王洪祥

【摘要】目前航空界研究領(lǐng)域中，壓氣機(jī)穩(wěn)定性分析是一大熱點(diǎn)。研究的難點(diǎn)就是壓氣機(jī)的失穩(wěn)形式，即失速與喘振研究。對(duì)軸流壓氣機(jī)脈動(dòng)壓力信號(hào)的分析可以更好地動(dòng)態(tài)認(rèn)識(shí)壓氣機(jī)失穩(wěn)過(guò)程，進(jìn)一步對(duì)軸流壓氣機(jī)機(jī)理性進(jìn)行研究。對(duì)壓氣機(jī)失穩(wěn)進(jìn)行初始擾動(dòng)識(shí)別，從而進(jìn)行主動(dòng)控制。

【關(guān)鍵詞】失速;喘振;軸流壓氣機(jī);失穩(wěn)初始擾動(dòng);脈動(dòng)壓力信號(hào)

近一個(gè)多世紀(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)水平隨著世界的航空技術(shù)的發(fā)展有了很大的提高。壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)需要注重其性能研究，其中的穩(wěn)定性是關(guān)鍵因素。如果在失速初始擾動(dòng)出現(xiàn)就采取科學(xué)的措施，就能夠有效地抑制旋轉(zhuǎn)的失速與喘振。

1.軸流式壓氣機(jī)與效率

空氣在軸流式壓氣機(jī)中主要沿軸向流動(dòng)。它由轉(zhuǎn)子和靜子，即工作輪與整流器兩部分組成。一排轉(zhuǎn)子葉片與靜子葉片組成一級(jí)，單級(jí)增壓小，一般采用多級(jí)結(jié)構(gòu)，以便獲得較高增壓比，在壓氣機(jī)中，空氣隨著被逐級(jí)增壓，密度與溫度也隨之升高。軸流式壓氣機(jī)的空氣流量可以做得很大，最高將達(dá)200公斤/秒。壓縮功與實(shí)際消耗的機(jī)械功之比稱為壓氣機(jī)效率，軸流式壓氣機(jī)的面積小，增壓比和效率都高，單級(jí)效率約為85%～88%。多級(jí)軸流式壓氣機(jī)的效率一般為84%～89%相對(duì)較高。當(dāng)壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定下，壓氣機(jī)的增壓會(huì)隨著空氣流量的減少而升高。在達(dá)到峰值后，增壓比降低，就導(dǎo)致壓氣機(jī)由于工作點(diǎn)接近了不穩(wěn)定邊界而產(chǎn)生脈動(dòng)，出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動(dòng)與噪聲。被動(dòng)的做法為：讓工作點(diǎn)遠(yuǎn)離開(kāi)不穩(wěn)定的邊界，但是這種方法將使壓氣機(jī)的工作效率驟降。

2.旋轉(zhuǎn)失速與喘振等失穩(wěn)先兆分析

脈動(dòng)壓力是一種隨時(shí)間變化的壓力，它直接關(guān)系到飛行器的安全。旋轉(zhuǎn)失速與喘振會(huì)導(dǎo)致壓氣機(jī)葉片負(fù)荷失穩(wěn)，失速頻率低，機(jī)器溫度升高，影響出口氣流壓力與壓氣機(jī)效率，從而造成機(jī)械出現(xiàn)故障。對(duì)壓氣機(jī)的在線預(yù)測(cè)與主動(dòng)控制可以更好地保護(hù)壓氣機(jī)的工作效率，這就需要對(duì)失穩(wěn)先兆，尤其是失速初始擾動(dòng)有深入地研究，關(guān)注失速團(tuán)的形成和演變。傅里葉變換可以利用數(shù)字計(jì)算機(jī)快速的算出。

軸流壓氣機(jī)在流場(chǎng)匹配良好時(shí)，各級(jí)氣流不分離，壓力傳感器檢測(cè)到的壓力信號(hào)小，呈現(xiàn)直流分量的信號(hào)頻譜，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)失速頻率fHZ的頻率。但是在葉片進(jìn)口氣流攻角>臨界攻角，氣流在葉背發(fā)生分離嚴(yán)重?cái)U(kuò)展至葉柵通道，飛機(jī)工作穩(wěn)定性容易出現(xiàn)問(wèn)題。信號(hào)由很多不同頻率的波疊加在一起，信號(hào)越簡(jiǎn)單疊加的波的頻率就越少。使用信號(hào)，關(guān)鍵在于對(duì)這些信號(hào)的處理。在時(shí)域中看到的信號(hào)波形非常復(fù)雜，這時(shí)從頻域入手分析，復(fù)雜的信號(hào)由不同的頻率的正弦波組成，在頻域很有規(guī)律，就更好處理，把信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)到頻域，將無(wú)規(guī)律的信號(hào)變成有規(guī)律。轉(zhuǎn)到頻域設(shè)置窗口函數(shù)，分離出有用函數(shù)與待處理的頻域函數(shù)相乘，分離出需要的頻率。

對(duì)于軸流壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)失速信號(hào)檢測(cè)一般依據(jù)頻譜分析FFT算法，變換公式為：

其逆變換為：

k=0，1，2，…，N-1其中，Xn為時(shí)域信號(hào)，x[t]的離散時(shí)間按序列，x[k]為Xn的離散傅里葉變換的k階段的頻率系數(shù)，直流分量就是k=0說(shuō)對(duì)應(yīng)的信號(hào)。N的取值為2的整數(shù)次冪。

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

3.1 流量與喘振

壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速一定，系統(tǒng)某些部件堵塞可確定其最大流量。流量的減小打破了穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)條件，發(fā)生喘振。如圖所示（壓氣機(jī)在某一工作狀態(tài)下的進(jìn)喘示意圖）：

在整個(gè)的喘振過(guò)程中，壓氣機(jī)的整個(gè)系統(tǒng)都經(jīng)過(guò)壓力脈動(dòng)。由于壓氣機(jī)的流量和壓力的脈動(dòng)，都會(huì)在壓氣機(jī)及其聯(lián)接管道中，產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械振動(dòng)和可聽(tīng)見(jiàn)的很大的聲音。

3.2 喘振過(guò)程脈動(dòng)A值統(tǒng)計(jì)

將壓氣機(jī)的整個(gè)喘振過(guò)程分為三大階段：即，發(fā)動(dòng)機(jī)喘前穩(wěn)定過(guò)程、發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)喘過(guò)程和發(fā)動(dòng)機(jī)退喘后的穩(wěn)定過(guò)程。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)進(jìn)喘過(guò)程的脈動(dòng)A值統(tǒng)計(jì)如表1所示。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

通過(guò)上面數(shù)據(jù)分析得出：發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)喘前各測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)A值，基本都是低于6%的，而發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)喘瞬間，各點(diǎn)脈動(dòng)A值開(kāi)始明顯出現(xiàn)增大，甚至出現(xiàn)高達(dá)數(shù)十倍的A值。這說(shuō)明，壓氣機(jī)運(yùn)行在進(jìn)入喘振狀態(tài)時(shí)，脈動(dòng)A值會(huì)發(fā)生較大的變化，同時(shí)，脈動(dòng)聲音會(huì)出現(xiàn)較大的變化。從而得出：通過(guò)脈動(dòng)A值的變化，能夠很順利地提前預(yù)判發(fā)動(dòng)機(jī)是否進(jìn)喘，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)首發(fā)進(jìn)喘級(jí)分析。

提前識(shí)別失穩(wěn)初始擾動(dòng)對(duì)控制壓氣機(jī)避免進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)，提高壓氣機(jī)工作效率和穩(wěn)定性都具有非常重要的意義。

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