民用涡轴发动机部件级效能评估模型研究

汤 琳,徐凯军

（中国航发湖南动力机械研究所,湖南 株洲 412002）

概述

航空发动机研制需投入大量资金、人力和时间,因其性能及技术复杂性不断提高,采购费用和使用保障费用也随之大幅上升,在投入生产前,对航空发动机效能及费用的系统性、权衡性分析——效费分析,也变得越来越重要。

对航空发动机的效能进行明确的可量化的评估是效费分析的基础,建立效能评估模型又是效能评估的首要工作和难点之一,然而根据国内实际情况,对效能的评估一般不能直接测量或进行精确计算,同时,因效能具有多尺度性,各尺度量纲不同,评估中需进行无量纲化处理,导致相对值的出现。本文重点研究民用涡轴发动机典型部件压气机、燃烧室、涡轮的效能评估模型的建立。

1 民用涡轴发动机部件级效能指标体系研究

目前国际上比较成熟的系统级效能模型主要有ARINC 系统效能模型、美国海军系统效能模型和WSEIAC 系统效能模型三种,其中WSEIAC 系统效能模型的指标定义为可用性、可信性、固有能力。选用WSEIAC 模型进行分析,符合民用涡轴发动机的特点,WSEIAC 模型基本上是三个矩阵的乘积,即可用度行向量A、可信度矩阵D 及固有能力矩阵C。本文在WSEIAC 模型基础上,结合国内民用涡轴发动机部件研制具体过程,对效能指标进一步分解,需同时满足可量化、设计输入要素、综合效应反映至少80%的系统效能等条件。经行业内专家评估,最终建立了民用涡轴发动机部件效能指标体系如图1～3 所示。

图1 民用涡轴发动机压气机效能指标体系

2 民用涡轴发动机部件级效能评估方法研究

目前比较成熟的效能评估方法主要有层析分析法和算术平均法。

本文对民用涡轴发动机部件的效能评估采用的是算术平均法,算术平均法是综合计算过程中最常用最有效的方法之一,是利用若干个按照特定规则,针对同一变量产生的数值进行排列,计算出该变量的算术平均数,并以这一数值作为预测该变量的数值的一种方法。算术平均法能够反映同一变量的总体一般水平。

图2 民用涡轴发动机燃烧室效能指标体系

图3 民用涡轴发动机涡轮效能指标体系

在发动机效能指标体系综合计算过程中,针对建立的效能指标体系,邀请行业内20 余位专家,对各指标进行重要度评估,各部件效能指标采用算术平均法分别进行重要度评估。

3 民用涡轴发动机部件效能评估模型研究

3.1 压气机效能评估模型建立

3.1.1 可用性模型的建立

根据压气机效能指标体系,可用性指标可通过可用度来表示。可用度是指系统在任一随机时刻需要和开始执行任务时,处于可工作或可使用状态的程度,它综合反映了系统的可靠性、维修性和保障性。一般情况下,可用度分为固有可用度、可达可用度与使用可用度,本文选择固有可用度a1来表示压气机可用性,如下所示：

式中,MTBF 为平均故障间隔时间,MTTR 为平均修复时间。

3.1.2 计算可信性下层指标对可信性的重要度系数

利用算术平均法,对专家评估结果进行综合计算,求得各下层指标相对于可信性a2的重要度系数。

3.1.3 计算安全性下属指标对安全性的重要度系数

利用算术平均法,对专家评估结果进行综合计算,求得各下层指标相对于安全性的重要度系数。

3.1.4 计算使用可靠性下属指标对使用可靠性的重要度系数

利用算术平均法,对专家评估结果进行综合计算,求得各下层指标相对任务可靠性的重要度系数。

3.1.5 计算环境适应性下属指标对环境适应性的重要度系数

利用算术平均法,对专家评估结果进行综合计算,求得各下层指标相对环境适应性的重要度系数。

3.1.6 计算固有能力下属指标对固有能力的重要度系数

重要度系数 各专家W14� W14�防湿热霉菌能力 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

重要度系数 各专家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环境适应性 0.243 0.226 0.333 0.227 0.235 0.253

重要度系数 各专家W13� W13�压气机性能稳定性 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

重要度系数 各专家W11� W11�包容能力 0.333 0.370 0.231 0.333 0.308 0.315防钛火能力 0.333 0.333 0.077 0.333 0.346 0.285转子稳定性 0.333 0.296 0.692 0.333 0.346 0.400

利用算术平均法,对专家评估结果进行综合计算,求得各下层指标相对固有能力a3的重要度系数。

重要度系数 各专家W� W�进出口压力 �χ 0.121 0.155 0.024 0.133 0.141 0.115绝热效率 χ�� 0.136 0.121 0.220 0.089 0.127 0.138压比 χ�� 0.121 0.155 0.220 0.133 0.141 0.154空气流量 χ�� 0.121 0.138 0.195 0.133 0.127 0.143干质量 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引气要求 χ�� 0.121 0.103 0.049 0.111 0.127 0.102

3.1.7 综合求得系统效能模型

通过专家评估的算术平均值得到下层指标对上一层的重要度系数,可进一步求得可信性底层指标相对可信性的重要度系数,如下所示：

重要度系数 W14� W1� W�防湿热霉菌能力 χ� 0.499 0.126防冰能力 χ� 0.501 0.253 0.127重要度系数 W11� W1� W�包容能力 �χ 0.315 0.085防钛火能力 χ� 0.285 0.077转子稳定性 �χ 0.400 0.269 0.108� 重要度系数 W12� W1� W�压气机设计寿命 �χ 1 0.237 0.237� 重要度系数 W13� W1� W�压气机性能稳定性 �χ 0.540 0.130制造成熟度 χ� 0.460 0.241 0.111�

综合可用性模型,可信性、固有能力指标系数,同时考虑各指标对系统效能的影响方向（其中干质量对效能为负影响,其他指标为正影响）,得到压气机效能评估模型为：

其中

3.2 燃烧室效能模型建立

采用相同方法,选择固有可用度a1表示燃烧室的可用性,通过专家评估的算术平均值,得到燃烧室可信性a2、固有能力a3各底层指标的重要度系数,如下所示：

重要 度 系 数 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 系数 W 12� W1� W�燃烧室设计寿命χ� 1 0.247 0.247� 重 要 度 系 数 W1 3� W 1� W �燃烧室性能稳定性χ� 0.553 0.123制造成熟度χ� 0.447 0.222 0.099� 重要 度系 数 W14� W1 � W�防湿热霉菌能力χ� 0.369 0.088耐高温能力χ� 0.631 0.239 0.151�重 要 度 系 数 W �进出口压力χ� 0.097燃烧效率χ� 0.138总压损失χ�� 0.150燃油流量χ�� 0.136起动特性χ�� 0.187干 质量χ�� 0.114温 度场χ�� 0.179

其中总压损失、干质量对效能为负影响,其他指标为正影响,得到燃烧室效能评估模型为：

其中

3.3 涡轮效能评估模型建立

同样的,选择固有可用度a1表示涡轮的可用性,通过专家评估的算术平均值,得到涡轮可信性a2、固有能力a3各底层指标的重要度系数,如下所示：

重要度 系数 W11� W1� W�包容能力 �χ 0.475 0.152防断轴能力χ� 0.525 0.319 0.168� 重要度系数 W12� W1� W�涡轮设计寿命 χ� 1 0.249 0.249� 重 要 度 系 数 W13 � W1� W �涡轮性能稳定性χ� 0.541 0.116制造成熟度 χ� 0.459 0.214 0.098� 重 要 度 系 数 W14 � W1 � W�防湿热霉菌能力χ� 0.414 0.090耐高温能力χ� 0.586 0.218 0.128�重要度系数 W�进出口温度χ� 0.129进出口压力χ� 0.129绝热效率χ�� 0.160膨胀比χ�� 0.167燃气流量χ�� 0.143功 率χ�� 0.156干 质 量χ�� 0.115

其中干质量对效能为负影响,其他指标为正影响,得到涡轮效能评估模型为：

其中

4 总结

上述建立的民用涡轴发动机部件效能评估模型,是进行效费权衡分析的基础。建立的效能评估模型,也可以脱离效费权衡模型单独使用,用来评估目标型号的效能水平。在进行目标型号效能评估时,需要选择一个基准型号。通过计算目标型号与基准型号的效能的相对值,来确定目标型号的效能水平。具体计算方法如下：

E相对=E目标/E基准为目标型号各参数值与基准型号各参数值的比值,代入效能评估模型进行计算。因此,在计算过程中,需要保证目标型号各参数值与基准型号各参数值的计量单位统一。在数据不足时,若其中一型型号缺项,默认为两型型号取值相同,进行缺项填充；两型型号都缺项的数据,同时取值为1,进行缺项填充。

若E相对＞1,则目标机型比基准机型效能水平更高,若E相对＜1,则目标机型比基准机型效能水平更低,若E相对=1,则证明目标机型比基准机型效能水平相当。该效能评估模型充分考虑了国内民用涡轴发动机研制实际情况,具有较强的可操作性。

5 结论

本文基于WSEIAC 系统效能模型,对民用涡轴发动机三大典型部件的效能指标进行分解,形成了压气机、燃烧室、涡轮部件的效能指标体系。通过调研民用涡轴发动机总研、总承制单位,并邀请行业内20 余位专家对各效能指标进行重要度评估,得到各效能指标的权重系数,从而分别得到压气机、燃烧室、涡轮部件的效能评估模型,为航空发动机的部件效能评估提供参考。