某型燃气轮机设计方案技术风险分析

周亚峰，尹家录，李泳凡

（中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

0 引言

高新技术项目的研制，必然需要采用一些新技术和新工艺。先进的技术和工艺以及新研制的系统和部件，尽管在性能上能满足项目要求，但是缺乏实际应用或应用程度不足，或者需要试验验证。如果采用新技术过多，不确定因素增加，就可能达不到项目的预期目标；而采用新技术过少又难以保证项目的先进性。在进行总体方案论证阶段，总要在项目的继承性和先进性之间作出合理的取舍，以保证项目指标先进的同时尽可能降低技术风险，而技术风险主要体现在新技术和新工艺的使用以及继承性部件在特定使用环境条件下的适应性方面。而技术风险始终存在于项目的实施过程中，因此，在项目的论证和实施过程中必须对其进行分析、判断，进而制定相应的规避措施。

本文对某型燃气轮机研制的方案论证阶段所涉及的各部件和系统进行全面的技术风险分析。

1 风险评估

风险评估包括风险辨识、风险分析和风险排序3个过程。

1.1 风险辨识

风险辨识是对产品的各方面、各过程识别出有风险的区域或有风险的技术过程，确定风险事件，即找出产品在哪个部分、在哪个过程、有哪些事件可能导致产品的某个项目或整个系统发生问题。

1.2 风险分析

风险分析是对已辨识出来的风险区域或风险技术过程进一步研究，细化对风险的描述，找出风险致因，确定其影响，分析与其他风险的关系，并用风险发生概率和一旦发生后造成的后果来综合表征风险的大小。风险分析常用方法有故障树分析、故障模式影响及危害性分析、建模和仿真分析、可靠性预计分析、专家技术评估。这些方法不是彼此孤立的，对1个项目可能需要同时采用多种方法综合分析。

1.3 风险排序

风险排序是按各风险大小的顺序排列，列出风险清单。确定风险的大小或等级的高低，主要依据3方面内容：（1）事件发生的可能性（概率）；（2）如果事件发生，其后果的严重性；（3）对上述二者综合的“严酷度”的主观判断。风险可划分为低风险、中等风险和高风险3个级别。

风险评估的目的就是通过上述3个步骤，抓住最薄弱的环节，对其中最关键的风险进行处理，选择并实施应对方案，以避免、控制或降低风险，使其达到可接受的程度。

2 设计方案的技术风险分析方法

某型燃气轮机是在某型航空发动机和工业燃气轮机的基础上派生发展的，其设计指导思想是尽可能继承和利用母型机成熟的研制技术和经验，提高设计可靠性，将研制风险降到最低。该燃气轮机在总体方案设计中采用了一些新技术和新部件，按照项目风险管理的要求，进行了总体设计方案的技术风险分析。

将设计方案所采取的新技术或设计细化，并进行技术风险分析，按其发生的概率分为 a、b、c、d、e共 5个等级，见表1。将风险一旦发生后会造成的后果，分为 l、2、3、4、5 共 5 个等级，见表 2。通过细化分析，分为高、中、低3个风险级别，按照事件发生的概率和后果，形成总体风险的概率统计以及综合风险判据，见表3。用风险矩阵法表征总体风险等级的排序,如图1所示。图中纵坐标为风险发生概率，横坐标为事件发生造成的后果，从矩阵中的风险事件位置向矩阵对角线投影，在对角线上投影点沿红色箭头所示表示风险增大的方向，即表明事件的风险度增加。

表1 风险概率判据

表2 技术风险后果判据

表3 总体风险等级事件的概率

3 总体方案技术风险分析

3.1 总体性能和总体结构方案风险分析

（1）总体热力循环计算风险分析。包括计算程序、计算编程模块、总体循环参数匹配和总体性能目标风险分析等。

（2）涡轮前温度风险分析。燃气轮机的寿命取决于涡轮前温度的设计水平，在对国外航改燃气轮机技术参数分析的基础上，确定与原型发动机涡轮前温度的储备值，通过转子动力学强度和低循环疲劳寿命计算，验证参数的合理性，并进行盐雾环境下的技术风险分析。

（3）排气温度风险分析。通过对母型发动机和工业燃气轮机进行理论计算和试验数据对比，修正计算模型，预测实际工况下的排气温度，并进行预测温度达标性风险评估。

（4）总体结构风险分析。包括继承部件、新设计部件及系统设计风险分析。计算分析整体支撑系统的传力路线和结构强度，评估总体结构热膨胀补偿和结构对中调整的结构可靠性，分析前置压力平衡腔和轴向力平衡结构的合理性，评估前置刷式封严、进气机匣、前轴承机匣和功率输出轴的结构形式、强度的可靠性。

3.2 部件技术风险分析

（1）对压气机部件进行提高换算转速后气动稳定性和可调导叶调节规律的技术风险分析。

（2）对燃烧室燃烧轻柴油的试验结果进行技术风险分析，并进行模拟试验环境下和真实环境下可能的差异分析。

（3）对理论燃烧室出口温度场（OTDF）风险及对OTDF超出限制值后对涡轮造成的影响进行风险分析。

（4）对涡轮叶片喷涂涂层后的堵塞情况进行分析，通过热力循环计算确定涂层对气动性能的影响，并进行涡轮隔热涂层技术风险评估。

（5）对动力涡轮偏离设计点的气动性能和其对总体性能的影响，及变工况特性进行计算分析，并进行结构可靠性风险评估。

（6）对排气引射装置与总体性能的一体化和排气装置结构可靠性进行分析，通过全3维流场对排气系统引射系数和总体气动验收达标的风险进行计算分析，并进行壁温预估。

3.3 系统风险分析

（1）调整冷却空气后的空气系统参数分析，通过冷效试验数据进行涡轮导向叶片减少冷却空气的结构可靠性风险分析。

（2）通过母型发动机和工业燃气轮机的使用情况，对滑油系统结构和油品、润滑以及散热的技术风险进行分析。

3.4 控制系统风险分析

（1）控制器可靠性风险分析包括控制器环境试验风险分析，重点进行电磁兼容性试验等9个试验项目的风险分析。

（2）起动系统风险分析，对液压起动和电动机起动2个方案进行风险分析。

（3）燃油控制与叶片角控制系统风险分析，重点进行柱塞泵和齿轮泵2种方案的可靠性和寿命风险分析。

（4）控制系统电源失效风险分析，即在控制系统电源失效时，对燃油和叶片调节系统控制方案进行风险分析。

（5）控制器系统功能失效风险分析，即在控制器系统功能失效时，对燃油和叶片调节系统控制方案进行风险分析。

（6）在燃气轮机超温、超转、振动超限情况下，对降低状态和应急控制2种控制方案进行风险分析。

（7）在电液伺服阀功能失效时，对电子控制器转换到对高速阀控制方案进行风险分析。

（8）在高速阀功能失效时，对电子控制器转换到对电液伺服阀控制方案进行风险分析。

（9）在燃油控制器计量活门功能失效时，对放油电磁阀控制方案的可靠性进行风险分析。

（10）在燃油控制器压差活门功能失效，即该活门卡住不动时，对应急控制方案进行风险分析。

（11）在燃油控制器分布器活门功能失效，即该活门卡住不动时，电子控制器采取控制应急电磁阀控制方案的进行风险分析。

（12）在供油泵进口供油中断时，对控制器采取的应急控制方案进行风险分析。

（13）在燃油滤堵塞时，对采取的并联油滤控制方案进行风险分析。

（14）在其他系统失效时，对控制器采取的应急控制方案进行风险分析。

4 设计方案风险分析结果

按照风险判断准则，将可能存在的技术风险，按照风险概率判据（表1）和风险后果判据（表2）进行归类，归类结果见表4、5。按总体风险等级（表3）分析，得到燃气轮机总体技术风险等级概率见表6。按照如图1所示的对角线矩阵风险排序法可知，表6中有2项技术风险最高，分别是燃烧室出口温度场和控制器可靠性的技术风险，但其风险等级均为中等级别。

表4 某型燃气轮机技术风险等级概率

表5 某型燃气轮机技术风险后果判断等级

表6 某型燃气轮机总体技术风险等级概率

5 结束语

（1）采用专家分析方法对某型燃气轮机所采取的新技术或新设计进行了技术分析和风险评估，其中有14项属于低风险等级，有12项属于中风险等级，有2项风险应予以重点关注，基本没有高风险等级的风险，表明该燃气轮机研制的技术风险较小。

（2）在方案论证过程中对项目所涉及的各部件和系统均进行了技术风险分析，并对各项技术风险进行全过程控制管理，有效地保证了项目顺利实施和按期完成。

[1]关新兰.舰船用燃气轮机可靠性的评定、主要影响因素及技术措施[C]//航改燃气轮机技术专题文集.沈阳：沈阳发动机设计研究所，2005：398-404.

[2]马治和.航空燃气轮机船用化改装设计的若干问题[C]//航改燃气轮机技术专题文集.沈阳：沈阳发动机设计研究所，2005：294-309.

[3]Armstrong F W.Future prospects for naval propulsion gas turbines[R].ASME 78-GT-106.

[4]Summerfield A.Marine gas turbine engine health monitoring-new approaches[R].ASME 87-GT-245.

[5]张忠文.舰船燃气轮机技术的发展途径[J].航空发动机，2009,35(6)：49-52.

[6]李孝堂.现代燃气轮机技术[M].北京：航空工业出版社，2006.

[7]周亚峰.燃气轮机改进的技术措施及其应用[C]//中国航空学会动力分会轻型燃气轮机学会论文集.沈阳：沈阳发动机设计研究所，2006.