triz理論與航空發(fā)動機(jī)-溫泉

1、 TRIZ理論與航空發(fā)動機(jī) 的技術(shù)發(fā)展 溫泉 2012-3-13 前言 20世紀(jì)40年代，英德兩國相繼發(fā)明燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動機(jī)，使航 空工業(yè)進(jìn)入到“噴氣時代”； 20世紀(jì)60年代，渦扇發(fā)動機(jī)的問世和發(fā)展，大幅度提高了 飛機(jī)的機(jī)動性，飛機(jī)可以飛得更遠(yuǎn)、更快。 前言 前言 今天，航空發(fā)動機(jī)已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)高的技術(shù)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(jī)發(fā)展歷程和技術(shù)進(jìn)步。 渦軸渦扇渦噴輔助動力系統(tǒng)（APU） 渦槳 主要內(nèi)容TRIZ理論概述 技術(shù)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(jī)從技術(shù)進(jìn)化看航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展 45結(jié)束語65 一、TRIZ理論

2、概述 上世紀(jì)40年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家阿奇舒勒帶領(lǐng)他的團(tuán)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(jié)論： 人們解決技術(shù)問題的方法很多是重復(fù)的。阿奇舒勒一 共總結(jié)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(xiàn)： 1. 類似的問題與解在不同的工業(yè)及科學(xué)領(lǐng)域交替出現(xiàn)。 創(chuàng)新的規(guī)律性 2. 技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化的模式在不同的工程及科學(xué)領(lǐng)域交替出現(xiàn)。 他山之石，可以攻玉 3. 創(chuàng)新所依據(jù)的科學(xué)原理往往屬于其他領(lǐng)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(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則40個發(fā)明原理TRIZ的9大經(jīng)典理論 39個通用工程參數(shù)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(biāo)準(zhǔn)解法 發(fā)明問題標(biāo)準(zhǔn)算法物理效應(yīng)和現(xiàn)象知識庫 二、技術(shù)矛盾與創(chuàng)新原理 （1）39個通用工程參數(shù)與技術(shù)沖突40個發(fā)明原理（2）（3）矛盾矩陣（4） 航空發(fā)動機(jī)發(fā)展問題的解決實例 二、技術(shù)矛盾與創(chuàng)新原理 39個通用工程參數(shù)與技術(shù)沖突 2.1矛盾特性（又稱屬性）是用工程參數(shù)來描述的， 工程參數(shù)分有惡化的和改善的兩種參數(shù)， 阿奇舒勒把不同領(lǐng)域的矛盾特性歸結(jié)為相同的39個工程參 數(shù)，而且，無論是惡化的工程參數(shù)或是改善的工程參數(shù)， 因此，人們將它們統(tǒng)稱為

4、39個通用工程參數(shù)。 強(qiáng)度10溫度 二、技術(shù)矛盾與創(chuàng)新原理 11序號 名稱 序號 名稱 序號 名稱 1運(yùn)動物體的重量 14強(qiáng)度 27可靠性 2靜止物體的重量 15運(yùn)動物體作用時間 28測試精度 3運(yùn)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(yùn)動物體的面積 18光照度 31物體產(chǎn)生的有害因素 6靜止物體的面積 19運(yùn)動物體的能量 32可制造性 7運(yùn)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(yīng)性及通用性 10力 23物質(zhì)損失 36裝置的復(fù)雜性 11應(yīng)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 26物質(zhì)或事物的數(shù)量 39生產(chǎn)率 二、技術(shù)矛盾與創(chuàng)新原理 39個通用技術(shù)參數(shù)的屬性分類 幾何參數(shù)：長度、面積、體積、形狀 一般物理參數(shù)：重量、速度、力、應(yīng)力/ 壓強(qiáng)、溫度、光照度 系統(tǒng)參數(shù)：作用于物體的有害因素、物體產(chǎn)生的有害因素 功率參數(shù)；物體的能量消耗、功率 技術(shù)參數(shù)：操作時間、可靠性、強(qiáng)度、適用性和通用性、可制造性、可操作性、 可維護(hù)性、制造精度、設(shè)計復(fù)雜性、自動化程度、生產(chǎn)率、對象的穩(wěn)定性 與測量有關(guān)的參數(shù)：測量的必要性、測量精度 損失參數(shù)：能量損失、物質(zhì)損失、信息損失、時間損失

6、二、技術(shù)矛盾與創(chuàng)新原理 39個通用工程參數(shù)與技術(shù)沖突 2.1沖突:為了改善技術(shù)系統(tǒng)的某個參數(shù)，導(dǎo)致該技術(shù)系統(tǒng)的 另一個參數(shù)惡化。 兩個參數(shù)之間的沖突:改善A參數(shù)，導(dǎo)致B參數(shù)發(fā)生惡化。 二、技術(shù)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(jìn)行研究、分析、總結(jié)、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(dāng)前，40個發(fā)明原理已經(jīng)從傳統(tǒng)的工程領(lǐng)域擴(kuò)展到微電子、生物醫(yī)學(xué)、管理、文化、教育等社會的各個領(lǐng)域問題。40 個發(fā)明原理的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致不計其數(shù)新的專利發(fā)明的產(chǎn)生。 毫無疑問，航空發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展與40個發(fā)明原理密切相關(guān)。 二、技術(shù)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(zhì)量補(bǔ)償原理 09 預(yù)先反作用原理 10 預(yù)先作用原理 11 預(yù)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(fù)制原理 27 一次性用品替代原理 28 替換機(jī)械系統(tǒng)原理 29 氣壓或液壓結(jié)構(gòu)替代原理 30 柔性殼體或薄膜結(jié)構(gòu)原理 31 多孔材料原理 32 變換

8、顏色原理 33 同質(zhì)性原理 34 自棄與修復(fù)原理 35 改變參數(shù)原理 36 相變原理 37 熱膨脹原理 38 強(qiáng)氧化作用原理 39 惰性環(huán)境原理 40 復(fù)合材料原理 原理舉例：分割原理（1）分割物體為獨(dú)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(jīng)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(yù)先反作用原理（9） 事先施加反作用，來消除事后出現(xiàn)的不利因素 在部件上建立預(yù)應(yīng)力，以抵消事后出現(xiàn)的不希望有的 工作應(yīng)力 原理舉例：

9、預(yù)先應(yīng)急措施原理（11） 用針對物體相對較低的可靠性，預(yù)先準(zhǔn)備好相應(yīng)的應(yīng)急措施 原理舉例：預(yù)先應(yīng)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模尮潭ǖ牟糠肿優(yōu)榛顒拥?翻轉(zhuǎn)物體 原理舉例：逆向思維原理（13）(1) 鼓式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，使所有旋轉(zhuǎn)零件受壓縮應(yīng)力； (2) 全復(fù)合材料發(fā)動機(jī)，重量輕，比強(qiáng)度和比剛度大； (3) 組合部件和分組件，減少零件數(shù)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(jié)構(gòu)改成球體結(jié)構(gòu) 使用滾筒、球體和螺旋狀等結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu) 用多層結(jié)構(gòu)代替單層結(jié)構(gòu) 使物體傾斜或側(cè)向放置 使用給定面的“另一面” 原理舉例：復(fù)制原理（26）將使用更簡單、更便宜的復(fù)制品代替難以獲得的、昂貴的、復(fù)雜的、易碎的物品 用光學(xué)復(fù)制品或圖形代替實物 渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)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(jìn)行投放試驗 原理舉例：復(fù)合材料原理（40）以復(fù)合材料取代均質(zhì)材料 未來會出現(xiàn)復(fù)合材料壓氣機(jī)機(jī)匣，以減輕重量 二、技術(shù)矛盾與創(chuàng)新原理 矛盾矩陣表 2.3通用工程參數(shù)與發(fā)明原理建立的關(guān)系，稱為技術(shù)矛盾矩陣 30 二、技術(shù)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(shù))運(yùn)動物體使用能量 運(yùn)動物體質(zhì)

11、量靜止物體質(zhì)量 運(yùn)動物體尺寸速度31速度 運(yùn)動物體尺寸 靜止物體質(zhì)量 運(yùn)動物體質(zhì)量 系統(tǒng)改善 的特性(參數(shù))制造精度 二、技術(shù)矛盾與創(chuàng)新原理 技術(shù)矛盾解決實例 2.4案例航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)喘振問題的解決問題描述：為了提高航空發(fā)動機(jī)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(jī)的喘振裕度，尤其在發(fā)動機(jī)加減速時。 技術(shù)沖突分析：“壓比的提高”(希望改善的技術(shù)特性)和 “壓氣機(jī)的穩(wěn)定性低”(惡化的技術(shù)特性)是該系統(tǒng)中發(fā)生沖 突的兩個參數(shù)。 32 案例航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)喘振問題的解決建議： 原理35 物理或化學(xué)參數(shù)改變原理原理33 同質(zhì)性原理 原理2 抽取原理 原理 40 復(fù)合材料

12、原理 解決方案： 應(yīng)用創(chuàng)新原理2，在發(fā)動機(jī)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(chǎn)生影響的部分或?qū)傩?從物體中抽出必要的部分或?qū)傩?2. 案例航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)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(dǎo)致 渦輪做功能力下降，使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度降低，延長了發(fā)動機(jī)起動時間 技術(shù)沖突分析：“穩(wěn)定性提高”(希望改善的技術(shù)特性)和“發(fā)動機(jī)起動速度低”(惡化的技術(shù)特性)是該系統(tǒng)中發(fā)生沖突的兩個參數(shù)。 34 案例 航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)喘振問題的解決建議：原理33 同質(zhì)性原理 原理15 動態(tài)性原理 原理28 機(jī)械系統(tǒng)替代原理原理 18 機(jī)械振動原理 解決方案： 應(yīng)用創(chuàng)新原

13、理15，采取雙轉(zhuǎn)子核心機(jī)、靜子可調(diào)葉片等結(jié)構(gòu)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(yùn)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(jī)壓氣機(jī)喘振問題的解決最終解決方案： 發(fā)動機(jī)采取放氣、可調(diào)葉片或雙轉(zhuǎn)子核心機(jī) 案例航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)喘振問題的解決喘振失速的科學(xué)原理：壓氣機(jī)葉片出口發(fā)生分離，堵塞了 壓氣機(jī)流道，使氣流向發(fā)動機(jī)進(jìn)口反向流動，造成“前喘后堵”的現(xiàn)象。 通過對喘振失速機(jī)理的研究，形成了非定?？諝鈩恿W(xué)、流動控制等新的專業(yè)研究方向，理論指導(dǎo)工程設(shè)計。產(chǎn)生了機(jī)匣處理、吸附式壓氣機(jī)、雙級離心壓氣機(jī)等先進(jìn)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(xiàn)某種功能，一個子系統(tǒng)或元件應(yīng)具有某種特性，但該特性出現(xiàn)的同時會產(chǎn)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(xiàn)： 。系統(tǒng)中有害性能降低的同時導(dǎo)致該系統(tǒng)中有用性能的降低； 系統(tǒng)中有用性能增強(qiáng)的同時導(dǎo)致該系統(tǒng)中有害性能的增強(qiáng)。 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(dāng) 系統(tǒng)矛盾雙方在某一空

15、間只出現(xiàn)一方時，空間分離是可能的。渦軸發(fā)動機(jī)中動力渦輪與燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)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(dāng)系統(tǒng)矛盾雙方在某一時間只出現(xiàn)一方時，時間分離是可能的。組合壓氣機(jī)可調(diào)靜子葉片 隨著轉(zhuǎn)速的增加，靜子葉片逐漸打開，避免了壓氣機(jī)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(jī)矢量噴管 根據(jù)飛機(jī)在不同時間的需要，將渦扇發(fā)動機(jī)尾噴管設(shè)計成可調(diào)的形式，滿足飛機(jī)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(dāng)系統(tǒng)矛盾雙方

16、在某一條件性下只出現(xiàn)一方時，條件分離是可能的。 渦輪軸發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)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(dāng)系統(tǒng)矛盾雙方在系統(tǒng)層次只出現(xiàn)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(jī) （1（）（3） 四、基于TRIZ理論的新概念航空發(fā)動機(jī) 波轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī) 第1步：確定技術(shù)參數(shù) 選擇“功率” 作為改善的參數(shù)， 選擇“溫度” 作為惡化的參數(shù) 溫度 功率 四、基于TRIZ理論的新概念航空發(fā)動機(jī) 波轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī) 第2步：查找矛盾矩陣運(yùn)動物體使用能量 惡化的工程參數(shù) 運(yùn)動物體質(zhì)量運(yùn)

17、動物體尺寸靜止物體質(zhì)量速度運(yùn)動物體質(zhì)量 靜止物體質(zhì)量 運(yùn)動物體尺寸 功率 改善的工程參數(shù) 溫度 四、基于TRIZ理論的新概念航空發(fā)動機(jī) 波轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī) 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(xiàn)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(wù)原理。使物體具有自補(bǔ)充、自恢復(fù)功 能。 四、基于TRIZ理論的新概念航空發(fā)動機(jī) 波轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī) 第4步：發(fā)明原理應(yīng)用 No.17和No.25這兩個發(fā)明原理最為有效，可以達(dá)到既 提高發(fā)動機(jī)功率的同時，而可以滿足溫度不提高的要求 根據(jù)組合原理，將波轉(zhuǎn)子與渦

18、軸發(fā)動機(jī)相結(jié)合，提出了波轉(zhuǎn)子渦軸發(fā)動機(jī)的概念 四、基于TRIZ理論的新概念航空發(fā)動機(jī) 波轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī) 波轉(zhuǎn)子是利用不穩(wěn)定的波對不同能量密度的氣流進(jìn)行能量交換的設(shè)備 四、基于TRIZ理論的新概念航空發(fā)動機(jī) 波轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī) 可在不對現(xiàn)有發(fā)動機(jī)做重大改動、不顯著增加發(fā)動機(jī)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(jī) 波轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī) 發(fā)動機(jī)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(jī)單位功率提高20%。 五、從技術(shù)進(jìn)化看航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展模式一技術(shù)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(dǎo)致矛盾出現(xiàn)模式四增加動態(tài)性和可控性 模式五技術(shù)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(jìn)化 模式八提高自動化程度和智能化程度 五、從技術(shù)進(jìn)化看航空發(fā)動機(jī)的發(fā)