基于小波分析的渦扇發(fā)動機(jī)起動過程壓力脈動研究

文璧，張浩，鐘明，何毅娜

(中國燃?xì)鉁u輪研究院航空發(fā)動機(jī)高空模擬技術(shù)重點實驗室，四川江油621703)

基于小波分析的渦扇發(fā)動機(jī)起動過程壓力脈動研究

文璧，張浩，鐘明，何毅娜

(中國燃?xì)鉁u輪研究院航空發(fā)動機(jī)高空模擬技術(shù)重點實驗室，四川江油621703)

利用小波分析所具有的時頻特性特點，針對渦扇發(fā)動機(jī)起動過程存在的壓力脈動異?，F(xiàn)象，獲取信號隨轉(zhuǎn)速變化的頻譜圖。重點介紹了發(fā)動機(jī)脈動頻率分析方法，并結(jié)合試驗測點布局，根據(jù)不同脈動的頻率特點，對其脈動成分進(jìn)行分解，分析出脈動頻率產(chǎn)生的原因，為發(fā)動機(jī)起動問題的解決提供支持。研究結(jié)果表明：利用小波分析進(jìn)行發(fā)動機(jī)起動過程的脈動異常研究，形象、直觀，具有一定的工程應(yīng)用價值。

航空發(fā)動機(jī)；氣動失穩(wěn)；小波分析；脈動；測點布局；故障檢測

1 引言

發(fā)動機(jī)試驗過程中，動態(tài)壓力測試主要用于檢測各個部件的流場匹配和監(jiān)控發(fā)動機(jī)安全狀態(tài)，為發(fā)動機(jī)的性能調(diào)節(jié)和控制提供支持。發(fā)動機(jī)起動過程中，動態(tài)壓力測試信號是非平穩(wěn)的，不能采用傳統(tǒng)的傅里葉變換進(jìn)行分析，而小波分析以其良好的時頻特性，成為信號分析的有力工具[1]。目前的研究[2-3]多利用小波分析對壓氣機(jī)的失速信號進(jìn)行檢測，尚無公開文獻(xiàn)記載利用小波分析對發(fā)動機(jī)的起動過程進(jìn)行研究。

某型渦扇發(fā)動機(jī)在起動過程中，動態(tài)壓力信號出現(xiàn)異常頻率，起動性能不佳，易進(jìn)入深度失速。針對這一現(xiàn)象，本文利用小波變換對發(fā)動機(jī)起動過程的動態(tài)壓力信號進(jìn)行分析處理，獲得了起動過程中壓氣機(jī)出口動態(tài)壓力信號隨轉(zhuǎn)速變化的頻譜圖，分析了起動過程中的脈動頻率，并探究出脈動頻率產(chǎn)生的原因。

2 信號獲取及數(shù)據(jù)處理

此次發(fā)動機(jī)起動試驗共安排了7個動態(tài)壓力傳感器測點(圖1)：發(fā)動機(jī)進(jìn)口流量管脈動靜壓2點，風(fēng)扇第2級轉(zhuǎn)子葉尖脈動靜壓2點(測點相位相差180°)，風(fēng)扇出口脈動靜壓1點，壓氣機(jī)出口脈動靜壓1點，外涵出口外壁脈動靜壓1點。動態(tài)壓力傳感器測量的脈動壓力信號，經(jīng)調(diào)理后輸入采集板卡并存儲。利用Matlab軟件平臺[4]編寫數(shù)據(jù)處理程序，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分析及處理。

圖1 動態(tài)壓力傳感器測點分布示意圖Fig.1 The distribution of measuring points

3 發(fā)動機(jī)起動脈動頻率分析

發(fā)動機(jī)正常起動過程中，壓力傳感器采集到的是有規(guī)律的壓力脈動信號和噪聲信號[5]；發(fā)動機(jī)出現(xiàn)失速和軸向脈動時，會引起壓力波動，并混雜在原有壓力信號中。發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)出口脈動靜壓p主要由四部分組成：

式中：p0為前面各級及風(fēng)扇增壓，由轉(zhuǎn)子對氣體做功得到，其頻率與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子頻率相等；pn為由測量噪聲引起的壓力脈動，屬于高頻分量，頻率大于轉(zhuǎn)子頻率；ps為由失速團(tuán)引起的壓力脈動，其頻率為轉(zhuǎn)子頻率的40%～60%；pz為燃燒波動等引起的軸向壓力脈動，頻率為50～5 000 Hz。

由于四部分壓力分量的頻率特性不同，所以四部分壓力脈動混在一起，無法利用時域分開。下面利用小波分析方法對起動過程信號進(jìn)行處理，根據(jù)不同脈動頻率特性對其進(jìn)行分解，對發(fā)動機(jī)起動過程中的壓力脈動現(xiàn)象進(jìn)行研究。

4 小波分析

首先對發(fā)動機(jī)起動過程的測點信號進(jìn)行分析，確定各次起動過程中不同脈動成分的發(fā)生、發(fā)展過程；然后以歷次壓氣機(jī)出口動態(tài)壓力數(shù)據(jù)為例進(jìn)行小波變換，作出發(fā)動機(jī)頻率隨轉(zhuǎn)速變化的頻譜圖。

圖2 發(fā)動機(jī)歷次起動過程頻譜圖Fig.2 The spectrum of each start-up signal

圖2示出了發(fā)動機(jī)歷次起動過程的頻譜圖。圖中，橫坐標(biāo)表征發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)表征測量信號包含頻率，顏色代表脈動強(qiáng)度。可見，圖2(a)中存在30～54 Hz、55～81 Hz和60～108 Hz三個明顯的頻率成分。其中30～54 Hz與60～108 Hz的頻率成分存在2倍頻關(guān)系，出現(xiàn)在3 300～6 000 r/min轉(zhuǎn)速之間，基頻成分隨著轉(zhuǎn)速的升高而升高，且與轉(zhuǎn)子頻率的比值固定，約為52%。55～81 Hz頻率成分出現(xiàn)在4 400～6 000 r/min轉(zhuǎn)速之間，該頻率成分與轉(zhuǎn)子頻率的比值不固定，從69%升到82%然后再降到78%。圖2(b)中存在30～62 Hz及其倍頻兩個頻率成分，出現(xiàn)在4 000～6 500 r/min轉(zhuǎn)速之間，基頻與轉(zhuǎn)子頻率的比值固定，約為52%。圖2(c)中存在59 Hz、75～90 Hz及其倍頻三個頻率成分。其中75～90 Hz及其倍頻出現(xiàn)在5 300～6 500 r/min轉(zhuǎn)速之間，基頻與轉(zhuǎn)子頻率的比值不固定；6 500 r/min以后出現(xiàn)59 Hz頻率，其與轉(zhuǎn)子頻率的比值為52%。圖2(d)中僅出現(xiàn)85～132 Hz頻率成分，出現(xiàn)在4 400～10 000 r/min轉(zhuǎn)速之間，基頻與轉(zhuǎn)子頻率的比值不固定，最高達(dá)90%。

對上述頻率成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)出口脈動壓力存在兩種頻率成分。第一種出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速3 300～6 500 r/min之間，隨轉(zhuǎn)子頻率的變化而變化，且與轉(zhuǎn)子頻率的比值固定，約為52%；同時，風(fēng)扇第2級轉(zhuǎn)子葉尖脈動靜壓兩個測點信號的相位相差180°，如圖3所示，符合失速時信號相位與測點布局相位一致的條件，初步確定為失速頻率。隨著轉(zhuǎn)速的升高，壓氣機(jī)出口脈動壓力突降，而其他測點的脈動壓力皆有所上升，發(fā)動機(jī)進(jìn)入深度失速狀態(tài)，故認(rèn)為第一種脈動為失速團(tuán)引起的壓力脈動。第1次和第2次起動都是在點火后就進(jìn)入失速，為壓氣機(jī)在低轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定裕度較低所致。第二種頻率，壓氣機(jī)出口脈動壓力信號表現(xiàn)得較為明顯，風(fēng)扇第2級轉(zhuǎn)子葉尖脈動靜壓兩個測點實測信號無相位差，排除旋轉(zhuǎn)失速可能；同時，由于其脈動頻率高，最高達(dá)轉(zhuǎn)子頻率的93%，不符合失速頻率要求，可排除失速導(dǎo)致。對第4次起動的其他測點進(jìn)行小波分析，通過圖4各測點和圖2(d)的脈動強(qiáng)度看，在轉(zhuǎn)速4 400 r/min開始出現(xiàn)第二種頻率時，壓氣機(jī)出口脈動壓力信號幅值為5.00 kPa，風(fēng)扇第2級轉(zhuǎn)子葉尖脈動靜壓幅值為0.50 kPa，流量管的脈動靜壓無幅值，風(fēng)扇出口脈動幅值為0.45 kPa，外涵出口脈動外壁靜壓幅值為0.40 kPa。結(jié)合發(fā)動機(jī)流道，判定該頻率來源于壓氣機(jī)出口和燃燒室，為軸向脈動導(dǎo)致，需考慮燃燒室進(jìn)口流場組織不穩(wěn)定。

對于此發(fā)動機(jī)起動過程中存在的脈動異?，F(xiàn)象，試驗中通過改變導(dǎo)葉角度和供油規(guī)律，也沒有改變發(fā)動機(jī)起動過程中存在的脈動異?，F(xiàn)象，可見壓氣機(jī)低速下的穩(wěn)定裕度較低，與燃燒室匹配存在問題。建議改進(jìn)壓氣機(jī)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大低速下的穩(wěn)定裕度，優(yōu)化燃燒室進(jìn)口流場。

圖3 風(fēng)扇第2級轉(zhuǎn)子葉尖脈動靜壓2測點時域圖Fig.3 The pressure signals from the 2nd stage rotor

圖4 第4次起動發(fā)動機(jī)各測點的脈動頻譜圖Fig.4 The spectrum of the 4th start-up signal

5 結(jié)論

(1)利用小波變換獲得發(fā)動機(jī)起動過程中各測點動態(tài)壓力隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化的頻譜圖，可清楚地直觀脈動測點在不同轉(zhuǎn)速下的脈動頻率，說明小波分析法在發(fā)動機(jī)起動數(shù)據(jù)處理上獲得較好的效果。

(2)發(fā)動機(jī)在起動過程中的脈動異常由兩種原因?qū)е?，一種是由于壓氣機(jī)的穩(wěn)定裕度過窄導(dǎo)致失速，失速頻率與轉(zhuǎn)子頻率的比值約為52%；另一種是由于燃燒室進(jìn)口流場組織不穩(wěn)定導(dǎo)致的軸向脈動。

[1]楊建國，夏松波，須根法.基于小波的周期信號中瞬態(tài)沖擊特征提取[J].航空動力學(xué)報，1999，14(4)：343—347.

[2]姜濤，李應(yīng)紅，李軍.某型發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)最先失速級判定的試驗研究[J].航空動力學(xué)報，2002，17(1)：80—82.

[3]呂建偉，李軍.基于時頻-小波分析的壓氣機(jī)失速過程研究[J].航空動力學(xué)報，2004，19(4)：490—494.

[4]Hanselman D，Littlefield B.精通Matlab 7[M].朱仁峰，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[5]姜濤，賈智偉，李應(yīng)紅.基于小波分析的壓氣機(jī)失速故障檢測[J].推進(jìn)技術(shù)，2003，24(1)：55—57.

Research on aerodynamic unsteadiness during turbofan engine start-up using wavelet analysis method

WEN Bi，ZHANG Hao，ZHONG Ming，HE Yi-na
(Key Laboratory on Aero-Engine Altitude Simulation Technology，China Gas Turbine Establishment，Jiangyou 621703，China)

Because of the instability of start-up signals,traditional signal processing methods such as FFT can’t be used.In this paper,the wavelet method was used for the data processing because of its time-fre?quency characteristics.According to the characteristics of engine start-up,the spectrum pressure signals were obtained.Combined with measuring point placements and the characteristics of each frequency,the pulsation was decomposed with wavelet analysis method to find out the causes generating the frequency. The study provided a support to solve the problems on engine start-up.The results show that the wavelet method is suitable for engine start-up signal analysis,which has good effects in engineering application.

aero-engine；aerodynamic unsteadiness；wavelet analysis；pulsation；measuring point placement；fault diagnosis

V235.13；V263.6

A

1672-2620(2016)01-0014-03

2014-03-19；

2015-01-26

文璧(1983-)，男，山西稷山人，工程師，碩士，主要從事航空發(fā)動機(jī)特種測試技術(shù)研究工作。