量进行了不确定度的评定，并简述了发动机推力测量系统工作原理、不确定度来源、不确定度的计算方法。

4 总结

航空发动机性能可靠性设计，是一门多学科融合的技术，现阶段研究航空发动机的性能可靠性设计可以从以下三个方面开展：（1）从航空发动机结构尺寸偏差出发，考虑零部件结构尺寸参数偏差对航空发动机的性能可靠性的影响;（2）从航空发动机实际使用环境出发，考虑其进出口等截面环境不确定性对航空发动机性能可靠性的影响;（3）从航空发动机测试技术出发，考虑测量准确性对航空发动机性能可靠性的影响。

参考文献：

[1] Alexander Lange. Impact of Manufacturing Variability on Multistage High Pressure Compressor Performance [J]. ASME paper No. GT2012- 69571.

[2] Jafarali P. Probabilistic Analysis Of Turbine Blade Tolerancing And Tip Shroud Gap[J]. ASMEpaperno.GT2012-70138.

[3] 贾丙辉，张小栋.机动飞行下的涡轮叶尖间隙动态变化规律[J].航空动力学报，2011（12）.

[4] 赵旺东，周禹彬.叶尖间隙对涡轮气动性能影响的试验研究[J].燃气涡轮实验与研究，2009（3）.

[5] 张伟昊，邹正平.叶型偏差对涡轮性能影响的非定常数值模拟[J].航空学报，2010（11）.

[6] 刘志友，马前容.改善高空台试验中发动机性能参数不确定度的方法探讨[J].燃气涡轮实验与研究，2011（1）.

[7] 李进贤，张林.模拟来流参数误差对固体冲压发动机地面试验结果影响的评估[J].固体火箭技术，2010（1）.

[8] 陈云霞，康锐.风对导弹飞控系统可靠性影响的仿真研究[J].系统仿真学报，2005（2）.

[9] 施陈波，汤海滨.mN级推力架静态特性及推力测量不确定度分析[J].固体火箭技术，2011（3）.

[10] 朱子环，耿卫国.某型号大推力火箭发动机试验推力测量不确定度评定[J].火箭推进，2012（5）.

[11] 荆凤林，陶汉铭.某型固体火箭发动机推力测量不确定度的评定[J].推进技术，1998（2）.

[12] 陈云霞.性能与可靠性一体化建模和分析方法研究[D].北京：北京航空航天大学，2004.

（中国航发动力机械研究所，湖南 株洲 412002）