馬為峰, 彭 博, 高愛(ài)軍, 雷云龍, 韓新波, 路 駿

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魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系初探

馬為峰, 彭 博, 高愛(ài)軍, 雷云龍, 韓新波, 路 駿

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第 705 研究所, 陜西 西安, 710075)

為了更好的對(duì)魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià), 且能夠?qū)ν幌到y(tǒng)的不同方案進(jìn)行比較, 在借鑒國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)指標(biāo)體系構(gòu)建的基礎(chǔ)上, 提出了用于評(píng)價(jià)魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)的指標(biāo)體系, 采用關(guān)聯(lián)矩陣法, 并考慮各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù), 獲得了各方案有關(guān)指標(biāo)的評(píng)價(jià)值, 探索了系統(tǒng)多目標(biāo)量化評(píng)價(jià)方法。構(gòu)建的指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法可用于魚(yú)雷不同能源動(dòng)力系統(tǒng)的對(duì)比、同一能源動(dòng)力系統(tǒng)的改進(jìn), 還可反映能源動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展方向, 為新型能源動(dòng)力系統(tǒng)選型決策提供技術(shù)支撐。

魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng); 指標(biāo)體系; 多目標(biāo)量化; 性能評(píng)價(jià)

0 引言

目前, 魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)主要采用OTTO-II燃料活塞機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、HAP三組元燃?xì)鉁u輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、Li/SF6汽輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、水反應(yīng)金屬燃料噴射推進(jìn)系統(tǒng)、氫氧閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)及熱電聯(lián)合動(dòng)力系統(tǒng)等。這些熱動(dòng)力系統(tǒng)各具特色, 并在發(fā)展中出現(xiàn)了不同的方案。如何對(duì)過(guò)去發(fā)展的、現(xiàn)役的和未來(lái)可能出現(xiàn)的熱動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià), 如何對(duì)同一系統(tǒng)的不同方案進(jìn)行比較, 如何對(duì)不同階段方案的優(yōu)化程度進(jìn)行評(píng)價(jià), 建立統(tǒng)一的熱動(dòng)力系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系就顯得尤為重要。

目前尚無(wú)魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)指標(biāo)體系, 更談不上全面。本文在歸納總結(jié)國(guó)內(nèi)魚(yú)雷熱動(dòng)力研制開(kāi)發(fā)情況的基礎(chǔ)上, 借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)行業(yè)指標(biāo)體系構(gòu)建的經(jīng)驗(yàn), 提出了用于評(píng)價(jià)魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)的指標(biāo)體系, 探索了評(píng)價(jià)不同能源動(dòng)力系統(tǒng)的方法。

1 確定指標(biāo)體系原則

系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是由多個(gè)相互聯(lián)系、相互作用的評(píng)價(jià)指標(biāo), 按照一定的層次結(jié)構(gòu)組成的有機(jī)整體, 包含定性指標(biāo)和定量指標(biāo)2個(gè)方面, 其中, 定性指標(biāo)是基礎(chǔ), 定量指標(biāo)是提高。

指標(biāo)體系的確定并非指標(biāo)越多越好, 關(guān)鍵在于指標(biāo)在評(píng)價(jià)中所起的作用[1-2]。建立魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系除了應(yīng)遵循科學(xué)性、完備性、可測(cè)性等一般評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立的基本原則外,還需考慮到魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)從方案設(shè)計(jì)到生產(chǎn),從交付使用到維護(hù)保障的全壽命周期的一系列活動(dòng), 故在建立其評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí), 還應(yīng)遵循以下原則。

1) 突出系統(tǒng)性。從系統(tǒng)的高度統(tǒng)籌考慮, 以構(gòu)成一個(gè)完整的體系為目標(biāo), 從不同的角度來(lái)描述評(píng)價(jià)對(duì)象的性能特征。

2) 定性與定量相結(jié)合。根據(jù)魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)的性能特點(diǎn), 確定指標(biāo)時(shí)既包括定量指標(biāo), 也包括定性指標(biāo)。

3) 道德全壽命周期原則。魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)貫徹“全系統(tǒng)全壽命周期”管理的思想, 不僅考慮設(shè)計(jì)工作本身, 而且要考慮系統(tǒng)在今后使用過(guò)程中的可靠性、維修性等六性問(wèn)題。

2 魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)須在空間和外形嚴(yán)格受限的條件下, 克服水下阻力、不同深度背壓影響實(shí)現(xiàn)多速制的動(dòng)力推進(jìn)?，F(xiàn)代潛艇航深達(dá)1000m以上, 這就要求魚(yú)雷動(dòng)力系統(tǒng)保證高效率和輸出功率不隨航深變化。為了有效攻擊目標(biāo), 魚(yú)雷需要低速搜索目標(biāo), 鎖定目標(biāo)后高速攻擊, 這就要求魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)具有不同的速制。因此, 應(yīng)將魚(yú)雷口徑、工作深度、速制作為熱動(dòng)力系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)須在隨艦艇戰(zhàn)備值班中確保長(zhǎng)期儲(chǔ)存安全。為保證發(fā)射平臺(tái)的安全, 需要提高魚(yú)雷攻擊隱蔽性, 這就要求盡量減小魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲。魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)須在水下推進(jìn)過(guò)程中盡可能不排出尾氣, 避免產(chǎn)生航跡和排氣噪聲。因此, 應(yīng)將魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)的安全性、振動(dòng)噪聲、航跡系數(shù)作為其性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)須攜帶一定量的能源實(shí)現(xiàn)不同功率輸出, 以滿足魚(yú)雷航速和航程指標(biāo), 這就需要魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)在輸出設(shè)定的有效功率或達(dá)到設(shè)定比沖的前提下, 在小尺度空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)能源動(dòng)力系統(tǒng)高比能量和大比功率。因此, 應(yīng)將能源動(dòng)力系統(tǒng)比能量、動(dòng)力系統(tǒng)比功率、輸出有效功率、比沖、燃料比耗量作為魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

在評(píng)估能源動(dòng)力系統(tǒng)性能時(shí), 必須考慮相關(guān)的經(jīng)濟(jì)性性能指標(biāo)。歷史經(jīng)驗(yàn)表明, 單純地追求系統(tǒng)的技戰(zhàn)術(shù)性能而忽視費(fèi)用, 可能會(huì)導(dǎo)致研制費(fèi)大大超出預(yù)算, 并且在使用過(guò)程中使保障費(fèi)用支出過(guò)高。因此, 應(yīng)將魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)的全壽命周期費(fèi)用作為熱動(dòng)力系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)啟動(dòng)或變工況時(shí), 發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速都要發(fā)生變化, 最后趨于原值或新穩(wěn)態(tài)值。因此魚(yú)雷能源動(dòng)力系統(tǒng)的變工況過(guò)程可分為2個(gè)階段, 前一階段是轉(zhuǎn)速處于變化狀態(tài)的過(guò)渡過(guò)程, 它反映系統(tǒng)的動(dòng)特性; 后一階段是轉(zhuǎn)速處于某一穩(wěn)態(tài)值的靜態(tài)過(guò)程, 它反映系統(tǒng)的靜特性。因此應(yīng)將魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、過(guò)渡過(guò)程時(shí)間、超調(diào)量、靜差作為其性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn), 綜合考慮系統(tǒng)熱力性能、經(jīng)濟(jì)性能等方面, 按照系統(tǒng)及其重要組成部分建立了熱動(dòng)力系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 如圖1所示。

在魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中, 魚(yú)雷口徑是約束條件, 有效功率、轉(zhuǎn)速、工作深度、工作時(shí)間、速制、比沖、航跡系數(shù)、全壽命周期費(fèi)用等是反映動(dòng)力系統(tǒng)性能的“量”的參數(shù), 燃料比耗量、動(dòng)力系統(tǒng)比功率、能源動(dòng)力系統(tǒng)比能量、動(dòng)力系統(tǒng)振動(dòng)噪聲、系統(tǒng)動(dòng)靜特性、六性等屬于反映動(dòng)力系統(tǒng)性能的“質(zhì)”的參數(shù)。

2.1 魚(yú)雷口徑

按研制需求和技術(shù)基礎(chǔ), 魚(yú)雷既有533mm, 324 mm這樣相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的口徑, 也存在400 mm, 450mm, 650 mm這樣滿足特定需求的口徑。不同的魚(yú)雷口徑使熱動(dòng)力系統(tǒng)可利用的空間尺寸不同, 研制的難度也就有很大差別。

2.2 有效功率

有效功率定義為魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)主軸的輸出功率, 可由測(cè)功器測(cè)出。

圖1 魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.3 轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速是魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)的輸出變量之一, 也是魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)閉環(huán)控制的被控量。在負(fù)載和性能參數(shù)發(fā)生變化時(shí), 轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生較大偏差。轉(zhuǎn)速可由測(cè)功器的轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x測(cè)量。

2.4 工作深度

魚(yú)雷的工作深度即航深, 與熱動(dòng)力系統(tǒng)的循環(huán)方式相關(guān)。閉式與半閉式循環(huán)的動(dòng)力系統(tǒng)工作不受或基本不受工作深度的影響, 而開(kāi)式循環(huán)的動(dòng)力系統(tǒng)在工作深度變化時(shí), 發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和系統(tǒng)效率會(huì)發(fā)生很大變化。

2.5 工作時(shí)間

工作時(shí)間可以直接反映魚(yú)雷航程的大小?？捎晒β试囼?yàn)或?qū)嵑皆囼?yàn)獲得。

2.6 速制

魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)多種速制之間的轉(zhuǎn)換對(duì)調(diào)速方法、控制閥件、燃燒室和發(fā)動(dòng)機(jī)等提出了很高要求[3]。國(guó)外先進(jìn)的動(dòng)力系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)換速。

2.7 比沖

比沖指單位質(zhì)量的推進(jìn)劑產(chǎn)生單位推力所需的時(shí)間, 也可以定義為單位質(zhì)量的推進(jìn)劑產(chǎn)生的沖量[4]。比沖可通過(guò)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)熱車試驗(yàn)的推力-時(shí)間曲線計(jì)算獲得。

2.8 航跡系數(shù)

魚(yú)雷航跡實(shí)際上是由魚(yú)雷能源的燃燒產(chǎn)物中不溶解于水的氣體組分升出水面形成的, 可降低魚(yú)雷攻擊的隱蔽性和命中率, 對(duì)魚(yú)雷發(fā)射平臺(tái)的隱蔽性也會(huì)造成不利影響。衡量能源動(dòng)力系統(tǒng)有無(wú)排放可用航跡系數(shù)來(lái)表示。其定義為能源燃燒產(chǎn)物中不溶解的或很難溶解于水的氣體容積之和與各氣體總?cè)莘e之比。各氣體成分的容積可通過(guò)燃燒室熱力計(jì)算求得[5]。

2.9 全壽命周期費(fèi)用

系統(tǒng)全壽命周期費(fèi)用是一種衡量系統(tǒng)總費(fèi)用和經(jīng)濟(jì)性的綜合參數(shù), 它考慮的是系統(tǒng)全過(guò)程的費(fèi)用, 是在總體上度量系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益的主要指標(biāo), 包括裝備論證與研制費(fèi)、裝備購(gòu)置費(fèi)、使用與保障費(fèi)以及退役與處置費(fèi)。

2.10 燃料比耗量

燃料比耗量為動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)出單位有效功率所需的推進(jìn)劑耗量, 可以綜合評(píng)價(jià)熱動(dòng)力魚(yú)雷的推進(jìn)劑能量特性和發(fā)動(dòng)機(jī)熱功轉(zhuǎn)換有效性, 計(jì)算公式為

2.11 動(dòng)力系統(tǒng)比功率

動(dòng)力系統(tǒng)比功率指動(dòng)力系統(tǒng)單位質(zhì)量提供給推進(jìn)器的有效功率, 計(jì)算公式為

2.12 能源動(dòng)力系統(tǒng)比能量

能源動(dòng)力系統(tǒng)比能量指能源動(dòng)力系統(tǒng)單位質(zhì)量提供給推進(jìn)器的能量[3], 計(jì)算公式為

比能量既和能源能量密度、理化特性、能量轉(zhuǎn)換方式和熱動(dòng)力系統(tǒng)效率有關(guān), 也和設(shè)計(jì)水平有關(guān), 是反映動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)好壞的質(zhì)的指標(biāo)。

2.13 動(dòng)力系統(tǒng)振動(dòng)噪聲

魚(yú)雷動(dòng)力系統(tǒng)振動(dòng)的頻帶從幾十赫茲到幾千赫茲, 振動(dòng)加速度信號(hào)能夠全面反應(yīng)被測(cè)對(duì)象的振動(dòng)信息。因此, 動(dòng)力系統(tǒng)振動(dòng)水平用振動(dòng)加速度級(jí)評(píng)價(jià)

2.14 系統(tǒng)變工況特性

系統(tǒng)變工況特性分為系統(tǒng)動(dòng)特性和系統(tǒng)靜特性。動(dòng)特性采用過(guò)渡過(guò)程時(shí)間和超調(diào)量來(lái)表征, 靜特性采用靜差來(lái)表征[5-6]。

1) 過(guò)渡過(guò)程時(shí)間

過(guò)渡過(guò)程時(shí)間是實(shí)際轉(zhuǎn)速與穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之間的相對(duì)誤差開(kāi)始小于允許值的時(shí)間[5-6]。

過(guò)渡過(guò)程包括魚(yú)雷動(dòng)力系統(tǒng)的啟動(dòng)、變速、變深等工況。過(guò)渡過(guò)程時(shí)間用來(lái)描述動(dòng)力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)速度, 即系統(tǒng)能否很快跟隨給定值的變化或很快克服擾動(dòng)的影響, 反映系統(tǒng)恢復(fù)原值或跟隨給定值的速度。

2) 超調(diào)量

超調(diào)量為過(guò)渡過(guò)程中最高轉(zhuǎn)速超過(guò)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的最大相對(duì)量[5-6]。

超調(diào)量是一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)響應(yīng)振蕩特性的度量, 反映動(dòng)力調(diào)節(jié)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中超調(diào)的大小。

3) 靜差

靜差指在系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束之后, 被調(diào)量恢復(fù)原值的精度, 是完全恢復(fù)原值或跟隨給定值, 還是存在一定的誤差[5]。

靜差用來(lái)表示系統(tǒng)靜特性的好壞。對(duì)于轉(zhuǎn)速要求為恒值的系統(tǒng)來(lái)說(shuō), 它是調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束后的實(shí)際轉(zhuǎn)速偏離要求值的大小。

2.15 六性

在魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)研制和定型生產(chǎn)過(guò)程中, 可靠性、測(cè)試性、維修性、保障性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性(簡(jiǎn)稱“六性”)是衡量魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)壽命、工作可靠度的標(biāo)準(zhǔn)[7]。

3 系統(tǒng)多目標(biāo)量化評(píng)價(jià)

針對(duì)魚(yú)雷熱動(dòng)力評(píng)價(jià)系統(tǒng)多目標(biāo)且評(píng)價(jià)指標(biāo)不唯一的特點(diǎn), 采用關(guān)聯(lián)矩陣法進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。

3.1 確定指標(biāo)體系

根據(jù)評(píng)估內(nèi)容的需要, 建立指標(biāo)體系。不同方案的評(píng)估指標(biāo)體系可以不一樣, 劃分的層次也有區(qū)別[8]。

3.2 確定權(quán)重系數(shù)

根據(jù)各個(gè)指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)主體的重要程度分配不同的權(quán)重系數(shù)。權(quán)重系數(shù)可采用兩兩比較、專家征詢等方式來(lái)確定。

3.3 綜合評(píng)估

計(jì)算各方案評(píng)價(jià)值的加權(quán)和, 評(píng)價(jià)值加權(quán)和最大的方案即為最優(yōu)方案[9]。

魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)示例如表1所示。

表1 魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)示例

熱動(dòng)力系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系具有可擴(kuò)展性, 可根據(jù)不同的能源動(dòng)力系統(tǒng)、系統(tǒng)的不同階段和研究的重點(diǎn)進(jìn)行二次選擇。在特定情況下可以選取其中的一項(xiàng)或幾項(xiàng)指標(biāo)對(duì)不同動(dòng)力系統(tǒng)或同一系統(tǒng)的不同方案進(jìn)行比較。如采用能源動(dòng)力系統(tǒng)比能量、動(dòng)力系統(tǒng)比功率、航深對(duì)不同熱動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行的比較如圖2所示。圖中, 歸一化比能量和歸一化比功率是以MK-48/4能源動(dòng)力系統(tǒng)的比能量、比功率為1進(jìn)行歸一的。①表示MK-48/4能源動(dòng)力系統(tǒng); ②表示MK-46能源動(dòng)力系統(tǒng); ③表示重型魚(yú)雷用HAP三組元能源動(dòng)力系統(tǒng); ④表示重型魚(yú)雷用Li/SF6閉式循環(huán)能源動(dòng)力系統(tǒng); ⑤表示重型魚(yú)雷用先進(jìn)型Li/SF6閉式循環(huán)能源動(dòng)力系統(tǒng); ⑥表示輕型魚(yú)雷用先進(jìn)型Li/SF6閉式循環(huán)能源動(dòng)力系統(tǒng); ⑦表示輕型魚(yú)雷用Li/SF6閉式循環(huán)能源動(dòng)力系統(tǒng)。由圖2可得不同能源動(dòng)力系統(tǒng)比能量和比功率的高低, 以及基于同一能源的重型魚(yú)雷能源動(dòng)力系統(tǒng)和輕型魚(yú)雷能源動(dòng)力系統(tǒng)的比能量、比功率的高低。

圖2 不同能源動(dòng)力系統(tǒng)比較

4 結(jié)束語(yǔ)

本文借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)行業(yè)指標(biāo)體系構(gòu)建的經(jīng)驗(yàn), 提出了用于評(píng)價(jià)魚(yú)雷熱動(dòng)力系統(tǒng)的指標(biāo)體系, 探索了多目標(biāo)量化評(píng)價(jià)方法。構(gòu)建的指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法可以對(duì)魚(yú)雷動(dòng)力系統(tǒng)性能進(jìn)行更為科學(xué)、全面的評(píng)估, 為不同能源動(dòng)力系統(tǒng)的對(duì)比、同一能源動(dòng)力系統(tǒng)的改進(jìn)提供參考, 還可反映能源動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展方向, 為新型能源動(dòng)力系統(tǒng)選型決策提供技術(shù)支撐。

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(責(zé)任編輯: 陳 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.

馬為峰(1977-), 男, 碩士, 高工, 主要研究方向?yàn)轸~(yú)雷能源動(dòng)力技術(shù).