triz理論與航空發(fā)動機-溫泉

1、 TRIZ理論與航空發(fā)動機 的技術發(fā)展 溫泉 2012-3-13 前言 20世紀40年代，英德兩國相繼發(fā)明燃氣輪機發(fā)動機，使航 空工業(yè)進入到“噴氣時代”； 20世紀60年代，渦扇發(fā)動機的問世和發(fā)展，大幅度提高了 飛機的機動性，飛機可以飛得更遠、更快。 前言 前言 今天，航空發(fā)動機已經發(fā)展到相當高的技術水平，并且呈加速發(fā)展的態(tài)勢； 有必要利用TRIZ理論分析研究航空發(fā)動機發(fā)展歷程和技術進步。 渦軸渦扇渦噴輔助動力系統(tǒng)（APU） 渦槳 主要內容TRIZ理論概述 技術矛盾與創(chuàng)新原理12物理矛盾的解決原理3基于TRIZ理論的新概念航空發(fā)動機從技術進化看航空發(fā)動機的發(fā)展 45結束語65 一、TRIZ理論

2、概述 上世紀40年代，前蘇聯科學家阿奇舒勒帶領他的團隊 開始了一項偉大的研究，希望找到發(fā)明創(chuàng)造的方法。在研究了250萬份發(fā)明專利后，得出一個驚人的結論： 人們解決技術問題的方法很多是重復的。阿奇舒勒一 共總結出40種最常用的方法，并起名為40個創(chuàng)新原理。 一、TRIZ理論概述 以上三條即為TRIZ的核心思想通過對大量專利的分析，阿奇舒勒得出了以下三條發(fā)現： 1. 類似的問題與解在不同的工業(yè)及科學領域交替出現。 創(chuàng)新的規(guī)律性 2. 技術系統(tǒng)進化的模式在不同的工程及科學領域交替出現。 他山之石，可以攻玉 3. 創(chuàng)新所依據的科學原理往往屬于其他領域。 拓寬思路、打破思維定勢 一、TRIZ理論概述 最

3、終理想解（IFR） 技術系統(tǒng)進化法則40個發(fā)明原理TRIZ的9大經典理論 39個通用工程參數和矛盾矩陣物理矛盾的分離原理物場模型分析發(fā)明問題的（76個）標準解法 發(fā)明問題標準算法物理效應和現象知識庫 二、技術矛盾與創(chuàng)新原理 （1）39個通用工程參數與技術沖突40個發(fā)明原理（2）（3）矛盾矩陣（4） 航空發(fā)動機發(fā)展問題的解決實例 二、技術矛盾與創(chuàng)新原理 39個通用工程參數與技術沖突 2.1矛盾特性（又稱屬性）是用工程參數來描述的， 工程參數分有惡化的和改善的兩種參數， 阿奇舒勒把不同領域的矛盾特性歸結為相同的39個工程參 數，而且，無論是惡化的工程參數或是改善的工程參數， 因此，人們將它們統(tǒng)稱為

4、39個通用工程參數。 強度10溫度 二、技術矛盾與創(chuàng)新原理 11序號 名稱 序號 名稱 序號 名稱 1運動物體的重量 14強度 27可靠性 2靜止物體的重量 15運動物體作用時間 28測試精度 3運動物體的長度 16靜止物體作用時間 29制造精度 4靜止物體的長度 17溫度 30物體外部有害因素作用的敏感性 5運動物體的面積 18光照度 31物體產生的有害因素 6靜止物體的面積 19運動物體的能量 32可制造性 7運動物體的體積 20靜止物體的能量 33可操作性 8靜止物體的體積 21功率 34可維修性 9速度 22能量損失 35適應性及通用性 10力 23物質損失 36裝置的復雜性 11應力

5、或壓力 24信息損失 37監(jiān)控與測試的困難程度 12形狀 25時間損失 38自動化程度 13結構的穩(wěn)定性 26物質或事物的數量 39生產率 二、技術矛盾與創(chuàng)新原理 39個通用技術參數的屬性分類 幾何參數：長度、面積、體積、形狀 一般物理參數：重量、速度、力、應力/ 壓強、溫度、光照度 系統(tǒng)參數：作用于物體的有害因素、物體產生的有害因素 功率參數；物體的能量消耗、功率 技術參數：操作時間、可靠性、強度、適用性和通用性、可制造性、可操作性、 可維護性、制造精度、設計復雜性、自動化程度、生產率、對象的穩(wěn)定性 與測量有關的參數：測量的必要性、測量精度 損失參數：能量損失、物質損失、信息損失、時間損失

6、二、技術矛盾與創(chuàng)新原理 39個通用工程參數與技術沖突 2.1沖突:為了改善技術系統(tǒng)的某個參數，導致該技術系統(tǒng)的 另一個參數惡化。 兩個參數之間的沖突:改善A參數，導致B參數發(fā)生惡化。 二、技術矛盾與創(chuàng)新原理 40個發(fā)明原理 2.2阿奇舒勒對大量的專利進行研究、分析、總結、提煉出了 TRIZ中最重要的、具有普遍用途的40個發(fā)明原理。 當前，40個發(fā)明原理已經從傳統(tǒng)的工程領域擴展到微電子、生物醫(yī)學、管理、文化、教育等社會的各個領域問題。40 個發(fā)明原理的廣泛應用，導致不計其數新的專利發(fā)明的產生。 毫無疑問，航空發(fā)動機技術發(fā)展與40個發(fā)明原理密切相關。 二、技術矛盾與創(chuàng)新原理 01 分割原理 02

7、抽出原理 03 局部特性原理 04 不對稱原理 05 合并原理 06 多功能原理 07 嵌套原理 08 質量補償原理 09 預先反作用原理 10 預先作用原理 11 預置防范原理 12 等勢原理 13 反向作用原理 14 曲面化原理 15 動態(tài)化原理 16 不足或過度作用原理 17 化原理 18 振動原理 19 周期性作用原理 20 有效持續(xù)作用原理 21 快速作用原理 22 變害為益原理 23 反饋原理 24 中介物原理 25 自助原理 26 復制原理 27 一次性用品替代原理 28 替換機械系統(tǒng)原理 29 氣壓或液壓結構替代原理 30 柔性殼體或薄膜結構原理 31 多孔材料原理 32 變換

8、顏色原理 33 同質性原理 34 自棄與修復原理 35 改變參數原理 36 相變原理 37 熱膨脹原理 38 強氧化作用原理 39 惰性環(huán)境原理 40 復合材料原理 原理舉例：分割原理（1）分割物體為獨立的零件 分割物體成為組合式的物件增加物體分割的程度 原理舉例：分割原理（1） 原理舉例：非對稱原理（4） 用非對稱形式代替對稱形式 如果對象已經非對稱，增加其非對稱程度 原理舉例：合并原理（5） 用合并空間上的同類或相鄰物體 合并時間上的同類或相鄰物體 原理舉例：預先反作用原理（9） 事先施加反作用，來消除事后出現的不利因素 在部件上建立預應力，以抵消事后出現的不希望有的 工作應力 原理舉例：

9、預先應急措施原理（11） 用針對物體相對較低的可靠性，預先準備好相應的應急措施 原理舉例：預先應急措施原理（11） 原理舉例：逆向思維原理（13） 顛倒過去問題解決的辦法 使物體的活動部分改變?yōu)楣潭ǖ?，讓固定的部分變?yōu)榛顒拥?翻轉物體 原理舉例：逆向思維原理（13）(1) 鼓式轉子結構，使所有旋轉零件受壓縮應力； (2) 全復合材料發(fā)動機，重量輕，比強度和比剛度大； (3) 組合部件和分組件，減少零件數目。 原理舉例：曲面化原理（14） 將直線、平面用曲線、曲面代替，立方體結構改成球體結構 使用滾筒、球體和螺旋狀等結構 原理舉例：曲面化原理（14） 原理舉例：一維變原理（17）將物體從一維變到

10、二維或三維結構 用多層結構代替單層結構 使物體傾斜或側向放置 使用給定面的“另一面” 原理舉例：復制原理（26）將使用更簡單、更便宜的復制品代替難以獲得的、昂貴的、復雜的、易碎的物品 用光學復制品或圖形代替實物 渦輪風扇發(fā)動機吞 鳥試驗是適航取證必做的試驗項目， 試驗過程中將明膠 做成鳥的形狀，進行投放試驗 原理舉例：復合材料原理（40）以復合材料取代均質材料 未來會出現復合材料壓氣機機匣，以減輕重量 二、技術矛盾與創(chuàng)新原理 矛盾矩陣表 2.3通用工程參數與發(fā)明原理建立的關系，稱為技術矛盾矩陣 30 二、技術矛盾與創(chuàng)新原理 矛盾矩陣表 2.3 系統(tǒng)惡化的特性(參數)運動物體使用能量 運動物體質

11、量靜止物體質量 運動物體尺寸速度31速度 運動物體尺寸 靜止物體質量 運動物體質量 系統(tǒng)改善 的特性(參數)制造精度 二、技術矛盾與創(chuàng)新原理 技術矛盾解決實例 2.4案例航空發(fā)動機壓氣機喘振問題的解決問題描述：為了提高航空發(fā)動機性能，需要采用更高的壓比 和渦輪前溫度。但是壓比越高，會直接影響壓氣機的喘振裕度，尤其在發(fā)動機加減速時。 技術沖突分析：“壓比的提高”(希望改善的技術特性)和 “壓氣機的穩(wěn)定性低”(惡化的技術特性)是該系統(tǒng)中發(fā)生沖 突的兩個參數。 32 案例航空發(fā)動機壓氣機喘振問題的解決建議： 原理35 物理或化學參數改變原理原理33 同質性原理 原理2 抽取原理 原理 40 復合材料

12、原理 解決方案： 應用創(chuàng)新原理2，在發(fā)動機起動 過程中采取放氣的形式消除喘振問題。 1.從系統(tǒng)中抽出產生影響的部分或屬性 從物體中抽出必要的部分或屬性 2. 案例航空發(fā)動機壓氣機喘振問題的解決問題描述：但是，采用放氣后，由于損失了部分能量，導致 渦輪做功能力下降，使發(fā)動機轉子旋轉速度降低，延長了發(fā)動機起動時間 技術沖突分析：“穩(wěn)定性提高”(希望改善的技術特性)和“發(fā)動機起動速度低”(惡化的技術特性)是該系統(tǒng)中發(fā)生沖突的兩個參數。 34 案例 航空發(fā)動機壓氣機喘振問題的解決建議：原理33 同質性原理 原理15 動態(tài)性原理 原理28 機械系統(tǒng)替代原理原理 18 機械振動原理 解決方案： 應用創(chuàng)新原

13、理15，采取雙轉子核心機、靜子可調葉片等結構形式。 1.使物體外部環(huán)境或過程具有動態(tài)性、能自形優(yōu)化尋找到最佳的運行狀況 2.把物體分割成可相對移動的幾個部分 3.使固定的物體可以移動或具有柔性 案例航空發(fā)動機壓氣機喘振問題的解決最終解決方案： 發(fā)動機采取放氣、可調葉片或雙轉子核心機 案例航空發(fā)動機壓氣機喘振問題的解決喘振失速的科學原理：壓氣機葉片出口發(fā)生分離，堵塞了 壓氣機流道，使氣流向發(fā)動機進口反向流動，造成“前喘后堵”的現象。 通過對喘振失速機理的研究，形成了非定?？諝鈩恿W、流動控制等新的專業(yè)研究方向，理論指導工程設計。產生了機匣處理、吸附式壓氣機、雙級離心壓氣機等先進的氣動布局形式。

14、三、物理矛盾的解決原理 。1、空間分離原理 2、時間分離原理 3、條件分離原理 4、整體與部分分離原理38 三、物理矛盾的解決原理 所謂物理矛盾是指為了實現某種功能，一個子系統(tǒng)或元件應具有某種特性，但該特性出現的同時會產生與此相反的不利或有害的后果。 物理矛盾一般來說有兩種表現： 。系統(tǒng)中有害性能降低的同時導致該系統(tǒng)中有用性能的降低； 系統(tǒng)中有用性能增強的同時導致該系統(tǒng)中有害性能的增強。 39 三、物理矛盾的解決原理 物理矛盾的解決方法 分離方法空間分離時間分離條件分離層級分離 三、物理矛盾的解決原理 3.1空間分離原理將矛盾雙方分離在不同的空間，以降低解決問題的難度。當 系統(tǒng)矛盾雙方在某一空

15、間只出現一方時，空間分離是可能的。渦軸發(fā)動機中動力渦輪與燃氣發(fā)生器轉子的分離 三、物理矛盾的解決原理 3.1空間分離原理 三、物理矛盾的解決原理 3.2時間分離原理將矛盾雙方分離在不同的時間，以降低解決問題的難度。當系統(tǒng)矛盾雙方在某一時間只出現一方時，時間分離是可能的。組合壓氣機可調靜子葉片 隨著轉速的增加，靜子葉片逐漸打開，避免了壓氣機喘振 三、物理矛盾的解決原理 3.2時間分離原理渦扇發(fā)動機矢量噴管 根據飛機在不同時間的需要，將渦扇發(fā)動機尾噴管設計成可調的形式，滿足飛機的要求。 三、物理矛盾的解決原理 3.3 條件分離原理 將矛盾雙方在不同的條件下分離，以降低解決問題的難度。當系統(tǒng)矛盾雙方

16、在某一條件性下只出現一方時，條件分離是可能的。 渦輪軸發(fā)動機燃燒室內空氣組織 三、物理矛盾的解決原理 3.4 整體與部分的分離原理 將矛盾雙方在不同的層次分離，以降低解決問題的難度。當系統(tǒng)矛盾雙方在系統(tǒng)層次只出現一方時，整體與部分分離是可能的。 輔助動力系統(tǒng)的引能的分離 四、基于TRIZ理論的新概念航空發(fā)動機 （1（）（3） 四、基于TRIZ理論的新概念航空發(fā)動機 波轉子發(fā)動機 第1步：確定技術參數 選擇“功率” 作為改善的參數， 選擇“溫度” 作為惡化的參數 溫度 功率 四、基于TRIZ理論的新概念航空發(fā)動機 波轉子發(fā)動機 第2步：查找矛盾矩陣運動物體使用能量 惡化的工程參數 運動物體質量運

17、動物體尺寸靜止物體質量速度運動物體質量 靜止物體質量 運動物體尺寸 功率 改善的工程參數 溫度 四、基于TRIZ理論的新概念航空發(fā)動機 波轉子發(fā)動機 第3步：分析發(fā)明原理No.2是抽取原理。此原理不太適用。 No.14是曲面化原理。 No.17是化原理。此原理體現在兩個方面：把物體帶入二維或三維空間；用多位置擺放代替單位置擺放。 No.25是自服務原理。使物體具有自補充、自恢復功 能。 四、基于TRIZ理論的新概念航空發(fā)動機 波轉子發(fā)動機 第4步：發(fā)明原理應用 No.17和No.25這兩個發(fā)明原理最為有效，可以達到既 提高發(fā)動機功率的同時，而可以滿足溫度不提高的要求 根據組合原理，將波轉子與渦

18、軸發(fā)動機相結合，提出了波轉子渦軸發(fā)動機的概念 四、基于TRIZ理論的新概念航空發(fā)動機 波轉子發(fā)動機 波轉子是利用不穩(wěn)定的波對不同能量密度的氣流進行能量交換的設備 四、基于TRIZ理論的新概念航空發(fā)動機 波轉子發(fā)動機 可在不對現有發(fā)動機做重大改動、不顯著增加發(fā)動機重量情況下，大幅提高單位功率并降低耗油率 四、基于TRIZ理論的新概念航空發(fā)動機 波轉子發(fā)動機 發(fā)動機效率更高、峰值循環(huán)溫度更高、總壓比更高 燃燒峰值溫度提高25%30%，發(fā)動機單位功率提高20%。 五、從技術進化看航空發(fā)動機的發(fā)展模式一技術系統(tǒng)的生命周期 模式二增加理想化水平 模式三系統(tǒng)不均衡發(fā)展導致矛盾出現模式四增加動態(tài)性和可控性 模式五技術集成以增加系統(tǒng)功能 模式六系統(tǒng)元件的匹配與不匹配 模式七系統(tǒng)由宏觀向微觀進化 模式八提高自動化程度和智能化程度 五、從技術進化看航空發(fā)動機的發(fā)