應(yīng)力波技術(shù)的液體火箭發(fā)動機試驗應(yīng)用研究

劉岳鵬 周 磊 金 誠

(北京航天試驗技術(shù)研究所 北京 100074)

1 引言

液體火箭發(fā)動機的工作過程具有高溫、高壓、高密度能量釋放等特點,使其成為影響發(fā)射任務(wù)的重要故障敏感部位。 而作為發(fā)動機核心部件的渦輪泵在高速和強振動環(huán)境下,容易發(fā)生低溫軸承保持架破碎、摩擦阻力異常增大、渦輪葉片和渦輪盤軸裂紋等故障,且據(jù)相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果顯示,渦輪泵故障多為瞬變、突發(fā)性故障,而且故障的發(fā)展非常迅速,一旦故障出現(xiàn),若不及時處理,將快速蔓延至整個發(fā)動機乃至航天運載器,造成航天任務(wù)的失敗,帶來重大經(jīng)濟損失和負面社會影響。

在常規(guī)的液體火箭發(fā)動機試驗任務(wù)中,采用轉(zhuǎn)速、振動、壓力、流量和溫度等手段監(jiān)測發(fā)動機的工作狀態(tài),這些手段往往僅能在故障已經(jīng)出現(xiàn)宏觀表征之后獲得信號反映,而且傳統(tǒng)振動檢測方法是對位移和加速度等運動學信號進行檢測,但設(shè)備的早期微小缺陷或低轉(zhuǎn)速狀態(tài)的故障不足以激起設(shè)備的明顯振動,且故障信號很容易湮沒在較強的正常振動噪聲中,影響故障診斷的有效性。

因此,為了提高液體火箭發(fā)動機試驗中渦輪泵異常狀態(tài)的早期故障識別能力與效率,本文提出一種采用應(yīng)力波技術(shù)的渦輪泵早期缺陷和故障檢測方案,搭建系統(tǒng)檢測平臺,通過YF-XX 發(fā)動機點火試驗掌握應(yīng)力波數(shù)據(jù)獲取和故障表征分析方法,驗證應(yīng)力波檢測技術(shù)在液體火箭發(fā)動機試驗應(yīng)用中的有效性與可靠性。

2 應(yīng)力波技術(shù)原理

2.1 應(yīng)力波的產(chǎn)生

應(yīng)力波是因物體接觸面間的相對運動(如摩擦、碰撞或斷裂等)而產(chǎn)生瞬態(tài)應(yīng)力,引起物體內(nèi)質(zhì)點的振動和能量傳遞,從而將能量以超聲波的形式沿物體向各個方向傳播出去,其本質(zhì)是材料中的一種彈性波。 在機械設(shè)備的健康檢測任務(wù)中,應(yīng)力波通常是由于旋轉(zhuǎn)部件(如軸承、轉(zhuǎn)子、齒輪等)的失效或缺陷而造成的沖擊而產(chǎn)生,因此,對應(yīng)力波信號的分析研究是實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備故障診斷的一種有效手段。

從應(yīng)力波的形成機理和傳播特性來看,應(yīng)力波信號源自于缺陷本身,無論是設(shè)備早期的微小裂紋,還是低速下的缺陷,都會在相對運動中產(chǎn)生應(yīng)力波并沿介質(zhì)傳播出去,因此,應(yīng)力波技術(shù)對設(shè)備的早期故障監(jiān)測更加敏感。

2.2 應(yīng)力波檢測原理

機械設(shè)備運行過程中會產(chǎn)生較強的機械振動和環(huán)境噪聲,這些噪聲干擾會疊加到應(yīng)力波信號中被傳感器采集到,對故障信息的提取造成不利影響。 因此,應(yīng)力波檢測技術(shù)采用了諧振解調(diào)原理對故障特征信號進行提取。 當機械設(shè)備的旋轉(zhuǎn)部件存在局部損傷或缺陷時,在運轉(zhuǎn)過程中損傷點會與其接觸面發(fā)生碰撞并產(chǎn)生瞬態(tài)的沖擊脈沖力,由于沖擊脈沖力的頻帶很寬,會激起旋轉(zhuǎn)部件或整個設(shè)備的高頻固有振動。 這種高頻固有振動作為信號的載波,其幅值會受到這些缺陷引起的沖激脈沖的調(diào)制,從而使最終的應(yīng)力波信號波形表現(xiàn)為復雜的幅值調(diào)制波。 由于調(diào)制波的調(diào)制頻率是與旋轉(zhuǎn)設(shè)備缺陷相對應(yīng)的頻率,因此調(diào)制波的頻率成分中含有缺陷所對應(yīng)的故障特征頻率,通過一定的濾波和解調(diào)技術(shù)處理,就能有效抑制噪聲信號的干擾,將旋轉(zhuǎn)機械設(shè)備的缺陷信息分離出來,從而提高對故障模式識別的準確性。

在應(yīng)力波信號測量過程中,采用壓電傳感器,為了提升信號獲取的質(zhì)量,設(shè)計壓電敏感材料的中心諧振頻率與高頻固有振動的載波頻率相接近,這樣有助于增強應(yīng)力波信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕姆取?在實際應(yīng)用中,應(yīng)力波傳感器的諧振頻率設(shè)計為35—40 kHz以匹配產(chǎn)生的應(yīng)力波信號的狀態(tài)[1],且這一頻率高于設(shè)備的低頻振動信號(通常為0—20 kHz),使采集到的信號更關(guān)注于35—40 kHz 這一頻段內(nèi)的故障信息,降低了低頻振動對信號的影響。

因此,在對應(yīng)力波信號進行處理時采用共振解調(diào)技術(shù),先通過高頻帶通濾波器獲得調(diào)制波頻段的故障信號,再通過Hilbert 變換或峰值法等包絡(luò)解調(diào)算法,提取信號的包絡(luò)信息,從應(yīng)力波信號中提取出實際的故障脈沖,最后再經(jīng)過統(tǒng)計和頻域分析,獲得故障信號的頻譜特征,從而識別出故障的類型[2]。 圖1 所示為應(yīng)力波檢測過程的原理圖。

圖1 應(yīng)力波檢測原理圖Fig.1 Schematic diagram of stress wave detection

表1 統(tǒng)計了液體火箭發(fā)動機渦輪泵典型機械故障與特征頻率的關(guān)系[3],其中,n是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動頻率,根據(jù)信號分析后獲得的頻率特征,可以推斷出應(yīng)力波信號中包含的特定故障信息。

表1 典型機械故障與特征頻率關(guān)系Table 1 Relationship between typical mechanical failure and characteristic frequency

3 應(yīng)力波低溫檢測技術(shù)研究

根據(jù)應(yīng)力波的聲學特性可知,聲波在沿固體傳播的過程中,如果出現(xiàn)介質(zhì)特性變化,會造成部分能量發(fā)生反射或散射,使應(yīng)力波在原始傳播方向上的能量有較大衰減,不利于信號的檢測。 因此,為了使應(yīng)力波傳感器更有效地接收故障或缺陷產(chǎn)生的應(yīng)力波信號,應(yīng)盡量避免或減少在傳播路徑上出現(xiàn)分界面和焊縫等結(jié)構(gòu)。 鑒于以上原因,在液體火箭發(fā)動機試驗應(yīng)用中,為了更好地獲取旋轉(zhuǎn)部件的應(yīng)力波信號,通常需要將傳感器直接安裝在渦輪泵上。

3.1 分體式應(yīng)力波傳感器設(shè)計

常規(guī)的應(yīng)力波傳感器為避免噪聲對信號傳輸?shù)挠绊?將壓電敏感元件和調(diào)理電路封裝進傳感器殼體內(nèi),使采集到的應(yīng)力波信號能夠及時轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?這就需要保證在使用過程中,壓電敏感元件和調(diào)理電路都要在適應(yīng)的環(huán)境范圍內(nèi)工作。 根據(jù)應(yīng)力波傳感器的出廠設(shè)定,通常在-40—125 ℃都能保證傳感器的有效性。

但在液體火箭發(fā)動機試驗測試應(yīng)用中,氫氧發(fā)動機的渦輪泵在工作中需要為點火提供液氫和液氧作為燃料和氧化劑,而液氫和液氧的沸點溫度分別為-252 ℃和-183 ℃,這就導致試驗點火過程中,渦輪泵外壁及附近的溫度比較低,至少會達到-180 ℃以下。 在前期對液體火箭發(fā)動機試驗開展應(yīng)力波搭載任務(wù)過程中,發(fā)現(xiàn)在低溫下測試過的傳感器有一定概率出現(xiàn)永久性損壞,經(jīng)過廠家對損壞傳感器的檢測,確認了是放大電路損壞,而壓電敏感元件仍有效。

由于應(yīng)力波傳感器是安裝在渦輪泵外壁上,考慮溫度沿渦輪外壁傳導影響大于輻射影響,本文設(shè)計了分體式應(yīng)力波傳感器的結(jié)構(gòu),將放大電路從傳感器殼體中分離出來,避免液氫和液氧的溫度傳遞到放大電路部分,圖2 所示為常規(guī)應(yīng)力波傳感器和分體式應(yīng)力波傳感器的差異圖。 對分體式應(yīng)力波傳感器在液氮(沸點-196 ℃)下進行低溫性能測試,結(jié)果顯示傳感器能夠滿足這一低溫環(huán)境下的測試需求,且測試過程中,信號的穩(wěn)定性和傳感器的靈敏度都有良好的體現(xiàn)。

圖2 常規(guī)型與分體式應(yīng)力波傳感器差異Fig.2 Difference between conventional type and split type stress wave sensor

3.2 耦合劑

基于前面論述的應(yīng)力波傳播特性,當故障信號沿設(shè)備傳遞到傳感器接收端面時,如果接觸面耦合效果不好,中間會存在空氣層,造成信號衰減,影響接收信號的質(zhì)量。 但由于傳感器端面和被測設(shè)備的安裝表面都是剛性結(jié)構(gòu),很難實現(xiàn)良好接觸。 在聲學檢測領(lǐng)域,通常使用凡士林、硅油和環(huán)氧樹脂膠等液體或固體耦合劑來填補傳感器與安裝面之間的空氣間隙,以達到減小信號衰減的目的[4]。

但在液體火箭發(fā)動機試驗應(yīng)用中,因低溫條件影響,會使常規(guī)液態(tài)耦合劑出現(xiàn)粘性降低或低溫凝固等問題,而環(huán)氧樹脂膠等固態(tài)耦合劑在低溫下會出現(xiàn)變脆碎裂等問題,這都將導致耦合性能降低。 因此,參考試驗過程中的其它物理量測試方案,選取了專用的低溫耦合油脂作為耦合劑,以實現(xiàn)應(yīng)力波傳感器與被測設(shè)備間的良好耦合效果。

4 試驗應(yīng)用

面向YF-XX 型液體火箭發(fā)動機試驗應(yīng)用需求,開展了針對渦輪泵的應(yīng)力波檢測技術(shù)驗證研究,并在某次發(fā)動機可靠性熱試車任務(wù)中進行了應(yīng)力波系統(tǒng)的搭載測試。 試驗過程的點火時間持續(xù)500 秒,會進行工況調(diào)整,其中,氫泵和氧泵的穩(wěn)定段轉(zhuǎn)速分別約為31 800 r/min 和18 200 r/min 左右。

4.1 系統(tǒng)布局

本次搭載測試任務(wù)采用了兩只應(yīng)力波傳感器,分別安裝在氫泵和氧泵支撐軸承附近殼體的振動測量塊上,傳感器與振動塊的接觸面使用低溫油脂進行耦合,并通過螺栓進行緊固;傳感器信號經(jīng)過專用的屏蔽電纜連接至測量前間的應(yīng)力波采集器,由于測量前間與測控間的距離超過200 米,需要經(jīng)光纖收發(fā)器將信號傳輸至測控間的服務(wù)器,實現(xiàn)信號的采集、存儲和分析等過程。 應(yīng)力波檢測系統(tǒng)布局如圖3 所示。另外,為驗證應(yīng)力波檢測技術(shù)的有效性和可靠性,在研究過程中選擇了與應(yīng)力波傳感器安裝位置相同的振動測點進行分析結(jié)果對比。

圖3 應(yīng)力波檢測系統(tǒng)布局圖Fig.3 Layout of stress wave detection system

4.2 測試結(jié)果分析

試驗過程中應(yīng)力波傳感器的工作穩(wěn)定,且試驗后測試的狀態(tài)完好,表明本文采用的應(yīng)力波低溫檢測技術(shù)能夠確保傳感器在低溫環(huán)境下的穩(wěn)定性能,可有效地適應(yīng)液體火箭發(fā)動機試驗的測試需求,

通過表1 所述的典型故障模式和特征頻率的關(guān)系看出,液體火箭發(fā)動機的故障判別是以特征頻率和轉(zhuǎn)速頻率的關(guān)系確定的,因此,根據(jù)試驗設(shè)置的氫泵和氧泵轉(zhuǎn)速,得出對應(yīng)的特征頻率分別為530 Hz 和303 Hz。

由于應(yīng)力波檢測系統(tǒng)最終采集到的數(shù)據(jù)是渦輪泵旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的應(yīng)力波信號經(jīng)過圖1 所示的應(yīng)力波檢測原理進行濾波和解調(diào)處理的結(jié)果,該過程由應(yīng)力波采集器硬件電路和算法進行實時處理,以提高信號的處理效率。 為了匹配應(yīng)力波傳感器的響應(yīng)頻率范圍,系統(tǒng)采用的硬件濾波器是30—45 kHz 帶通濾波器,以便濾除高低頻噪聲干擾;信號的包絡(luò)解調(diào)采用希爾伯特變換算法,通過硬件系統(tǒng)搭載的FPGA芯片進行處理,從而從高頻載波信號中提取沖擊信號,最終通過TCP/IP 協(xié)議發(fā)送至服務(wù)器。

在服務(wù)器軟件中,獲取到經(jīng)采集系統(tǒng)硬件處理后的數(shù)據(jù),抽取發(fā)動機運行過程中穩(wěn)定段的5 s 時長的數(shù)據(jù)進行分析。 圖4 為應(yīng)力波檢測系統(tǒng)采集到的氫泵位置的數(shù)據(jù)結(jié)果。 圖4a 為應(yīng)力波信號的時域波形,信號均值約1V,且因進行了包絡(luò)解調(diào),所以數(shù)據(jù)均為正值。 對時域數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換,獲得氫泵位置信號的頻譜如圖4b 所示,最顯著的特征頻率為3 208 Hz,對應(yīng)氫泵的6 倍轉(zhuǎn)速頻率,結(jié)合渦輪泵的結(jié)構(gòu)特點分析可知,渦輪泵轉(zhuǎn)子具有6 個葉片,其在轉(zhuǎn)動過程中會產(chǎn)生脈動流,進而激發(fā)產(chǎn)生了應(yīng)力波信號。

圖4 氫泵位置應(yīng)力波信號及頻譜Fig.4 Stress wave signal and frequency spectrum at hydrogen pump

圖5 所示為氧泵位置采集到的應(yīng)力波信號,圖5a為信號的時域波形,信號均值約1V,圖5b 為經(jīng)FFT 獲得的頻譜圖,看出最顯著的頻率特征是1 823 Hz,對應(yīng)氧泵的6 倍轉(zhuǎn)速頻率,產(chǎn)生原因同樣是由于氧渦輪泵轉(zhuǎn)子的6 個葉片的脈動流激發(fā)的應(yīng)力波信號。

圖5 氧泵位置應(yīng)力波信號及頻譜Fig.5 Stress wave signal and frequency spectrum at oxygen pump

同時,對氫泵和氧泵上與應(yīng)力波傳感器安裝位置相近的振動測點數(shù)據(jù)進行分析,結(jié)果如圖6 所示。 從圖中看出,振動數(shù)據(jù)的頻譜圖中除了渦輪泵轉(zhuǎn)速的6倍頻和相關(guān)頻率外,在低頻段還存在比較復雜的低頻特性,這些頻率特征對設(shè)備的故障模式分析會產(chǎn)生一定干擾,不利于故障定位。

經(jīng)過對比圖4—圖6 的結(jié)果可以看出,應(yīng)力波傳感器的測量結(jié)果和振動數(shù)據(jù)的結(jié)果都以6 倍頻為最顯著特征頻率,且信噪比較高,說明兩種方案的測試效果具有較好的一致性,但因振動數(shù)據(jù)的分析結(jié)果中包含一定程度的復雜低頻噪聲影響,而應(yīng)力波數(shù)據(jù)經(jīng)過了濾波和包絡(luò)解調(diào)后較好地屏蔽了低頻噪聲的干擾,更有利于對故障模式的分析和定位。

圖6 振動數(shù)據(jù)及頻譜Fig.6 Vibration data frequency spectrum

5 結(jié)論

通過建立針對液體火箭發(fā)動試驗的應(yīng)力波檢測系統(tǒng),證明了應(yīng)力波技術(shù)對液體火箭發(fā)動機渦輪泵可靠性分析的有效性,得到的具體結(jié)論如下:

(1)采用了分體式應(yīng)力波傳感器和低溫耦合劑的配置方案,能夠適應(yīng)試驗臺液氫和液氧系統(tǒng)的低溫環(huán)境下的測試需求,驗證了應(yīng)力波信號的可獲取性和應(yīng)力波檢測技術(shù)的可應(yīng)用性。

(2)對應(yīng)力波信號的分析結(jié)果顯示,實測數(shù)據(jù)分別捕捉到氫泵和氧泵6 倍轉(zhuǎn)頻的特征頻率,對應(yīng)于渦輪泵轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的脈動流狀態(tài)。

(3)通過對比,應(yīng)力波數(shù)據(jù)與振動數(shù)據(jù)的檢測結(jié)果具有較好的一致性,且應(yīng)力波數(shù)據(jù)的分析結(jié)果中避免了低頻噪聲的影響,對故障模式的分析和定位更為有利。