航空發(fā)動(dòng)機(jī)失穩(wěn)特征信號(hào)甄別

王克宏，唐世建，屈衛(wèi)東

航空發(fā)動(dòng)機(jī)失穩(wěn)特征信號(hào)甄別

王克宏1，唐世建1，屈衛(wèi)東2

(1.中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院，四川成都610500；2.上海交通大學(xué)，上海200240)

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)失穩(wěn)時(shí)的重要表征——喘振信號(hào)開(kāi)展檢測(cè)、判別和處理方法的研究。通過(guò)失穩(wěn)信號(hào)處理器實(shí)時(shí)獲取壓氣機(jī)壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)，采用時(shí)域診斷分析方法完成對(duì)失穩(wěn)信號(hào)的在線檢測(cè)和預(yù)警。經(jīng)壓縮部件臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，失穩(wěn)信號(hào)處理器能成功分離出喘振狀態(tài)下的失穩(wěn)信號(hào)特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)失穩(wěn)信號(hào)較為準(zhǔn)確的捕獲，采用的失穩(wěn)判定方法有效。研究結(jié)果表明：失穩(wěn)特征信號(hào)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確甄別，是發(fā)動(dòng)機(jī)失穩(wěn)主動(dòng)控制的先決條件，提高失穩(wěn)特征信號(hào)判別的正確率，可有效避免發(fā)動(dòng)機(jī)失穩(wěn)過(guò)程中信號(hào)的誤判、漏判。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)；失穩(wěn)特征信號(hào)；發(fā)動(dòng)機(jī)喘振；旋轉(zhuǎn)失速；時(shí)域診斷分析方法

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制和使用過(guò)程中，存在著以壓縮部件旋轉(zhuǎn)失速或喘振為特征的發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)問(wèn)題，主要表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)流量、推力強(qiáng)烈振蕩或燃燒室熄火等現(xiàn)象。如何準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)失穩(wěn)檢測(cè)、監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)、消除發(fā)動(dòng)機(jī)不穩(wěn)定工作狀態(tài)、保護(hù)飛行器安全，已成為發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中越來(lái)越重要的工作。發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性的研究，不僅關(guān)系著飛行器的飛行安全，而且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性理論研究的深入及設(shè)計(jì)水平的提高，其成果可直接提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能、縮短研制周期、降低研制難度。

國(guó)內(nèi)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)防喘控制技術(shù)方面已開(kāi)展了多年研究，但由喘振特征信號(hào)甄別技術(shù)不足導(dǎo)致的漏報(bào)、誤判現(xiàn)象，始終是防喘控制的技術(shù)瓶頸。本文通過(guò)試驗(yàn)分析某型發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮部件臺(tái)架試驗(yàn)的失速和喘振信號(hào)，掌握壓縮部件氣動(dòng)失穩(wěn)特征，深化失穩(wěn)信號(hào)預(yù)警診斷技術(shù)研究，采用數(shù)字式電子處理裝置完成失穩(wěn)信號(hào)的處理、判斷及控制指令的發(fā)出，是發(fā)動(dòng)機(jī)喘振控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)最前端且最關(guān)鍵的研究?jī)?nèi)容。

2 失穩(wěn)特征參數(shù)選取

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的失穩(wěn)特征由多個(gè)參數(shù)表征，喘振是其重要特征之一。圖1為喘振時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)流道中參數(shù)常見(jiàn)的變化情況：壓氣機(jī)出口壓力p3和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口空氣流量W2強(qiáng)烈脈動(dòng)，高、低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速nH、nL急劇下降，低壓渦輪出口溫度T5急劇上升，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口壓力p2瞬間突升，推力F急劇下降等[1]。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)喘振時(shí)工作參數(shù)的變化Fig.1 Dynamic performance of engine surge

為確定發(fā)動(dòng)機(jī)的不穩(wěn)定過(guò)程特征，失穩(wěn)信號(hào)參數(shù)原則上可選擇某個(gè)單獨(dú)參數(shù)或某些參數(shù)組合，如可選擇壓氣機(jī)進(jìn)出口壓力、渦輪出口溫度、高低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等參數(shù)。但因?yàn)槭Х€(wěn)發(fā)生的瞬時(shí)性特點(diǎn)，最重要的是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮部件失穩(wěn)初始擾動(dòng)實(shí)施實(shí)時(shí)、精確監(jiān)測(cè)和甄別。由圖1可見(jiàn)，在喘振過(guò)程中，壓力、溫度和轉(zhuǎn)速三類參數(shù)均有明顯變化，但從發(fā)動(dòng)機(jī)工作的瞬時(shí)性角度分析，溫度、轉(zhuǎn)速信號(hào)的變化較壓力信號(hào)趨于漸變，變化周期較長(zhǎng)，且溫度信號(hào)的滯后性不利于失穩(wěn)實(shí)時(shí)判斷，轉(zhuǎn)速由燃油量控制致使失穩(wěn)判定缺乏直接性；壓力信號(hào)的瞬態(tài)變化較為劇烈，幅度大，易于分辨。因此，采用渦輪出口溫度、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速作為失穩(wěn)特征信號(hào)不能全面反映發(fā)動(dòng)機(jī)失穩(wěn)信息，而選擇以壓力脈動(dòng)形式出現(xiàn)的壓氣機(jī)出口壓力作為失穩(wěn)判定的特征參數(shù)較佳，溫度、轉(zhuǎn)速信號(hào)可作為組合輔助判定參數(shù)。

3 喘振模型建模及仿真

壓縮部件的喘振模型在經(jīng)典Moore-Greitzer模型(M-G模型)基礎(chǔ)上建立。該模型由壓升、平均流量系數(shù)、擾動(dòng)流量系數(shù)三個(gè)方程構(gòu)成耦合偏微分方程組，能較好地描述旋轉(zhuǎn)失速和喘振等失穩(wěn)現(xiàn)象，預(yù)測(cè)壓縮系統(tǒng)進(jìn)入旋轉(zhuǎn)失速前的模態(tài)擾動(dòng)波，可用于系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、失速與喘振的數(shù)值模擬等方面。參照文獻(xiàn)[2]、[3]，在MatLab環(huán)境下建立了如圖2所示的壓氣機(jī)低階喘振模型。為便于對(duì)失穩(wěn)特征信號(hào)進(jìn)行數(shù)值仿真分析，將M-G模型的偏微分方程進(jìn)行了非線性常微分化處理。圖3為氣動(dòng)失穩(wěn)時(shí)壓力信號(hào)的仿真結(jié)果，從失穩(wěn)產(chǎn)生的過(guò)程看，壓氣機(jī)正常工作時(shí)，壓力信號(hào)按照相對(duì)小的幅值上下波動(dòng)；當(dāng)壓氣機(jī)產(chǎn)生失速團(tuán)時(shí)，壓力脈動(dòng)振幅增大，隨著失速團(tuán)軸向傳播，壓力脈動(dòng)會(huì)有與轉(zhuǎn)速密切相關(guān)的相對(duì)固定的頻率。另外，每個(gè)喘振循環(huán)均起始于旋轉(zhuǎn)失速，且壓縮部件失穩(wěn)過(guò)程的物理現(xiàn)象與壓氣機(jī)特性有關(guān)。壓氣機(jī)特性較陡，失穩(wěn)現(xiàn)象將以喘振形式出現(xiàn)；壓氣機(jī)特性較平，失穩(wěn)現(xiàn)象將以旋轉(zhuǎn)失速形式出現(xiàn)。圖4為失速、喘振仿真時(shí)的時(shí)頻特性，通過(guò)時(shí)頻分析提取壓力信號(hào)中與轉(zhuǎn)速相關(guān)的頻率變化特性，可作為壓縮部件失速、喘振時(shí)的頻率預(yù)警標(biāo)識(shí)。

圖2 壓縮部件喘振模型Fig.2 The surge model of compression components

圖3 喘振時(shí)的壓力信號(hào)仿真Fig.3 The pressure signal simulation during surge

4 喘振信號(hào)預(yù)警

發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，喘振信號(hào)的預(yù)測(cè)和報(bào)警是決定發(fā)動(dòng)機(jī)防喘控制成效的關(guān)鍵因素，故喘振信號(hào)的采集、處理及準(zhǔn)確辨析尤為重要。喘振信號(hào)報(bào)警過(guò)早或誤報(bào)，使發(fā)動(dòng)機(jī)采取動(dòng)作主動(dòng)消喘，將大大降低發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率和效率；預(yù)測(cè)過(guò)遲或漏報(bào)，將使發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有足夠時(shí)間在失穩(wěn)前采取相應(yīng)防御措施，給發(fā)動(dòng)機(jī)和飛行器帶來(lái)極大的安全隱患。

圖4 失速、喘振時(shí)頻特性Fig.4 The composite curves of time-frequency characteristic during surge and stall

喘振信號(hào)的采集、處理由失穩(wěn)信號(hào)處理器完成。失穩(wěn)信號(hào)處理器是發(fā)動(dòng)機(jī)防喘控制系統(tǒng)的前置處理單元，由壓力數(shù)據(jù)采集模塊、檢測(cè)模塊和數(shù)據(jù)記錄裝置等組成?；谂_(tái)架試驗(yàn)考慮，失穩(wěn)信號(hào)處理器采用嵌入式處理器和FPGA硬件架構(gòu)[4](圖5)。在RTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)上，由硬件控制A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，最大限度地提高了系統(tǒng)的信號(hào)采集和處理能力；通過(guò)相應(yīng)的軟件算法和邏輯控制，實(shí)時(shí)輸出喘振預(yù)警信號(hào)。數(shù)據(jù)處理單元用于提取失穩(wěn)信號(hào)特征和檢測(cè)算法，實(shí)時(shí)處理來(lái)自數(shù)據(jù)采集單元的壓力數(shù)據(jù)。在特征壓力信號(hào)采集實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的情況下，通過(guò)可靠的信號(hào)診斷和預(yù)測(cè)算法，降低失穩(wěn)先兆的漏報(bào)和誤報(bào)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)防喘控制系統(tǒng)有效工作。

喘振信號(hào)處理的關(guān)鍵，是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)失穩(wěn)先兆信號(hào)的數(shù)據(jù)診斷。圖6為喘振信號(hào)診斷處理流程，采用了數(shù)據(jù)融合技術(shù)的綜合診斷方法[5]。數(shù)據(jù)融合的主要目的，是建立對(duì)壓力脈動(dòng)信號(hào)診斷信息的置信因子、嚴(yán)重性和優(yōu)先權(quán)，通過(guò)綜合診斷輸出提高預(yù)警的可靠性。結(jié)合實(shí)際控制需求，采用低通濾波技術(shù)進(jìn)行失穩(wěn)信號(hào)的抗干擾和濾波設(shè)計(jì)。選取合適的濾波頻率，對(duì)傳感器采集的壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行低通濾波，圖7為低通濾波結(jié)果示意圖。該圖較為準(zhǔn)確地反映出：在進(jìn)入喘振之前一段時(shí)間壓力擾動(dòng)增大，在接近喘振點(diǎn)前壓力脈動(dòng)幅值明顯增大。

圖5 系統(tǒng)硬件原理圖Fig.5 The schematic diagram of system hardware

圖6 喘振信號(hào)診斷處理流程Fig.6 The flow chart of surge calculation

圖7 壓力信號(hào)的低通濾波Fig.7 The complex chart of low-pass filtering for the pressure signal

5 試驗(yàn)分析

真實(shí)喘振狀態(tài)通過(guò)臺(tái)架上試驗(yàn)件轉(zhuǎn)速上升到規(guī)定值后的節(jié)流方法實(shí)現(xiàn)。采用檢測(cè)壓氣機(jī)率先失速級(jí)的壓力信號(hào)，根據(jù)其失速時(shí)壓力信號(hào)變化的特征表征失速/喘振現(xiàn)象，并以此作為喘振控制指令發(fā)送到防喘控制系統(tǒng)。

對(duì)采集到的喘振數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，得出喘振過(guò)程中的時(shí)頻特性。喘振發(fā)生前后2 s內(nèi)的原始?jí)毫?shù)據(jù)波動(dòng)見(jiàn)圖8，可見(jiàn)，喘振發(fā)生時(shí)壓力信號(hào)產(chǎn)生了明顯波動(dòng)。為進(jìn)一步分析壓力信號(hào)的脈動(dòng)情況，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理，處理后的脈動(dòng)量波形見(jiàn)圖9。可見(jiàn)，壓力信號(hào)的脈動(dòng)主頻率變小，波動(dòng)幅度增大。其物理意義實(shí)質(zhì)上是發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣流失穩(wěn)，發(fā)生了喘振。取一定閾值做二進(jìn)制判決處理，結(jié)果如圖10所示。可見(jiàn)，該判決結(jié)果清晰反映了壓力脈動(dòng)情況，可作為喘振控制預(yù)警處理信號(hào)，為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)防喘控制動(dòng)作提供較為準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的指令依據(jù)。

圖8 原始?jí)毫Σ▌?dòng)信號(hào)Fig.8 The original curve of pressure fluctuation signal

圖9 處理后的壓力脈動(dòng)信號(hào)Fig.9 The pressure fluctuation signal curve after treatment

圖10 判決結(jié)果示意圖Fig.10 Schematic diagram of the verdict

6 結(jié)束語(yǔ)

失穩(wěn)特征信號(hào)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確甄別，是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行失穩(wěn)主動(dòng)控制的先決條件。理論上，如果能準(zhǔn)確判定失穩(wěn)信號(hào)，并及時(shí)采取措施主動(dòng)抑制初始擾動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)可始終穩(wěn)定工作而不再發(fā)生失速和喘振。本文對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)失穩(wěn)特征信號(hào)的檢測(cè)、判別和處理方法進(jìn)行了研究，通過(guò)失穩(wěn)信號(hào)處理器實(shí)時(shí)獲取壓氣機(jī)壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)，采用時(shí)域診斷分析方法完成失穩(wěn)信號(hào)的在線檢測(cè)和預(yù)警。經(jīng)某發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮部件臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，失穩(wěn)信號(hào)處理器應(yīng)用良好，能成功分離出喘振狀態(tài)下的失穩(wěn)特征信號(hào)特征并實(shí)施較為準(zhǔn)確的捕獲，采用的失穩(wěn)判定方法有效。但針對(duì)失穩(wěn)特征信號(hào)的甄別技術(shù)研究，僅依靠部件試驗(yàn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須依賴于發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)真實(shí)環(huán)境試驗(yàn)，采用多種數(shù)據(jù)診斷方法積累分析，才能逐步提高對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)失穩(wěn)信號(hào)判定的準(zhǔn)確性、可靠性，降低漏報(bào)和誤報(bào)率。

[1]劉大響.航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)與評(píng)定技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2004.

[2]Gravdah J T.Modeling and Control of Surge and Rotating Stall in Compressors[D].Norway：Norwegian University of Science and Technology，1998.

[3]Longley J P.Calculating Stall and Surge Transients[R]. ASME GT2007-27378，2007.

[4]孟憲元，錢偉康.FPGA嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[5]Spakovszky Z S，Gertz J B，Sharma O P，et al.Influence of Compressor Deterioration on Engine Dynamic Behavior and Transient Stall-Margin[J].ASME Journal of Turboma?chinery，2000，122：477—489.

Instability Signal Detecting and Early Warning of Aero-Engine

WANG Ke-hong1，TANG Shi-jan1，QU Wei-dong2
(1.China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China；2.Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China)

For the surge signal,an important instability characteristic of aero-engine,detection，identifica?tion and processing method research were carried out.Real time pressure data of compressor was obtained by instable signal processor and online detection and pre-warning were accomplished by time domain diag?nosis method.Bench test of compression components validated that signal processor successfully captured the instable signal and differentiated the characteristics with effective method.The results show that the ac?curate discrimination of real-time instable signal is the precondition for active control and the improvement of discrimination accuracy could effectively avoid the misjudgment or pretermission of signal.

aero-engine control system；instability control signal；engine surge；rotating stall；time domain diagnosis analysis

V233.7

A

1672-2620(2013)04-0051-03

2013-01-14；

2013-06-18

王克宏(1967-)，男，河北豐南人，高級(jí)工程師，主要從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制及試驗(yàn)研究工作。