壓氣機失速信號分析

姜椿陽

摘 要 以壓氣機失速信號分析為目標，選用MATLAB作為信號分析平臺，采用時域分析法、頻域分析法進行信號分析，并考慮在得到壓氣機葉片參數(shù)和轉數(shù)等信息后，采用濾波的方法做更深入的分析。

關鍵詞 壓氣機；失速信息；信號分析

中圖分類號 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）164-0229-02

在本課題中，由于未給出壓氣機轉子葉片數(shù)量、壓氣機轉速等信息，所以，這些信息我們必須通過信號分析得到，此外，我們還需得到失速征兆以及由擾動產(chǎn)生到進入失速所經(jīng)歷的時間，同時，在可能的情況下，我們還應判斷出失速的基本類型，包括辨析出是突變失速還是漸進失速、全展向失速還是部分展向失速等，以及失速團的個數(shù)。

為了得到以上信息，我選用MATLAB作為信號分析的平臺，主要采用了時域分析法、頻域分析法進行信號分析，并考慮在得到壓氣機葉片參數(shù)和轉數(shù)等信息后，采用濾波的方法做更深入的分析。

1 信號分析

時域分析：

信號1：105800A.dat

如圖1所示，即為近設計點工況時域圖，橫坐標按采集點個數(shù)均分，由于采樣頻率恒定為12K，采樣時間為5s，所以采集點個數(shù)也就表征了時間。由上圖可以看出，近工況狀態(tài)下，前緣、50%弦長和尾緣的壓強信號基本保持穩(wěn)定，只是在小范圍內有脈動，將測得參數(shù)按按時間平均，并設前緣靜壓平均量為P1，50%弦長處P2，尾緣P3，則有P1=2.544，P3=3.013，于是得近設計點工況增壓比n1=P1/P3=1.184。

如圖2所示，壓氣機的近失速點實際即為壓氣機葉片氣流分離點位于50%弦長處時，此時，微小擾動即可導致壓氣機進入失速狀態(tài)。按上一數(shù)據(jù)的處理方法，我們得到近失速點壓比為n2=1.156，較近設計點工況略小，這是由于流動的分離導致壓氣機效率降低造成的/但是當進入失速狀態(tài)時（近失速狀態(tài)），我們可以定性的分析出尾緣處靜壓與前緣處靜壓在數(shù)值上呈現(xiàn)近似的負相關關系，這是由失速團的性質決定的，并且，節(jié)流閥開啟后，壓氣機增壓絕對值突然上升又劇烈下降，最后，成周期性變化，由此可以初步判定該失速類型為突變型失速。

信號2：105800stall.dat

為了對該信號進行更深入分析以獲得與失速相關的時間信息，我選用MATLAB自帶的FIRbp濾波器對葉片前緣的靜壓信號做了濾波處理。由上圖直觀的可以看出，波形的主要信息頻率小于100Hz，脈動項也小于100dB，高頻部分的截止頻率為Fstop=100Hz，截止幅值為100dB。得到濾波后的波形圖如圖3：

可見，在采樣時間略超過3s處，節(jié)流引起的擾動傳遞到了葉片前緣，并且誘發(fā)了失速，并在3.47s時，壓氣機開始進入到失速狀態(tài)。由此我們也可以判斷，對于該型壓氣機，失速的征兆為壓氣機前緣壓力進入小幅無序脈動，并在約0.5s后進入周期性脈動，并最終開始失速。此外，由該信號圖還可看出，壓力脈動的振幅是由小到大最終達到一個穩(wěn)定的峰值。結合葉輪機械原理中的概念，以及擾動傳遞理論，可認為在壓氣機處在不穩(wěn)定的臨界狀態(tài)時，微小擾動即可經(jīng)擴散逐步轉化為大的脈動，并由局部擴展到較大的區(qū)域。為了進一步獲得失速的信息，我們再分析完全失速狀態(tài)時采樣而得的信號3。

信號3：105800stalling.dat

由信號3的時域圖可以大致看出，該級壓氣機的壓升處在高振幅周期性震蕩中的狀態(tài)中，即表明此時壓氣機已進入喘振狀態(tài)，并且圖中壓力值的周期性脈動較為清晰，故直接數(shù)得其脈動頻率約為3Hz（15次/5秒）。

再由信號2已選用過的低通濾波器，并采用相同參數(shù)進行濾波，得到如下信息：

經(jīng)過濾波后，低頻脈動項特征得到保留，于是我們發(fā)現(xiàn)前緣壓力按照一定的周期有規(guī)律的波動，？P=0.5，T=（3.92-0.5）/10=0.342，即由失速引起的壓力脈動頻率與上文分析所得一致，約為3Hz。在缺乏壓氣機轉速、葉片參數(shù)等必要信息的情況下，我們尚無法對該失速團做定性認識，因此，我又采用頻域分析法對上述參數(shù)進行分析，以期從給定信號的頻域特性中分析得出壓氣機的轉速和葉片參數(shù)等重要信息。

2 結論

通過對本次實驗獲得的壓氣機不同狀態(tài)、不同位置的靜壓信號分析，我得到了如下結論：

1）失速將導致壓氣機增壓比急劇下降，最終使整級壓氣機失去正常工作能力。

2）本實驗臺壓氣機近失速點為氣流分離點位于50%弦長處，此時，節(jié)流造成的擾動可迫使壓氣機進入不穩(wěn)定狀態(tài)，繼而失速，本次實驗節(jié)流閥打開時間應為采樣開始后3s，而在3.47s時壓氣機進入失速狀態(tài)，為突變型失速。

3）在本次實驗中，壓氣機轉速為600rpm，葉片為17片，完全失速時失速團共一個，頻率約為3Hz，為全展向失速。

附錄：

MATLAB平臺上涉及到本次信號分析的源代碼：

頻譜圖的繪制（僅列出信號1）：

>>？x=linspace（0，12000，60000）；

>>？y1=fft（X05800A3）；y2=fft（XO5800A2）；y3=fft（ XO5800A1）；

>>？plot（x，y1，b：，x，y2，g-，x，y3，r-.）。

其他均直接采用了該平臺上的現(xiàn)成模塊，故代碼不再贅述。

參考文獻

[1]范云霄.測試技術與信號處理[M].北京：中國計量出版社，2007.

[2]周浩敏.測試信號處理技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[3]朱明武.測試信號處理與分析[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[4]謝峰.基于小波分析的航空發(fā)動機旋轉失速檢測方法[J].航空動力學報，2006.

[5]靳希，楊爾濱，趙玲.信號處理原理與應用[M].2版.北京：清華大學出版社，2008，11.