胡偉瀚

摘 要：本文對(duì)性能可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)理論進(jìn)行了詳細(xì)的描述，并從結(jié)構(gòu)尺寸偏差、環(huán)境不確定性以及測量不確定性三方面對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動(dòng)機(jī);性能可靠性

航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能可靠性是指發(fā)動(dòng)機(jī)在規(guī)定的條件下和規(guī)定的工作時(shí)間內(nèi)，其性能參數(shù)滿足規(guī)定指標(biāo)要求的能力。對(duì)于新機(jī)來說，可用性能可靠度來度量該航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的程度。

本文僅對(duì)設(shè)計(jì)、制造因素引起的新機(jī)性能可靠性問題進(jìn)行探討。

1 性能可靠性理論

性能可靠性的概念始于上世紀(jì)60年代，卡曼科學(xué)公司（Kaman Science Corporation）研究基于系統(tǒng)功能關(guān)系的可靠性建模和分析方法——GO方法，并成功用于核反應(yīng)堆的可靠性分析，這是性能可靠性思想最初的研究成果。進(jìn)入80年代后，性能可靠性設(shè)計(jì)理論逐步成為可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)中的熱點(diǎn)，針對(duì)不同的領(lǐng)域出現(xiàn)了多種研究思想和方法，這些有益的研究工作逐步導(dǎo)出了性能可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)的研究思路。

1.1 綜合可靠性分析工具（IRAT）的研究

綜合可靠性分析工具IRAT（Integrated Reliability Analysis Tool）是以色列飛機(jī)工業(yè)公司研制的一個(gè)可靠性、維修性分析綜合工具，主要思想是充分利用各專業(yè)已有的CAE/CAD工具來支持可靠性、維修性的設(shè)計(jì)分析工具。

與其他工具相比，它的最大特色是采用了新穎的功能分析技術(shù)FAT（Function Analysis Technique），實(shí)現(xiàn)了專業(yè)設(shè)計(jì)與可靠性設(shè)計(jì)工作的良好結(jié)合。

1.2 多狀態(tài)可靠性的研究

在現(xiàn)有的可靠性分析技術(shù)里面，假設(shè)系統(tǒng)和部件只處于兩種狀態(tài)（故障和不故障）中的一種，這二分法假設(shè)有時(shí)是合理的。然而在許多實(shí)際情況下，系統(tǒng)及其部件具有從功能完好到完全故障之間不同的性能水平，若考慮多種狀態(tài)更有利于系統(tǒng)可靠性的評(píng)估。例如，用攝氏度量水的溫度時(shí)，可以用狀態(tài)1，2，…，100來表示水的溫度。

因此，用已有的二元模型描述系統(tǒng)不是很精確，代表多狀態(tài)系統(tǒng)和部件的模型更具有實(shí)際意義。為了充分描述這種退化性能，在可靠性分析領(lǐng)域需要發(fā)展多狀態(tài)系統(tǒng)理論。這是性能退化類型的可靠性問題，本文不對(duì)這類問題做研究。

1.3 性能與可靠性一體化建模分析方法（IPARA）

進(jìn)入21世紀(jì)，國內(nèi)在性能可靠性設(shè)計(jì)理論方面也有了長足進(jìn)步，北航陳云霞以空空導(dǎo)彈的功能可靠性為對(duì)象提出了IPARA（Integrating Performance And Reliability Analysis），填補(bǔ)了國內(nèi)在這一領(lǐng)域的研究空白。

IPARA綜合考慮內(nèi)因（如設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝）與外因（如環(huán)境條件、外部干擾等）兩方面的影響，建立了基于多狀態(tài)結(jié)構(gòu)函數(shù)理論的系統(tǒng)可靠性模型，該模型不需要知道系統(tǒng)的故障率和故障密度函數(shù)，而是通過研究系統(tǒng)產(chǎn)生故障的內(nèi)因和外因的隨機(jī)分布規(guī)律來考察系統(tǒng)的性能可靠性，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

2 航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能可靠性設(shè)計(jì)方法

我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域還未應(yīng)用性能可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能可靠性設(shè)計(jì)方法包括傳統(tǒng)的基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法和基于IPARA兩種?；跀?shù)理統(tǒng)計(jì)的方法是通過統(tǒng)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能分布的情況得到該發(fā)動(dòng)機(jī)性能的可靠程度，但是這種方法有其局限性，它需要大量的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)及外場數(shù)據(jù)作基礎(chǔ)，僅針對(duì)現(xiàn)成的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行性能分布統(tǒng)計(jì)，對(duì)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的性能滿足要求的能力及預(yù)測其性能有一定幫助，這些屬于發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)完成后的工作，并不能指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

通過考察我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制流程，本文建議應(yīng)該采取IPARA對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能可靠性問題進(jìn)行研究，即從內(nèi)外因兩方面的影響來建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能可靠性模型，該方法貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過程，將性能可靠性設(shè)計(jì)到航空發(fā)動(dòng)機(jī)中去。

下面從內(nèi)外兩方面選取幾個(gè)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能可靠性有較大影響的因素進(jìn)行影響分析。

3 航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能可靠性影響因素

3.1 結(jié)構(gòu)尺寸偏差對(duì)性能可靠性的影響

性能可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)需要考慮性能的穩(wěn)定性，而對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)這種多機(jī)械零件的產(chǎn)品來說，想要保持性能的穩(wěn)定，就必須控制每個(gè)零件的尺寸偏差;尤其是對(duì)流道件，葉片尺寸偏離設(shè)計(jì)值、轉(zhuǎn)子葉片與靜子機(jī)匣之間的葉尖間隙分布不穩(wěn)定等都是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件乃至整機(jī)性能穩(wěn)定影響非常大的因素。

Alexander Lange[1]研究發(fā)現(xiàn)加工不穩(wěn)定造成的高壓壓氣機(jī)葉片尺寸偏差對(duì)多極高壓壓氣機(jī)的性能有很大影響;并將高壓壓氣機(jī)葉片型面分成由多個(gè)型面參數(shù)控制，認(rèn)為這些參數(shù)是服從隨機(jī)分布的，為高壓壓氣機(jī)性能可靠性設(shè)計(jì)提供了參考。

Jafarali P[2]對(duì)渦輪葉尖間隙偏差的影響進(jìn)行了研究，認(rèn)為渦輪葉尖間隙大小是服從正態(tài)分布的，對(duì)渦輪葉尖間隙的大小分布進(jìn)行了研究，并相應(yīng)地考察了渦輪性能的變化情況，得到了渦輪性能隨葉尖間隙大小變化的分布情況，為考察渦輪性能可靠性提供了設(shè)計(jì)思路。

為了探索渦輪葉尖間隙在機(jī)動(dòng)飛行下的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，賈丙輝[3]在對(duì)渦輪葉尖間隙的變化機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立了渦輪機(jī)匣和轉(zhuǎn)子葉片的簡化模型，重點(diǎn)研究了轉(zhuǎn)子在飛行器機(jī)動(dòng)飛行情況下的振動(dòng)幅值對(duì)葉尖間隙的影響。

趙旺東[4]通過渦輪試驗(yàn)對(duì)渦輪性能可靠性進(jìn)行了研究，給出了影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪效率穩(wěn)定性的葉尖間隙敏感區(qū)間，對(duì)提高渦輪部件性能可靠性有指導(dǎo)意義。

鄒正平[5]采用數(shù)值模擬結(jié)合整機(jī)試驗(yàn)的方法，研究了葉型偏差對(duì)渦輪氣動(dòng)性能及內(nèi)部非定常流動(dòng)細(xì)節(jié)的影響。

3.2 環(huán)境不確定性對(duì)性能可靠性的影響

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是在假設(shè)環(huán)境包括進(jìn)出口截面壓力、溫度及來流分布均勻程度等穩(wěn)定的條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而實(shí)際工作環(huán)境并不是這樣，實(shí)際環(huán)境條件應(yīng)當(dāng)是處于波動(dòng)狀態(tài)的。所以，有必要考慮環(huán)境不確定性的影響。

劉志友[6]介紹了航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)不確定度控制與改善的需求背景，分析了空氣流量等發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)不確定度的影響因素，重點(diǎn)探討了進(jìn)氣壓力波動(dòng)因素對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)不確定度的影響及其確定方法。

李進(jìn)賢[7]在固沖發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)中，結(jié)合某試驗(yàn)固沖發(fā)動(dòng)機(jī)，采用小偏差方法評(píng)估模擬來流不確定性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，給出了發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)對(duì)模擬來流誤差的敏感系數(shù)和小偏差方法適用的范圍，提出了一套較完整的考慮模擬來流誤差的固沖發(fā)動(dòng)機(jī)性能可靠度計(jì)算方法和固沖發(fā)動(dòng)機(jī)地面直連試驗(yàn)時(shí)總壓總溫調(diào)節(jié)控制精度的數(shù)值計(jì)算方法。

陳云霞[8]采取仿真的手段來分析風(fēng)對(duì)導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)性能可靠性的影響，首先建立風(fēng)的工程化模型并進(jìn)行隨機(jī)化處理形成仿真模型，進(jìn)一步研究風(fēng)對(duì)導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)的影響原理，進(jìn)行導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)模型的改造。

3.3測量不確定性對(duì)性能可靠性的影響

嚴(yán)格來說測量不確定性并不算是性能可靠性的范疇，只是所測量結(jié)果并不是真實(shí)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，但是測量不確定最終將反饋給電腦或者人腦作為判斷航空發(fā)動(dòng)機(jī)工況的指標(biāo)，由此不難發(fā)現(xiàn)，測量可靠性對(duì)于判斷工況的真實(shí)性有著重要意義，也嚴(yán)重影響著所測性能的可靠程度。

施陳波[9]對(duì)mN級(jí)推力架靜態(tài)特性及推力的測量不確定度進(jìn)行了相關(guān)分析，使用砝碼對(duì)推力架進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，得到推力架測量的靈敏度、線性度、滯后性、重復(fù)性、分辨率、穩(wěn)定性，分析了推力測量過程中的影響因素，得到推力測量值的不確定度，確定了推力架靜態(tài)特性是測量不確定度的主要來源，而推進(jìn)劑供給管路帶來的零位漂移則會(huì)使得推力測量值的不確定度有所增加，研究給出了發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車時(shí)測量不確定性的影響分析。

朱子環(huán)[10]對(duì)某型號(hào)大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)推力測量的不確定度進(jìn)行了評(píng)定，研究根據(jù)某型號(hào)大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)推力測量系統(tǒng)的工作原理和組成、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞關(guān)系和系統(tǒng)低溫調(diào)試結(jié)果，確定推力測量系統(tǒng)的不確定度來源，通過進(jìn)一步的誤差分析并應(yīng)用誤差計(jì)算理論對(duì)系統(tǒng)測量不確定度進(jìn)行評(píng)定，得出該系統(tǒng)測量不確定度作為推力測量可靠性依據(jù)。

荊鳳林[11]根據(jù)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測量不確定度的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)“航天工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QJ1275-94”，對(duì)某型固體發(fā)動(dòng)機(jī)推力測量進(jìn)行了不確定度的評(píng)定，并簡述了發(fā)動(dòng)機(jī)推力測量系統(tǒng)工作原理、不確定度來源、不確定度的計(jì)算方法。

4 總結(jié)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能可靠性設(shè)計(jì)，是一門多學(xué)科融合的技術(shù)，現(xiàn)階段研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能可靠性設(shè)計(jì)可以從以下三個(gè)方面開展：（1）從航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸偏差出發(fā)，考慮零部件結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)偏差對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能可靠性的影響;（2）從航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用環(huán)境出發(fā)，考慮其進(jìn)出口等截面環(huán)境不確定性對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能可靠性的影響;（3）從航空發(fā)動(dòng)機(jī)測試技術(shù)出發(fā)，考慮測量準(zhǔn)確性對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能可靠性的影響。

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（中國航發(fā)動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002）