TRIZ理論在航空發動機方案設計中的應用

丁朝霞，黃順洲

(中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

1 引言

1987年由美國空軍首先發起的IHPTET計劃，是迄今為止最成功的航空發動機技術預研計劃[1]。該計劃的總目標分為三個階段，主要關注提高發動機推重比、循環溫度，同時也對降低生產成本和維修成本提出了更高要求。在IHPTET計劃結束后，美國從2006年又開始實施了VAATE計劃，其宗旨是在提高發動機性能的同時，更加強調降低生產和維修成本。VAATE計劃的發展重點是經濟可承受性，總目標是到2017年開發出革命性和創新性的技術，使先進軍用發動機的經濟可承受性在F119發動機的基礎上提高10倍，推重比提高20%～30%，耗油率降低25%～30%，研制、生產和維修成本降低50%的研究目標。

我國航空發動機從測繪仿制、引進消化吸收到自主創新設計，已艱難走過半個多世紀，為我軍航空武器裝備發展作出了很大貢獻，但與世界先進的航空發動機技術相比，至少落后20～30年。如何科學、持續地提高航空發動機技術的發展速度，縮短與世界先進水平的差距，滿足我國未來先進航空武器裝備發展對動力裝置的需要，是當前急需解決的重大問題[2]。

TRIZ創新理論體系是一種發明問題解決理論，由Altshuller及其研究團隊創立。相對于傳統的創新方法，TRIZ理論成功揭示了創造發明的內在規律和原理，著力于澄清和強調產品或技術系統中存在的矛盾，其目標是有效解決矛盾，獲得理想解。實踐證明，運用TRIZ創新理論，可大大加快人們創造發明的進程，得到高質量的創新產品或技術系統。近年，TRIZ創新理論已得到國內外許多專家的高度重視，并逐漸在實際中加以應用，取得了顯著效果。如在工藝領域[3，4]、生化領域[5]、汽車工業領域[6]等都得到了廣泛應用，但在航空發動機領域應用較少。

本文嘗試利用TRIZ創新理論來解決高推重比發動機方案設計中遇到的技術矛盾。

2 高推重比發動機面臨的主要矛盾

未來高推重比發動機最重要的技術特征包括：超聲速巡航能力、長壽命和低成本、寬包線和長航時等。超聲速巡航能力是未來高推重比發動機仍需具備的技術特點，且巡航速度應比第四代戰斗機有所增加；長壽命主要體現在發動機的使用可靠性及氣動、熱力、機械負荷的輕重上；可靠性則要求發動機具有更少的零部件數、更精準的控制規律、更強的抗畸變能力等；低成本主要是指研制、生產和使用成本更低；寬包線和長航時特征要求發動機能突破現有的工作包線，可工作于更高的馬赫數和高度，同時具有良好的耗油率特性，實現較長的續航時間[7]。

為實現高馬赫數飛行，特別是保證發動機在更高馬赫數超聲巡航時仍然具有較好的推力性能，要求發動機具有較小的涵道比和較高的渦輪前溫度；而良好的耗油率特性要求發動機具有較大的涵道比和較高的部件效率。因此，在高推重比渦扇發動機具體方案設計中涉及以下兩個主要矛盾。

(1)高風扇壓比與低壓系統復雜性間的矛盾。提高發動機推重比有兩條途徑：一是降低發動機重量、縮短發動機長度、減少零件數、采用輕質材料(特別是復合材料)和選定合適的轉動部件切線速度；二是提高發動機單位流量產生的推力，即提高噴管出口的排氣壓力和排氣溫度。提高風扇壓比可提高排氣壓力，提高燃燒室出口溫度可提高排氣溫度。隨著發動機推重比的提高，風扇壓比會越來越高，為驅動風扇旋轉，低壓渦輪的做功能力必須越來越強。這就導致低壓渦輪級數增加，進而增加低壓渦輪的復雜性。同樣，風扇壓比的增加，也會增加風扇的級數和復雜性。因此，在高推重比發動機中，必然存在高風扇壓比與風扇和低壓渦輪系統(低壓系統)復雜性之間的矛盾。推重比越高，矛盾越尖銳。

(2)發動機工作馬赫數與耗油率間的矛盾。未來高推重比渦扇發動機要實現寬包線、長航時的技術特征，一方面要求發動機在超聲速工作時，具有較大的單位流量推力。單位流量推力越大，飛行馬赫數越高。這時發動機除了需要工作在很高的渦輪轉子前溫度外，還必須工作在最小涵道比模式，即準渦噴狀態；另一方面要求發動機在亞聲速工作時，具有較低的耗油率特性，這樣飛機的航程和航時才更長。為實現低耗油率特性，除要求發動機各部件工作效率高、損失低外，更重要的是希望發動機工作在較大涵道比模式，即渦扇狀態。因此，為實現未來高推重比渦扇發動機寬包線、長航時的技術特征，必然存在發動機工作馬赫數與耗油率之間的矛盾。推重比越高，矛盾越尖銳。

3 TRIZ創新理論的具體應用

對于一個具體問題，當人們無法直接找到對應解時，可以先將此問題轉換，表達為一個TRIZ問題，然后利用TRIZ創新體系中的理論、工具和方法獲得通用解，最后將通用解轉化為具體問題的解。

3.1 TRIZ通用技術參數

TRIZ創新理論提出用39個通用技術參數來描述問題(表1)。通過這些參數，可建立起現實問題與TRIZ創新理論之間的橋梁[8]。

需要對系統進行改進時，這些技術參數的變化可分為兩類。

(1)欲改善的參數：指系統改進時將提升和加強的特性所對應的工程參數。

(2)被惡化的參數：指系統改進時，在某個技術參數獲得提升的同時，導致其它參數變差的技術參數。

欲改善的參數與欲惡化的參數就構成了技術系統的矛盾，TRIZ創新理論就是通過克服這些技術矛盾，推進系統向理想化進化[9]。

3.2 TRIZ原理

通過對大量專利的研究，TRIZ創新理論提煉出40個最重要且具有普遍用途的發明原理，見表2[10]。

3.3 TRIZ矛盾矩陣

通過多年研究、分析和比較，TRIZ創新理論提出了矛盾矩陣，該矩陣將描述技術矛盾的39個通用技術參數與40個發明原理建立起了對應關系，很好地解決了改進過程中選擇發明原理的困惑。

表1 TRIZ通用技術參數Table 1 Universal technical parameters of TRIZ

39個技術參數從行、列兩個維度構成矩陣方格共1521個，其中1263個方格在每個方格中有幾個數字，這幾個數字就是TRIZ理論所推薦的解決相應技術矛盾的發明原理的序號。矛盾矩陣為39×39的一個矩陣，其示意簡表如表3所示[7]。

4 主要矛盾解決方案

4.1 高風扇壓比帶來的系統復雜性問題

采用TRIZ創新理論解決高推重比發動機中高風扇壓比與低壓系統復雜性間的矛盾，其過程為：

(1)確定技術參數。為提高發動機推重比，必然要提高風扇壓比，這是欲改善的特性。對應到通用技術參數，選擇No.11壓強，以此作為欲改善的參數。為減少低壓系統的復雜性，又不希望低壓部件的級數增加太多，因此風扇壓比提高，必然引起系統更加復雜，這就是被惡化的特性。對應到通用技術參數中選擇No.36系統的復雜性，以此作為被惡化的參數。

(2)查找TRIZ矛盾矩陣。根據欲改善的參數No.11壓強和被惡化的參數No.36系統的復雜性，從矩陣表查找對應的方格，得到方格中推薦的發明原理序號共3個，分別是No.19、No.1和No.35。

表2 TRIZ發明原理Table 2 Creative principle of TRIZ

表3 TRIZ矛盾矩陣簡表Table 3 Contradictious matrix table of TRIZ

(3)發明原理分析。No.19為周期性作用原理，即將連續動作改為周期性動作。No.1為分割原理，即把一個物體分成相互獨立的部分。No.35為物理或化學參數變化原理，即改變物體的物理或化學參數，如濃度、溫度、體積等。

(4)發明原理應用。采用分割原理，具體技術措施是：采用核心機驅動風扇的結構形式來實現以上目標，如圖1所示。即把高壓比的風扇部件分成兩個部件，前一個風扇部件由低壓渦輪驅動，后一個部件由高壓渦輪驅動，這樣可大大降低低壓系統的復雜性；低壓渦輪可采用單級來實現，同時也可充分發揮高壓渦輪的做功能力。該措施能有效解決高推重比發動機中，高風扇壓比與低壓系統復雜性之間的矛盾。

圖1 帶核心機驅動風扇的變循環發動機概念Fig.1 Variable cycle engine concept with CDFS

4.2 寬包線、長航時帶來的系統適應性問題

采用TRIZ創新理論解決高推重比發動機中，工作馬赫數與耗油率間的矛盾，其過程如下：

(1)確定技術參數。為實現發動機寬包線、長航時的技術特征，即提高發動機工作馬赫數，這是欲改善的特性。對應到通用技術參數，選擇No.9速度，以此作為欲改善的參數。為提高發動機的工作馬赫數，必然要提高轉子前溫度，其耗油率必然增大，這就是被惡化的特性。對應到通用技術參數中，選擇No.19運動物體能量消耗，以此作為被惡化的參數。

(2)查找TRIZ矛盾矩陣。根據欲改善的參數和被惡化的參數，從矩陣表查找對應的方格，得到方格中推薦的發明原理序號共4個，分別是No.8、No.15、No.35和No.38。

(3)發明原理分析。No.8為重量補償原理，通過與環境的相互作用實現重量補償。No.15為動態特性原理，體現在3個方面：①調整物體或環境性能，使其在工作的各階段達到最優狀態；②分割物體，使其各部分可以改變相對位置；③如果一個物體整體是靜止的，使之移動或可動[9，10]。No.35為物理或化學參數變化原理，No.38為加速氧化原理。

(4)發明原理應用。采用動態特性原理，具體技術措施是：采用變涵道比的辦法來實現以上目標(圖1)，當發動機在超聲速工作時，減小涵道比或關閉涵道，使發動機工作在渦噴狀態，滿足飛機最大推力要求；當發動機在亞聲速工作時，增大涵道比，使發動機工作在渦扇狀態，滿足飛機的最低耗油率要求。故采用變涵道比的方式，可有效解決高推重比渦扇發動機工作馬赫數與耗油率間的矛盾。

以上兩條技術措施在GE公司YF120發動機中得到了應用。該發動機不加力推力達125 kN，超過了早期的F100發動機的加力推力，其耗油率比第三代發動機降低了30%。

5 結束語

本文從滿足未來戰斗機的需求出發，將TRIZ創新理論及其解題工具引入到高推重比發動機方案的創新設計中。在對實際問題分析的基礎上，確定了技術參數，構建了技術矛盾，運用39個工程參數中的4個參數描述該矛盾；由矛盾矩陣確定采用發明原理-No.1分割原理和No.15動態特性原理，對高推重比發動機發展中的兩個重要問題進行了TRIZ解析，創造性地構建出可變涵道的核心機驅動風扇的渦扇發動機方案，滿足了未來高推重比渦扇發動機寬包線、長航時的技術特征要求。如果能夠掌握TRIZ這種標準化的創新方法并運用于實際的設計創新活動中，必將加快航空發動機的產品創新，提高航空發動機的研制水平。

[1]王巍巍，郭 琦，黃順洲.IHPTET計劃的先進項目管理方法[J].燃氣渦輪試驗與研究，2011，24(2)：58—62.

[2]劉大響.航空發動機技術的發展和建議[J].中國工程科學，1999，1(2)：24—29.

[3]李有堂，崔 杰.基于TRIZ理論的加工工藝4步驟設計法[J].甘肅科學學報，2009，3(1)：108—112.

[4]劉鳳彥，張振明.基于TRIZ沖突解決原理的焊接工藝創新方法研究[J].制造業自動化，2009，31(5)：49—53.

[5]李少波，牟健慧.TRIZ進化理論支持的進化過程研究[J].長春理工大學學報(自然科學報)，2009，32(3)：381—384.

[6]閆曉玲，王望龍.基于TRIZ和Pro/Innovator平臺的產品創新設計[J].機床與液壓，2009，37(7)：192—195.

[7]牛占文，徐燕申.實現產品創新的關鍵技術-計算機輔助創新設計[J].機械工程學報，2000，1(3)：18—25.

[8]王巍巍，黃文周.蘇聯/俄羅斯軍用燃氣渦輪發動機的發展歷程[J].國際航空，2007，4(1)：25—30.

[9]沈世德.TRIZ法簡明教材[M].北京：機械工業出版社，2010.

[10]檀潤華.發明問題解決理論[M].北京：科學出版社，2004.