侯漢莉，熊艷華，羅安棟，周瑩艫，王增

（中國燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500）

基于六西格瑪設(shè)計的高壓渦輪機(jī)匣優(yōu)化設(shè)計

侯漢莉，熊艷華，羅安棟，周瑩艫，王增

（中國燃?xì)鉁u輪研究院，成都610500）

結(jié)合航空發(fā)動機(jī)高壓渦輪機(jī)匣優(yōu)化設(shè)計綠帶項(xiàng)目，通過對高壓渦輪機(jī)匣結(jié)構(gòu)因素的優(yōu)化，改善了轉(zhuǎn)子與靜子間的熱匹配特性，保證了該型渦輪小葉尖間隙設(shè)計，闡述了六西格瑪設(shè)計的方法和工具在航空發(fā)動機(jī)預(yù)先研究中的運(yùn)用。通過應(yīng)用客戶需求分析、產(chǎn)品質(zhì)量屋模型和試驗(yàn)設(shè)計分析等，確定了機(jī)匣的關(guān)鍵設(shè)計因子和傳遞函數(shù)，并通過仿真計算表明設(shè)計滿足產(chǎn)品使用要求。采用的方法具有通用性，對航空發(fā)動機(jī)同類產(chǎn)品的六西格瑪設(shè)計具有一定的指導(dǎo)作用。

高壓渦輪機(jī)匣；六西格瑪設(shè)計；需求分析；關(guān)鍵質(zhì)量特性；質(zhì)量屋模型；實(shí)驗(yàn)設(shè)計；設(shè)計因子；葉尖間隙

1　引言

六西格瑪設(shè)計是一種支持新產(chǎn)品、服務(wù)和流程的開發(fā)與引進(jìn)工具［1-2］，其運(yùn)用科學(xué)的方法，準(zhǔn)確理解和把握顧客需求，采用統(tǒng)計方法量化系統(tǒng)性能與相關(guān)設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系，把關(guān)鍵顧客需求設(shè)計到產(chǎn)品中，使產(chǎn)品在低成本下實(shí)現(xiàn)六西格瑪質(zhì)量水平。六西格瑪設(shè)計在實(shí)現(xiàn)提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的同時，還能降低成本和縮短開發(fā)周期，具有很高的使用價值。GE公司在六西格瑪設(shè)計上取得了卓越的成績，目前中航工業(yè)在推廣六西格瑪設(shè)計上也取得了一定的成果，在民用航空領(lǐng)域同樣得到了一定的應(yīng)用［3］。

某型發(fā)動機(jī)高壓渦輪部件中，由于機(jī)匣與轉(zhuǎn)子的熱響應(yīng)特性不匹配，無法保證設(shè)計狀態(tài)小葉尖間隙工作要求，導(dǎo)致渦輪部件性能降低，需進(jìn)行優(yōu)化?，F(xiàn)有研究表明，合理的間隙控制對發(fā)動機(jī)的效率與安全性有著十分重要的影響，減小渦輪轉(zhuǎn)子與靜子件之間的徑向間隙是改善發(fā)動機(jī)性能的一個重要技術(shù)措施［4-8］。因此，在該高壓渦輪部件優(yōu)化設(shè)計中，需采用具備徑向間隙控制功能的渦輪機(jī)匣，以改善高壓渦輪部件設(shè)計狀態(tài)下的工作特性。

本文基于六西格瑪設(shè)計的綠帶項(xiàng)目，在某航空發(fā)動機(jī)高壓渦輪機(jī)匣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，通過運(yùn)用六西格瑪設(shè)計方法，找出關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，設(shè)定合適尺寸，優(yōu)化機(jī)匣徑向間隙控制，解決其熱響應(yīng)不匹配的問題，保證設(shè)計狀態(tài)小葉尖間隙工作要求，使渦輪部件性能滿足設(shè)計要求。

2　基于六西格瑪設(shè)計的設(shè)計過程

以機(jī)匣設(shè)計體系流程為依據(jù)，確定綠帶項(xiàng)目所需人力資源，建立多功能團(tuán)隊（DFSS-CFT）。成員涵蓋渦輪設(shè)計、強(qiáng)度、熱分析、空氣系統(tǒng)、材料、“六性”、質(zhì)量管理、科研生產(chǎn)管理等多個專業(yè)，從行政領(lǐng)導(dǎo)、協(xié)同設(shè)計、質(zhì)量管理、科研管理等方面提供全面保障，確保項(xiàng)目順利推進(jìn)，并最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計目標(biāo)。

在六西格瑪設(shè)計的產(chǎn)品開發(fā)過程中，通過基于質(zhì)量功能展開（QFD）需求分解的FLOW DOWN、基于關(guān)鍵質(zhì)量（CTQ）特性展開的FLOW UP，以及對應(yīng)的分析方法和工具，對渦輪機(jī)匣進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)性能設(shè)計目標(biāo)。技術(shù)路徑如圖1所示。

圖1　基于六西格瑪設(shè)計的技術(shù)路徑Fig.1 Technology map of design for six sigma

在技術(shù)路徑中，按照需求分析、目標(biāo)確定、概念設(shè)計、架構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、參數(shù)優(yōu)化、設(shè)計驗(yàn)證等步驟，運(yùn)用親和圖、需求樹、概念選擇矩陣（PUGH）、QFD、系統(tǒng)邊界圖、實(shí)驗(yàn)設(shè)計（DOE）等工具方法開展工作。

2.1識別（Identify）

識別階段運(yùn)用需求樹和質(zhì)量屋工具來確定技術(shù)要求。在顧客需求識別階段，從上級系統(tǒng)、下游客戶、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、約束四個方面識別出9個顧客，并由多功能團(tuán)隊根據(jù)渦輪部件研制涉及范疇確定其重要度。其中，渦輪設(shè)計部門作為上級系統(tǒng)客戶的重要度為5，加工制造部門、計量檢驗(yàn)部門、裝配部門和試驗(yàn)部門作為下游客戶的重要度為3，通用技術(shù)部門和質(zhì)量管理部門作為規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)類客戶的重要度為2，科研管理部門作為約束類客戶的重要度為1。

通過產(chǎn)品協(xié)議書任務(wù)分解、訪談等方式收集VOC（顧客之聲），共收集38項(xiàng)顧客需求，親和后歸納為8類，生成需求樹。針對顧客需求，專家及多功能團(tuán)隊成員提出25項(xiàng)滿足顧客需求的技術(shù)要求，并根據(jù)項(xiàng)目改進(jìn)設(shè)計目標(biāo)，通過質(zhì)量屋工具確定重要設(shè)計指標(biāo)和設(shè)計約束，生成設(shè)計質(zhì)量表（表1）。

表1　設(shè)計質(zhì)量表Table 1 Table of design quality

2.2概念（Concept）

2.2.1概念設(shè)計

基于現(xiàn)有渦輪機(jī)匣組件的設(shè)計目的、工作環(huán)境，對渦輪機(jī)匣組件及其下屬零件的功能進(jìn)行定義、分析，形成渦輪機(jī)匣功能系統(tǒng)圖（圖2），明確各功能之間的獨(dú)立與從屬關(guān)系。

按照DFSS技術(shù)路徑，運(yùn)用QFDII識別出保持冷熱態(tài)定心、產(chǎn)生徑向變形、連接燃燒室機(jī)匣、連接后承力機(jī)匣4項(xiàng)重要功能，并將渦輪機(jī)匣組件的25項(xiàng)技術(shù)要求轉(zhuǎn)化成對渦輪機(jī)匣組件功能的要求。

根據(jù)識別的重要功能，項(xiàng)目團(tuán)隊通過技術(shù)檢索，參考其他型號發(fā)動機(jī)的設(shè)計，得到能實(shí)現(xiàn)重要功能的概念碎片，生成12種初步方案。在咨詢專家、多功能團(tuán)隊成員技術(shù)討論后，綜合設(shè)計與制造的繼承性、技術(shù)成熟度、項(xiàng)目進(jìn)度等因素，優(yōu)選出設(shè)計方案（圖3），由此確定設(shè)計質(zhì)量表中的2項(xiàng)需要優(yōu)化的設(shè)計指標(biāo)“Y3”和“Y6”。

2.2.2架構(gòu)設(shè)計

依據(jù)優(yōu)選方案，將渦輪機(jī)匣組件劃分成2層的結(jié)構(gòu)層次，逐一分析渦輪機(jī)匣組件及其下屬零件的使用功能與架構(gòu)設(shè)計之間的對應(yīng)關(guān)系，繪制功能系統(tǒng)與架構(gòu)的映射關(guān)系（圖4）。

圖2　渦輪機(jī)匣的功能圖Fig.2 Functions of turbine casing

圖3　優(yōu)選方案的結(jié)構(gòu)形式Fig.3 Structure of casing

圖4　功能系統(tǒng)與架構(gòu)的映射關(guān)系圖Fig.4 Relationship mapping between functional system and architecture

根據(jù)渦輪機(jī)匣組件的使用功能及結(jié)構(gòu)層次，確定渦輪機(jī)匣組件在發(fā)動機(jī)上的系統(tǒng)邊界。如圖5所示，包含了物理連接方式、載荷傳遞及冷氣流路等邊界。通過運(yùn)用QFDIII，識別出低壓渦輪機(jī)匣為重要結(jié)構(gòu)零件。

對重要結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行故障模式影響及危害度分析（FMECA），進(jìn)行渦輪機(jī)匣“高能碎片不包容為頂事件”的功能故障樹分析（FTA）。通過初步可靠性分析，尋找渦輪機(jī)匣設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)，明確改進(jìn)應(yīng)滿足設(shè)計要求，根據(jù)六性設(shè)計提出渦輪機(jī)匣六性設(shè)計準(zhǔn)則。

根據(jù)QFDIII、初步可靠性分析以及設(shè)計準(zhǔn)則要求，完成渦輪機(jī)匣的子系統(tǒng)劃分，如圖6所示，明確各子系統(tǒng)的功能以及子系統(tǒng)的傳遞關(guān)系。

2.3設(shè)計（Design）

基于系統(tǒng)邊界的劃分方案，利用集成計算器輔助制造（IDEF）建立基于功能傳遞的模型，識別出每個子系統(tǒng)的控制參數(shù)和噪聲變量，生成設(shè)計參數(shù)表。利用QFDIV，識別出與重要功能要求、設(shè)計約束、可靠性及FTA分析強(qiáng)相關(guān)的重要設(shè)計參數(shù)（表2）。將對結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求轉(zhuǎn)化為設(shè)計參數(shù)進(jìn)行界定，并根據(jù)渦輪部件工況明確參數(shù)的取值范圍。

2.4優(yōu)化（Optimize）

2.4.1實(shí)驗(yàn)實(shí)施

利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計（DOE）優(yōu)化設(shè)計階段識別出的重要設(shè)計參數(shù)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計的技術(shù)路線如圖7所示。葉尖間隙為響應(yīng)因子，最大等效應(yīng)力為約束因子，主燃?xì)饬魍娣e、外環(huán)接觸長度、沖擊孔面積（數(shù)量和直徑）為優(yōu)化因子，采用23全因子實(shí)驗(yàn)，對3個重要設(shè)計參數(shù)所有水平組合逐一進(jìn)行仿真計算。

表2　重要設(shè)計參數(shù)識別（QFDIV）Table 2 Identification of important design parameters（QFDIV）

圖5　渦輪機(jī)匣組件的系統(tǒng)邊界圖Fig.5 System boundary diagram of turbine casing

圖6　子系統(tǒng)界面圖Fig.6 Interface chart of subsystem

圖7　實(shí)驗(yàn)設(shè)計的技術(shù)路線Fig.7 Technology map of DOE

2.4.2實(shí)驗(yàn)分析

使用MINITAB軟件，對3個參數(shù)的所有水平組合及計算結(jié)果進(jìn)行方差分析和回歸效果分析，結(jié)果表明：①主效應(yīng)P=0.000＜0.050，說明模型總的效果顯著、有效，2因子交互作用P=0.384＞0.050，說明2階因子交互作用對間隙無顯著影響；②彎曲P= 0.353＞0.050，說明模型無彎曲；③中心點(diǎn)P= 0.353＞0.050，說明中心點(diǎn)效應(yīng)不顯著，應(yīng)取消并優(yōu)化模型。

取消中心點(diǎn)再次進(jìn)行分析，結(jié)果表明：①主效應(yīng)P=0.000＜0.050，說明模型總的效果顯著、有效，2因子交互作用P=0.384＞0.050，說明2階因子交互作用對間隙無顯著影響；②彎曲P=0.353＞0.050，說明模型無彎曲；③擬合因子主燃?xì)饬魍娣e和外環(huán)接觸長度影響顯著，沖擊孔影響不顯著。

取消不顯著的因子沖擊孔面積，進(jìn)一步優(yōu)化模型，結(jié)果如圖8所示。通過計算結(jié)果及圖9～圖11得出：模型總效果顯著，2階因子交互作用不顯著，模型未發(fā)生彎曲，模型改進(jìn)效果明顯。

圖8　MINITAB分析結(jié)果（優(yōu)化模型）Fig.8 Analysis results（optimization model）

圖9　葉尖間隙交互作用圖Fig.9 Interaction of blade tip clearance

2.4.3傳遞函數(shù)構(gòu)建

根據(jù)擬合結(jié)果回歸系數(shù)得到葉尖間隙回歸方程：

葉尖間隙=0.392 0+0.005 4×主流道燃?xì)饬魍娣e+0.006 2×外環(huán)接觸長度

采用響應(yīng)優(yōu)化器進(jìn)行望目優(yōu)化：主流道燃?xì)饬魍娣e為0.024 7 mm2，外環(huán)接觸長度為9.28 mm時，葉尖間隙值為0.45 mm，形成設(shè)計方案。

圖10　葉尖間隙主效應(yīng)圖Fig.10 Main effects of blade tip clearance

圖11　葉尖間隙殘差圖Fig.11 Residual errors of blade tip clearance

2.5驗(yàn)證（Verify）

2.5.1仿真驗(yàn)證

選取發(fā)動機(jī)最大熱負(fù)荷和最大氣動負(fù)荷工況，采用ANSYS軟件對渦輪機(jī)匣組件葉尖間隙進(jìn)行計算校核，結(jié)果為：葉尖間隙在設(shè)計狀態(tài)為0.45 mm，在最大氣動負(fù)荷狀態(tài)為0.26 mm，在最大熱負(fù)荷狀態(tài)為0.30 mm，滿足設(shè)計目標(biāo)。

2.5.2試驗(yàn)驗(yàn)證方案

根據(jù)渦輪部件設(shè)計預(yù)先研究的試驗(yàn)情況，可對以下3項(xiàng)試驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證：

（1）在試驗(yàn)臺上進(jìn)行機(jī)匣加溫試驗(yàn)，測量機(jī)匣溫度和關(guān)鍵點(diǎn)位移；

（2）在渦輪部件級性能試驗(yàn)件上進(jìn)行機(jī)匣溫度和葉尖間隙測量；

（3）在整機(jī)試驗(yàn)中進(jìn)行機(jī)匣溫度和葉尖間隙測量。

3　結(jié)束語

運(yùn)用六西格瑪設(shè)計方法，對高壓渦輪機(jī)匣進(jìn)行參考文獻(xiàn)：

優(yōu)化設(shè)計，識別出主燃?xì)饬魍娣e、外環(huán)接觸長度、沖擊孔面積（數(shù)量和直徑）三個優(yōu)化因子。通過影響分析，確定了機(jī)匣的關(guān)鍵設(shè)計因子和傳遞函數(shù)，并通過數(shù)值仿真表明達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。相比于傳統(tǒng)設(shè)計方法，六西格瑪設(shè)計方法的整個設(shè)計過程具有較強(qiáng)的可追溯性，有助于提高設(shè)計質(zhì)量、減小技術(shù)風(fēng)險、縮短研發(fā)周期和降低研制成本。此外，本文闡述的方法具有通用性，對于在航空發(fā)動機(jī)預(yù)先研究中應(yīng)用六西格瑪設(shè)計方法具有一定的指導(dǎo)作用。

［1］伯特爾斯.六西格瑪領(lǐng)導(dǎo)手冊［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013：2，191.

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［3］黃東亮，戴蘇榕，張霄曄.六西格瑪設(shè)計（DFSS）在民用航空電子產(chǎn)品的應(yīng)用和實(shí)踐［J］.航空電子技術(shù)，2014，45（4）：51—54.

［4］《航空渦噴、渦扇發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則》編委會.航空渦噴、渦扇發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則［K］.北京：中國航空工業(yè)總公司發(fā)動機(jī)系統(tǒng)工程局，1997：320—321.

［5］張清，郝勇，霍楓，等.民用大涵道比發(fā)動機(jī)葉尖間隙控制結(jié)構(gòu)設(shè)計分析［J］.沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報，2014，31（2）：14—19.

［6］陳光，洪杰，馬艷紅.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：135—136，308—309.

［7］Lattime S B，Steinetz B M.Turbine engine clearance control systems：current practices and future directions［R］. AIAA 2002-3790，2002.

［8］航空航天工業(yè)部高效節(jié)能發(fā)動機(jī)文集編委會.高效節(jié)能發(fā)動機(jī)文集：第五分冊——渦輪設(shè)計和試驗(yàn)［M］.北京：航空工業(yè)出版社，1991.

Optimization of high pressure turbine casing based on design for six sigma

HOU Han-li，XIONG Yan-hua，LUO An-dong，ZHOU Ying-lu，WANG Zeng
（China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China）

Combined with greenbelt project of aero-engine HP turbine casing optimization design，thermal match characteristics between rotor and stator was improved through optimization of high pressure turbine casing structure to ensure the small blade tip clearance，and the application of six sigma design methods and tools in aero-engine R&D before advanced development was introduced.The critical design factors and transfer functions were determined through several steps:the customers'requirement analysis，the quality house model and the design of experiment.The requirement of the design for the product was satisfied with simulation tools.The method used is universal and helpful for the similar design for six sigma application.

high pressure turbine casing；design for six sigma（DFSS）；requirement analysis；critical to quality（CTQ）；quality house model；design of experiment（DOE）；design factor；blade tip clearance

V232.6

A

1672-2620（2015）04-0036-05

2015-05-05；

2015-08-17

侯漢莉（1982-），女，湖北大冶人，高級工程師，主要從事航空發(fā)動機(jī)渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計。