軸流壓氣機(jī)喘振狀態(tài)下的聲學(xué)特征及診斷方法

杜 軍，文 璧，劉元是

(中國(guó)航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川綿陽(yáng) 621010)

1 引言

軸流壓氣機(jī)作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件，其工作穩(wěn)定性引起了科研人員的廣泛關(guān)注，其中喘振這種不穩(wěn)定工作狀態(tài)是較熱門的一個(gè)研究方向。壓氣機(jī)喘振是氣流沿軸線方向發(fā)生的低頻率(通常為幾赫茲或十幾赫茲)、高振幅氣流振蕩現(xiàn)象[1]，喘振發(fā)生時(shí)一般會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)、轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、流量波動(dòng)、推力下降等現(xiàn)象。此外，還會(huì)產(chǎn)生非常明顯的低頻噪聲，為氣流在葉片通道內(nèi)嚴(yán)重分離所致。壓氣機(jī)喘振時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大激振力，可能導(dǎo)致葉片斷裂，最終釀成嚴(yán)重事故。如何通過測(cè)試對(duì)喘振進(jìn)行識(shí)別并快速作出相關(guān)診斷是科研人員研究的重要課題。國(guó)內(nèi)外對(duì)喘振的研究主要是采取動(dòng)態(tài)壓力參數(shù)測(cè)試并應(yīng)用其結(jié)果進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)[2-8]，目前喘振診斷的主要檢測(cè)方法有統(tǒng)計(jì)特征法[9]、動(dòng)態(tài)壓力方差法[10]、脈動(dòng)壓力變化率法[11]、小波分析法[12]等方法。但這些方法大多采用的是閾值法，即當(dāng)計(jì)算的某種參數(shù)大于設(shè)定閾值時(shí)即判斷為喘振發(fā)生，為此需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐來確定其閾值，這會(huì)導(dǎo)致多個(gè)方法在工程上無法應(yīng)用。

由于壓氣機(jī)處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生異常的聲學(xué)現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究。Morini 等[13]對(duì)一多級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)行了聲學(xué)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)不穩(wěn)定工作狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生明顯異常的BPF高頻聲學(xué)特征。Anthony[14]運(yùn)用聲學(xué)測(cè)試及SDP 分析方法對(duì)低速軸流風(fēng)扇失速特征進(jìn)行了可視化呈現(xiàn)。曹昳劼等[15]對(duì)壓氣機(jī)的喘振聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試，獲取了喘振的聲學(xué)信號(hào)特征。但這些研究主要是對(duì)壓氣機(jī)的不穩(wěn)定聲學(xué)特征進(jìn)行呈現(xiàn)，未進(jìn)行相關(guān)診斷研究。本文以某型軸流壓氣機(jī)試驗(yàn)為依托，進(jìn)行了喘振狀態(tài)下的聲學(xué)測(cè)量，通過研究喘振狀態(tài)下的聲學(xué)特征并應(yīng)用相關(guān)數(shù)據(jù)算法，成功完成了對(duì)喘振故障的診斷，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)喘振故障研究提供了一種新的方法。

2 喘振聲學(xué)測(cè)量

以某型多級(jí)軸流壓氣機(jī)為測(cè)試對(duì)象，在風(fēng)扇/壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行喘振狀態(tài)下的聲學(xué)測(cè)量。測(cè)量傳感器為6.35 mm 的麥克風(fēng)傳感器，可用于自由場(chǎng)及壓力場(chǎng)環(huán)境下的聲壓測(cè)量。由于使用溫度的限制，測(cè)點(diǎn)采用齊平的方式安裝在軸流壓氣機(jī)進(jìn)口轉(zhuǎn)接段機(jī)匣壁面，并位于壓氣機(jī)進(jìn)口截面逆航向逆時(shí)針周向225°處，具體測(cè)點(diǎn)布置見圖1。信號(hào)采樣率設(shè)置為50 kHz。測(cè)試前采用標(biāo)準(zhǔn)活塞發(fā)生器對(duì)傳感器進(jìn)行了校準(zhǔn)。試驗(yàn)分別錄取了多級(jí)軸流壓氣機(jī)在相對(duì)換算轉(zhuǎn)速nr=50.0%，60.0%，70.0%，80.0%，85.0%，92.5%，95.0%，97.5%狀態(tài)下的喘振聲學(xué)數(shù)據(jù)。

圖1 聲學(xué)測(cè)量測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.1 The diagram of acoustic signal measurement points

3 喘振聲學(xué)特征

由于試驗(yàn)錄取的各狀態(tài)下的喘振聲壓信號(hào)具有相似性，文中僅選擇nr=85.0%狀態(tài)下的信號(hào)進(jìn)行展示，見圖2。由圖可看出，喘振發(fā)生時(shí)聲壓信號(hào)發(fā)生了大幅度波動(dòng)。局部放大顯示，該波動(dòng)是一種大幅度的低頻波動(dòng)，而在正常穩(wěn)定工作的軸流壓氣機(jī)中是不存在這種低頻聲壓信號(hào)的。

圖2 nr=85.0%狀態(tài)下的聲壓信號(hào)時(shí)域圖Fig.2 Time domain diagram and surge local amplification diagram when nr=85.0%

為研究喘振發(fā)生時(shí)聲壓信號(hào)的頻域特性，對(duì)喘振聲壓信號(hào)進(jìn)行了頻域分析，結(jié)果見圖3。圖中，顏色代表頻率幅值。由于喘振時(shí)聲壓信號(hào)的頻率成分變化主要集中在低頻部分，因此顯示的頻率上限只給到了200 Hz。由圖可看出，不同轉(zhuǎn)速下的喘振時(shí)頻分析結(jié)果存在高度的相似性，主要表現(xiàn)為：壓氣機(jī)正常穩(wěn)定工作狀態(tài)下，不存在明顯的低頻聲學(xué)特征信號(hào)；喘振時(shí)，聲壓信號(hào)以低頻成分占主，主要集中在約80 Hz以下，且是一種寬帶信號(hào)。此外，壓氣機(jī)在喘振狀態(tài)下的聲學(xué)頻域特征與其轉(zhuǎn)速無關(guān)，不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。

4 喘振診斷方法

上述研究表明，軸流壓氣機(jī)喘振狀態(tài)下的聲學(xué)頻域特征與正常穩(wěn)定工作時(shí)有明顯區(qū)別，主要表現(xiàn)在低頻部分，因此考慮應(yīng)用能量比方法對(duì)喘振進(jìn)行診斷，具體診斷流程見圖4。將聲壓信號(hào)的低頻能量與其余能量進(jìn)行比較，若比值不小于50%，則喘振發(fā)生，輸出1；若比值小于50%，則喘振未發(fā)生，輸出0。

應(yīng)用能量比方法對(duì)各換算轉(zhuǎn)速下的軸流壓氣機(jī)喘振聲壓信號(hào)進(jìn)行了診斷研究，結(jié)果見圖5。由圖可見，能量比方法對(duì)各換算轉(zhuǎn)速下的喘振均做出了正確的診斷。由此可認(rèn)為，應(yīng)用聲學(xué)測(cè)量與能量比分析相結(jié)合的方法可有效診斷喘振。其中，本研究中應(yīng)用能量比診斷方法的預(yù)警遲滯時(shí)間Δt≤0.164 s(Δt=N/fs，N為數(shù)據(jù)分析點(diǎn)數(shù)，fs為采樣率)。為在保證頻率分辨率的條件下盡量縮短預(yù)警遲滯時(shí)間，建議數(shù)據(jù)分析點(diǎn)數(shù)取8 192。

圖3 不同換算轉(zhuǎn)速下喘振的時(shí)頻分析Fig.3 The time-frequency analysis of surge at different correction speed

圖4 喘振診斷方法流程Fig.4 The flow chart of surge diagnostic methods

5 結(jié)論

研究了軸流壓氣機(jī)的喘振聲學(xué)特征，利用能量比分析方法對(duì)喘振故障進(jìn)行了診斷，主要結(jié)論為：

(1) 軸流壓氣機(jī)喘振發(fā)生時(shí)聲壓信號(hào)會(huì)發(fā)生大幅度的低頻波動(dòng)現(xiàn)象，而正常穩(wěn)定工作中不存在這種現(xiàn)象。喘振發(fā)生時(shí)聲壓信號(hào)以低頻成分占主，頻率成分主要集中在約80 Hz 以下，且這種低頻信號(hào)是一種寬帶信號(hào)。

(2) 軸流壓氣機(jī)在喘振狀態(tài)下的聲壓信號(hào)頻域特征與轉(zhuǎn)速無關(guān)，不隨轉(zhuǎn)速的變化而變化。

(3) 應(yīng)用聲學(xué)測(cè)量與能量比分析相結(jié)合的方法可有效診斷軸流壓氣機(jī)喘振，其預(yù)警遲滯時(shí)間與數(shù)據(jù)分析點(diǎn)數(shù)和采樣率有關(guān)。

圖5 不同換算轉(zhuǎn)速下喘振診斷結(jié)果Fig.5 The results of surge at different correction speeds