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基于系统工程的压气机调节机构精益研发

Lean Research and Development of Compressor Adjusting Mechanism Based on Systems Engineering

张学宝 张一彬 孙登科 陈维苇 李子为 张少平     2022年02月18日

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通过压气机调节机构调节静子叶片的工作角度,是保证压气机在各种飞行工况下稳定工作的有效措施。但由于调节机构零件数量多,传动链长,配合关系复杂,工作环境恶劣,使得可调叶片实际工作角度与设计预期存在一定偏差。若压气机调节机构在工作过程中失效或调节精度不足,可能导致失速、喘振,使发动机性能迅速恶化,甚至造成发动机损坏,严重影响飞行安全。创新团队通过分析压气机调节机构的传统研发模式,发现研发活动仅包含“设计—制造—集成验证”环节,缺少系统的需求分析和验证策划。因此,创新团队运用系统工程方法(见图 1),对发动机压气机调节机构的研发活动进行了全流程梳理,从需求出发开展了设计及验证。同时,对各研发子环节进行精益改进,突破了研发过程中的关键技术。最终,打通了调节机构正向研发全流程,提高了调节机构可靠性和设计成熟度。

 

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图1   系统工程方法示意

         

基于系统工程的精益研发方案


创新团队以需求为牵引,从需求分析、设计仿真、制造协同、分级验证多个方面进行研发梳理,对各子环节进行精益改善,最终完成了流程重构。具体内容包括:基于顶层需求和使用场景完成调节机构需求收集、捕获和分解;针对需求进行关键因素分析,找出影响调节机构精度及可靠性的关键环节、技术难点、解决途径和验证手段;针对梳理出的关键因素,分析研制流程,填补现有研制流程中的缺失环节,突破相关设计仿真、装配检验和分级验证技术;对研发过程进行提炼、梳理与重构,建立基于系统工程的压气机静子叶片调节机构研发流程。调节机构改进及验证总体方案如图2所示。

 

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图2  调节机构改进及验证总体方案

         

需求分析


创新团队对压气机调节机构开展了基于使用场景的需求分析,由原先的强度需求拓展出刚度和精度等需求,再向纵深拓展出间隙、阻力等需求。具体包括基于场景进行需求分析的思路,系统地梳理功能、性能、强度、工艺、“六性”等方面的需求;按照功能逐层分析分解的原则,对梳理出的需求进行逐级分解;需求识别和分解完成后,采用卡诺分析方法,将所有的需求进行分析和综合,确定了改进工作的基本方向。


基于需求分析结果,创新团队针对压气机调节机构研制需求及研发过程中暴露的问题,将需求沿技术路径转化为功能要求、技术要求和结构要求。经评估,共识别出3项关键技术要素,分别是调节机构强度、刚度和间隙。同时,初步给出对应技术要素的设计标准,以便进行迭代设计,如图3所示。

 

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图3   关键技术要素分析过程示意

         

设计仿真


针对识别出的强度、刚度、间隙等关键技术要素和初步设计标准,创新团队对调节机构全传动链的零件进行了改进设计。首先,更换主承力件的材料及优化结构,增强刚性,改进包含的零件,改进前后对比如图4所示;其次,对运动副间隙进行优化,降低空程;最后,系统开展变形分析,避免运动干涉,降低运动负载等。

 

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图4   调节机构结构改进示意

         

为初步验证改进设计的有效性,降低后续实物验证的成本和风险,创新团队基于需求分析得到仿真边界,通过二次开发软件,完成了“固”“力”“热”3场耦合的机构整体多体动力学仿真,获得了集成环境温度、材料弹性模量、气动力、运动副间隙等多种因素下的调节机构仿真结果。该仿真结果较传统的机构运动学仿真和单体有限元仿真,更准确地模拟了调节机构的真实工作环境,整体仿真精度提升约60%,提高了设计精度和迭代效率。

 

厂所协同


在试制环节,创新团队与工艺人员开展点对点联系,并基于面向制造的设计(DFM)思想,深入开展设计与制造的协同工作。改变了在传统模式下设计仅关注功能、性能,工艺仅关注产品合格率的现象。设计充分考虑产品的可制造性和装配性,工艺关注设计需求及使用场景,共同确保设计、制造和装配一次成功。


创新团队通过设计过程与制造过程分阶段、并行开展,同时按照首件包和“四新”(新结构、新材料、新工艺、新供方)验证管理办法等管控研制过程,实现了设计、制造和装配的协同及过程质量管控。通过以上改善,设计和制造周期可缩短约30%,实现了更改单、超差单数量“双归零”,确保了试制一次做对。

 

分级验证


创新团队以需求为牵引,进行压气机调节机构分级验证策划,从零组件级—部件级—核心机级—整机级的自底向上验证思路开展验证工作。通过逐级验证需求和计划、实施、检查、行动(PDCA),提高验证效率,降低了系统研制风险。


调节机构叶片角度测量验证


为了验证结构初始状态下的精度需求符合性,降低基准偏差对集成验证的影响,创新团队自主设计了基于倾角仪的叶片安装角测量装置,如图5所示,实现了部件状态叶片角度的快速量化和控制,为设计制造迭代提供了数据支撑,大大降低了研发成本。

 

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图5   基于倾角仪的叶片安装角测量方案示意

         

调节机构零部件验证


为了能够在部件状态下获取调节机构的刚度和间隙对精度的影响,创新团队开发并首次完成了调节机构刚度试验,成功捕获了影响机构精度的薄弱环节,验证了需求分析的合理性,同时也验证了改进设计的需求符合性。


此外,研发团队还举一反三,在刚度试验方案基础上,开发出调节机构间隙、阻力和摩擦系数等测试方法,为支持调节机构改进提供了重要支撑。


调节机构集成验证


为进一步验证调节机构在真实工作环境下的工作能力,创新团队按系统工程逐级验证思路,开展了核心机平台叶片工作角度测量技术开发,以进一步提高验证效率,降低验证风险。


通过在核心机试验中,测量可调叶片角度,实现了试验状态下的叶片角度实时测量和记录。在获取了可调叶片真实工作角度的同时,还额外捕获了调节机构精度影响因素,如作动筒支架刚性、套齿间隙等影响较大的因素,增加了需求捕获的完整性,为调节机构改进迭代提供了强力支撑,如图6所示。

 

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图6   压气机可调叶片角度测试示意

         

核心机验证完成后,随整机进行了长时间试验验证,试验结果表明,按照系统思维精益改进后的调节机构,可满足功能、性能等需求,前期因调节机构异常导致故障的试验参数信号未再现。


目前,改进后的压气机静叶调节机构已完成刚度试验、角度测量试验及整机验证,试验结果表明系统综合刚度符合设计预期,叶片工作角度精度明显提高,满足设计需求。

 

流程重构


研发流程是产品研发的指导地图,是项目顺利实施的保障和管控依据。创新团队依据系统工程理论,以“正向设计驱动产品创新”为指导战略,开展研制流程分析,重构压气机静叶调节机构研制流程。新的调节机构研发流程,以需求为导向,逐级分解需求并验证需求,贯彻PDCA和精益改进思想,较传统的研发流程补充了精度分析、动力学仿真分析、工艺控制和分级验证环节,如图7所示。

 

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图7   调节机构研发流程

         

结束语


创新团队通过系统工程的方法和精益研发的思想,以压气机调节机构为研究对象,开展需求分析、设计仿真、厂所协同、分级验证等方面研究,突破了设计仿真和分级验证领域的多项关键技术,使发动机压气机调节机构精度提升了60%,并通过了发动机考核验证。同时,创新团队总结项目成果,重构调节机构研发流程,总结出了一系列设计标准、指南和规范,为研发体系建设提供了有力支撑。


(张学宝,中国航发涡轮院,高级工程师,主要从事航空发动机压气机设计技术研究)

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