文璧，張浩，鐘明，何毅娜

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川江油621703)

基于小波分析的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程壓力脈動(dòng)研究

文璧，張浩，鐘明，何毅娜

(中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川江油621703)

利用小波分析所具有的時(shí)頻特性特點(diǎn)，針對(duì)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程存在的壓力脈動(dòng)異常現(xiàn)象，獲取信號(hào)隨轉(zhuǎn)速變化的頻譜圖。重點(diǎn)介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)脈動(dòng)頻率分析方法，并結(jié)合試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布局，根據(jù)不同脈動(dòng)的頻率特點(diǎn)，對(duì)其脈動(dòng)成分進(jìn)行分解，分析出脈動(dòng)頻率產(chǎn)生的原因，為發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)問(wèn)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(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的脈動(dòng)異常研究，形象、直觀，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)；氣動(dòng)失穩(wěn)；小波分析；脈動(dòng)；測(cè)點(diǎn)布局；故障檢測(cè)

1 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試主要用于檢測(cè)各個(gè)部件的流場(chǎng)匹配和監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)安全狀態(tài)，為發(fā)動(dòng)機(jī)的性能調(diào)節(jié)和控制提供支持。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)態(tài)壓力測(cè)試信號(hào)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(shí)頻特性，成為信號(hào)分析的有力工具[1]。目前的研究[2-3]多利用小波分析對(duì)壓氣機(jī)的失速信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，尚無(wú)公開(kāi)文獻(xiàn)記載利用小波分析對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行研究。

某型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)出現(xiàn)異常頻率，起動(dòng)性能不佳，易進(jìn)入深度失速。針對(duì)這一現(xiàn)象，本文利用小波變換對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)進(jìn)行分析處理，獲得了起動(dòng)過(guò)程中壓氣機(jī)出口動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)隨轉(zhuǎn)速變化的頻譜圖，分析了起動(dòng)過(guò)程中的脈動(dòng)頻率，并探究出脈動(dòng)頻率產(chǎn)生的原因。

2 信號(hào)獲取及數(shù)據(jù)處理

此次發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)試驗(yàn)共安排了7個(gè)動(dòng)態(tài)壓力傳感器測(cè)點(diǎn)(圖1)：發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口流量管脈動(dòng)靜壓2點(diǎn)，風(fēng)扇第2級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖脈動(dòng)靜壓2點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)相位相差180°)，風(fēng)扇出口脈動(dòng)靜壓1點(diǎn)，壓氣機(jī)出口脈動(dòng)靜壓1點(diǎn)，外涵出口外壁脈動(dòng)靜壓1點(diǎn)。動(dòng)態(tài)壓力傳感器測(cè)量的脈動(dòng)壓力信號(hào)，經(jīng)調(diào)理后輸入采集板卡并存儲(chǔ)。利用Matlab軟件平臺(tái)[4]編寫(xiě)數(shù)據(jù)處理程序，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分析及處理。

圖1 動(dòng)態(tài)壓力傳感器測(cè)點(diǎn)分布示意圖Fig.1 The distribution of measuring points

3 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)脈動(dòng)頻率分析

發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)過(guò)程中，壓力傳感器采集到的是有規(guī)律的壓力脈動(dòng)信號(hào)和噪聲信號(hào)[5]；發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)失速和軸向脈動(dòng)時(shí)，會(huì)引起壓力波動(dòng)，并混雜在原有壓力信號(hào)中。發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)出口脈動(dòng)靜壓p主要由四部分組成：

式中：p0為前面各級(jí)及風(fēng)扇增壓，由轉(zhuǎn)子對(duì)氣體做功得到，其頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子頻率相等；pn為由測(cè)量噪聲引起的壓力脈動(dòng)，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(dòng)，其頻率為轉(zhuǎn)子頻率的40%～60%；pz為燃燒波動(dòng)等引起的軸向壓力脈動(dòng)，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(dòng)混在一起，無(wú)法利用時(shí)域分開(kāi)。下面利用小波分析方法對(duì)起動(dòng)過(guò)程信號(hào)進(jìn)行處理，根據(jù)不同脈動(dòng)頻率特性對(duì)其進(jìn)行分解，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的壓力脈動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行研究。

4 小波分析

首先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的測(cè)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行分析，確定各次起動(dòng)過(guò)程中不同脈動(dòng)成分的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程；然后以歷次壓氣機(jī)出口動(dòng)態(tài)壓力數(shù)據(jù)為例進(jìn)行小波變換，作出發(fā)動(dòng)機(jī)頻率隨轉(zhuǎn)速變化的頻譜圖。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)歷次起動(dòng)過(guò)程頻譜圖Fig.2 The spectrum of each start-up signal

圖2示出了發(fā)動(dòng)機(jī)歷次起動(dòng)過(guò)程的頻譜圖。圖中，橫坐標(biāo)表征發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，縱坐標(biāo)表征測(cè)量信號(hào)包含頻率，顏色代表脈動(dòng)強(qiáng)度?？梢?jiàn)，圖2(a)中存在30～54 Hz、55～81 Hz和60～108 Hz三個(gè)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(gè)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(gè)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(duì)上述頻率成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)出口脈動(dòng)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(shí)，風(fēng)扇第2級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖脈動(dòng)靜壓兩個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)的相位相差180°，如圖3所示，符合失速時(shí)信號(hào)相位與測(cè)點(diǎn)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(dòng)壓力突降，而其他測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力皆有所上升，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入深度失速狀態(tài)，故認(rèn)為第一種脈動(dòng)為失速團(tuán)引起的壓力脈動(dòng)。第1次和第2次起動(dòng)都是在點(diǎn)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(dòng)壓力信號(hào)表現(xiàn)得較為明顯，風(fēng)扇第2級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖脈動(dòng)靜壓兩個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)信號(hào)無(wú)相位差，排除旋轉(zhuǎn)失速可能；同時(shí)，由于其脈動(dòng)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(duì)第4次起動(dòng)的其他測(cè)點(diǎn)進(jìn)行小波分析，通過(guò)圖4各測(cè)點(diǎn)和圖2(d)的脈動(dòng)強(qiáng)度看，在轉(zhuǎn)速4 400 r/min開(kāi)始出現(xiàn)第二種頻率時(shí)，壓氣機(jī)出口脈動(dòng)壓力信號(hào)幅值為5.00 kPa，風(fēng)扇第2級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖脈動(dòng)靜壓幅值為0.50 kPa，流量管的脈動(dòng)靜壓無(wú)幅值，風(fēng)扇出口脈動(dòng)幅值為0.45 kPa，外涵出口脈動(dòng)外壁靜壓幅值為0.40 kPa。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)流道，判定該頻率來(lái)源于壓氣機(jī)出口和燃燒室，為軸向脈動(dòng)導(dǎo)致，需考慮燃燒室進(jìn)口流場(chǎng)組織不穩(wěn)定。

對(duì)于此發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中存在的脈動(dòng)異常現(xiàn)象，試驗(yàn)中通過(guò)改變導(dǎo)葉角度和供油規(guī)律，也沒(méi)有改變發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中存在的脈動(dòng)異?，F(xiàn)象，可見(jiàn)壓氣機(jī)低速下的穩(wěn)定裕度較低，與燃燒室匹配存在問(wèn)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(chǎng)。

圖3 風(fēng)扇第2級(jí)轉(zhuǎn)子葉尖脈動(dòng)靜壓2測(cè)點(diǎn)時(shí)域圖Fig.3 The pressure signals from the 2nd stage rotor

圖4 第4次起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)各測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)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(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)壓力隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的頻譜圖，可清楚地直觀脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)在不同轉(zhuǎn)速下的脈動(dòng)頻率，說(shuō)明小波分析法在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)數(shù)據(jù)處理上獲得較好的效果。

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中的脈動(dòng)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(guò)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(chǎng)組織不穩(wěn)定導(dǎo)致的軸向脈動(dòng)。

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

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

[3]呂建偉，李軍.基于時(shí)頻-小波分析的壓氣機(jī)失速過(guò)程研究[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，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(cè)[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(dòng)機(jī)特種測(cè)試技術(shù)研究工作。