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TRIZ理论在航空发动机方案设计中的应用 |
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作者：丁朝霞 黄顺洲 |
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摘要：从满足未来战斗机需求出发，将TRIZ创新理论及其解题工具引入到高推重比发动机方案创新设计中。本文针对高推重比发动机发展中的两个重要问题进行技术矛盾分析，由矛盾矩阵得到相应的矛盾解决原理(No.1分割原理和No.15动态特性原理)，创造性地构建出可变涵道核心机驱动风扇的涡扇发动机概念方案，满足了未来高推重比涡扇发动机宽包线、长航时的技术特征要求。
1 引言
1987年由美国空军首先发起的IHPTET计划，是迄今为止最成功的航空发动机技术预研计划。该计划的总目标分为三个阶段，主要关注提高发动机推重比、循环温度，同时也对降低生产成本和维修成本提出了更高要求。在IHPTET计划结束后，美国从2006年又开始实施了VAATE计划，其宗旨是在提高发动机性能的同时，更加强调降低生产和维修成本。VAATE计划的发展重点是经济可承受性，总目标是到2017年开发出革命性和创新性的技术，使先进军用发动机的经济可承受性在F119发动机的基础上提高10倍，推重比提高20%～30%，耗油率降低25%～30%，研制、生产和维修成本降低50%的研究目标。
我国航空发动机从测绘仿制、引进消化吸收到自主创新设计，已艰难走过半个多世纪，为我军航空武器装备发展作出了很大贡献，但与世界先进的航空发动机技术相比，至少落后20～30年。如何科学、持续地提高航空发动机技术的发展速度，缩短与世界先进水平的差距，满足我国未来先进航空武器装备发展对动力装置的需要，是当前急需解决的重大问题。
TRIZ创新理论体系是一种发明问题解决理论，由Altshuller及其研究团队创立。相对于传统的创新方法，TRIZ理论成功揭示了创造发明的内在规律和原理，着力于澄清和强调产品或技术系统中存在的矛盾，其目标是有效解决矛盾，获得理想解。实践证明，运用TRIZ创新理论，可大大加快人们创造发明的进程，得到高质量的创新产品或技术系统。近年，TRIZ创新理论已得到国内外许多专家的高度重视，并逐渐在实际中加以应用，取得了显著效果。如在工艺领域、生化领域、汽车工业领域等都得到了广泛应用，但在航空发动机领域应用较少。
本文尝试利用TRIZ创新理论来解决高推重比发动机方案设计中遇到的技术矛盾。
2 高推重比发动机面临的主要矛盾
未来高推重比发动机最重要的技术特征包括：超声速巡航能力、长寿命和低成本、宽包线和长航时等。超声速巡航能力是未来高推重比发动机仍需具备的技术特点，且巡航速度应比第四代战斗机有所增加；长寿命主要体现在发动机的使用可靠性及气动、热力、机械负荷的轻重上；可靠性则要求发动机具有更少的零部件数、更精准的控制规律、更强的抗畸变能力等；低成本主要是指研制、生产和使用成本更低；宽包线和长航时特征要求发动机能突破现有的工作包线，可工作于更高的马赫数和高度，同时具有良好的耗油率特性，实现较长的续航时间。
为实现高马赫数飞行，特别是保证发动机在更高马赫数超声巡航时仍然具有较好的推力性能，要求发动机具有较小的涵道比和较高的涡轮前温度；而良好的耗油率特性要求发动机具有较大的涵道比和较高的部件效率。因此，在高推重比涡扇发动机具体方案设计中涉及以下两个主要矛盾。
(1)高风扇压比与低压系统复杂性间的矛盾。提高发动机推重比有两条途径：一是降低发动机重量、缩短发动机长度、减少零件数、采用轻质材料(特别是复合材料）和选定合适的转动部件切线速度；二是提高发动机单位流量产生的推力，即提高喷管出口的排气压力和排气温度。提高风扇压比可提高排气压力，提高燃烧室出口温度可提高排气温度。随着发动机推重比的提高，风扇压比会越来越高，为驱动风扇旋转，低压涡轮的做功能力必须越来越强。这就导致低压涡轮级数增加，进而增加低压涡轮的复杂性。同样，风扇压比的增加，也会增加风扇的级数和复杂性。因此，在高推重比发动机中，必然存在高风扇压比与风扇和低压涡轮系统（低压系统）复杂性之间的矛盾。推重比越高，矛盾越尖锐。
(2)发动机工作马赫数与耗油率间的矛盾。未来高推重比涡扇发动机要实现宽包线、长航时的技术特征，一方面要求发动机在超声速工作时，具有较大的单位流量推力。单位流量推力越大，飞行马赫数越高。这时发动机除了需要工作在很高的涡轮转子前温度外，还必须工作在最小涵道比模式，即准涡喷状态；另一方面要求发动机在亚声速工作时，具有较低的耗油率特性，这样飞机的航程和航时才更长。为实现低耗油率特性，除要求发动机各部件工作效率高、损失低外，更重要的是希望发动机工作在较大涵道比模式，即涡扇状态。因此，为实现未来高推重比涡扇发动机宽包线、长航时的技术特征，必然存在发动机工作马赫数与耗油率之间的矛盾。推重比越高，矛盾越尖锐。
3 TRIZ创新理论的具体应用
对于一个具体问题，当人们无法直接找到对应解时，可以先将此问题转换，表达为一个TRIZ问题，然后利用TRIZ创新体系中的理论、工具和方法获得通用解，最后将通用解转化为具体问题的解。
3.1 TRIZ通用技术参数
TRIZ创新理论提出用39个通用技术参数来描述问题（表1）。通过这些参数，可建立起现实问题与TRIZ创新理论之间的桥梁。表1 TRlZ通用技术参数
 需要对系统进行改进时，这些技术参数的变化可分为两类。
(1)欲改善的参数：指系统改进时将提升和加强的特性所对应的工程参数。
(2)被恶化的参数：指系统改进时，在某个技术参数获得提升的同时，导致其它参数变差的技术参数。
欲改善的参数与欲恶化的参数就构成了技术系统的矛盾，TRIZ创新理论就是通过克服这些技术矛盾，推进系统向理想化进化。
3.2 TRIZ原理
通过对大量专利的研究，TRIZ创新理论提炼出40个最重要且具有普遍用途的发明原理，见表2。表2 TRIZ发明原理
 3.3 TRIZ矛盾矩阵
通过多年研究、分析和比较，TRIZ创新理论提出了矛盾矩阵，该矩阵将描述技术矛盾的39个通用技术参数与40个发明原理建立起了对应关系，很好地解决了改进过程中选择发明原理的困惑。
39个技术参数从行、列两个维度构成矩阵方格共1521个，其中1263个方格在每个方格中有几个数字，这几个数字就是TRIZ理论所推荐的解决相应技术矛盾的发明原理的序号。矛盾矩阵为39×39的一个矩阵，其示意简表如表3所示。
4 主要矛盾解决方案
4.1 高风扇压比带来的系统复杂性问题
采用TRIZ创新理论解决高推重比发动机中高风扇压比与低压系统复杂性间的矛盾，其过程为：
(1)确定技术参数。为提高发动机推重比，必然要提高风扇压比，这是欲改善的特性。对应到通用技术参数，选择No.11压强，以此作为欲改善的参数。为减少低压系统的复杂性，又不希望低压部件的级数增加太多，因此风扇压比提高，必然引起系统更加复杂，这就是被恶化的特性。对应到通用技术参数中选择No.36系统的复杂性，以此作为被恶化的参数。
(2)查找TRIZ矛盾矩阵。根据欲改善的参数No.11压强和被恶化的参数No.36系统的复杂性，从矩阵表查找对应的方格，得到方格中推荐的发明原理序号共3个，分别是No.19、No.1和No.35。
(3)发明原理分析。No.19为周期性作用原理，即将连续动作改为周期性动作。No.1为分割原理，即把一个物体分成相互独立的部分。No.35为物理或化学参数变化原理，即改变物体的物理或化学参数，如浓度、温度、体积等。
(4)发明原理应用。采用分割原理，具体技术措施是：采用核心机驱动风扇的结构形式来实现以上目标，如图1所示。即把高压比的风扇部件分成两个部件，前一个风扇部件由低压涡轮驱动，后一个部件由高压涡轮驱动，这样可大大降低低压系统的复杂性；低压涡轮可采用单级来实现，同时也可充分发挥高压涡轮的做功能力。该措施能有效解决高推重比发动机中，高风扇压比与低压系统复杂性之间的矛盾。
4.2 宽包线、长航时带来的系统适应性问题
采用TRIZ创新理论解决高推重比发动机中，工作马赫数与耗油率间的矛盾，其过程如下：
(1)确定技术参数。为实现发动机宽包线、长航时的技术特征，即提高发动机工作马赫数，这是欲改善的特性。对应到通用技术参数，选择No.9速度，以此作为欲改善的参数。为提高发动机的工作马赫数，必然要提高转子前温度，其耗油率必然增大，这就是被恶化的特性。对应到通用技术参数中，选择No.19运动物体能量消耗，以此作为被恶化的参数。
(2)查找TRIZ矛盾矩阵。根据欲改善的参数和被恶化的参数，从矩阵表查找对应的方格，得到方格中推荐的发明原理序号共4个，分别是No.8、No.15、No.35和No.38。
(3)发明原理分析。No.8为重量补偿原理，通过与环境的相互作用实现重量补偿。No.15为动态特性原理，体现在3个方面：①调整物体或环境性能，使其在工作的各阶段达到最优状态；②分割物体，使其各部分可以改变相对位置；③如果一个物体整体是静止的，使之移动或可动。No.35为物理或化学参数变化原理，No.38为加速氧化原理。
(4)发明原理应用。采用动态特性原理，具体技术措施是：采用变涵道比的办法来实现以上目标（图1），当发动机在超声速工作时，减小涵道比或关闭涵道，使发动机工作在涡喷状态，满足飞机最大推力要求；当发动机在亚声速工作时，增大涵道比，使发动机工作在涡扇状态，满足飞机的最低耗油率要求。故采用变涵道比的方式，可有效解决高推重比涡扇发动机工作马赫数与耗油率间的矛盾。
以上两条技术措施在GE公司YF120发动机中得到了应用。该发动机不加力推力达125kN，超过了早期的F100发动机的加力推力，其耗油率比第三代发动机降低了30%。
5 结束语
本文从满足未来战斗机的需求出发，将TRIZ创新理论及其解题工具引入到高推重比发动机方案的创新设计中。在对实际问题分析的基础上，确定了技术参数，构建了技术矛盾，运用39个工程参数中的4个参数描述该矛盾；由矛盾矩阵确定采用发明原理-No.1分割原理和No.15动态特性原理，对高推重比发动机发展中的两个重要问题进行了TRIZ解析，创造性地构建出可变涵道的核心机驱动风扇的涡扇发动机方案，满足了未来高推重比涡扇发动机宽包线、长航时的技术特征要求。如果能够掌握TRIZ这种标准化的创新方法并运用于实际的设计创新活动中，必将加快航空发动机的产品创新，提高航空发动机的研制水平。(end)
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(9/3/2013) |
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