羅現(xiàn)強，代江波，符順國，王 琦

(中國航發(fā)四川燃氣渦輪研究院，四川 綿陽 621000)

1 引言

航空發(fā)動機研制過程中，為監(jiān)測發(fā)動機狀態(tài)和性能，需要對發(fā)動機各流道截面的溫度、壓力等參數(shù)進行測試，而這些測試通常是將溫度、壓力受感部伸入發(fā)動機流道來完成[1]。由于振動、高溫、腐蝕等因素，測試受感部存在斷裂、滑脫、掉塊等風險。在一些特定部位，受感部的強度問題可能會給航空發(fā)動機帶來災(zāi)難性的故障。為了確保受感部結(jié)構(gòu)強度的可靠性，需要按照《軍用裝備試驗室環(huán)境振動試驗標準》[2]的要求，對其進行強度考核試驗。其中，現(xiàn)行的“隨機+隨機”振動試驗控制目標譜為最常用的一種。該目標譜基于被測發(fā)動機的轉(zhuǎn)子基頻與倍頻，在15～2 000 Hz 頻率范圍內(nèi)，按照確定的振動量級，對機載測試受感部進行振動考核。

然而在實際應(yīng)用中，受感部有時通過了振動考核試驗，但在發(fā)動機試車測試中出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)破壞，造成了極大的故障與損失，說明振動考核試驗不夠充分；另一方面，部分發(fā)動機實際振動較小，然而按照《軍用裝備試驗室環(huán)境振動試驗標準》設(shè)計振動考核試驗，振動均方根值通常在20g 以上，試驗過于嚴苛。受感部為了通過該考核，通常需要迭代設(shè)計、增材、加厚等，造成資源浪費，且過度設(shè)計增大了受感部對發(fā)動機流道性能的影響[3]。上述現(xiàn)象的原因在于，一方面，隨著發(fā)動機雙轉(zhuǎn)子、三轉(zhuǎn)子等支承方案的設(shè)計多樣性及結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的不斷增大[4]，轉(zhuǎn)子基頻或倍頻振動不一定是發(fā)動機振動的主要來源[5]，基于基頻或倍頻考慮的振動考核試驗?zāi)繕俗V不再滿足需求；另一方面，通常確定發(fā)動機設(shè)計轉(zhuǎn)速基頻后，試驗?zāi)繕俗V換算振動量值為定值，但發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速范圍從慢車到最大狀態(tài)，轉(zhuǎn)速變化率遠大于10%，超過了目標譜的涵蓋范圍。為此，依據(jù)目標譜進行振動考核試驗，會遺漏部分需要考核的頻率范圍。

綜上所述，需要一種更適用現(xiàn)階段發(fā)動機測試受感部振動考核試驗的方法，在確保發(fā)動機受感部強度滿足需求的同時，盡量避免過度設(shè)計，最大程度地降低測試受感部對發(fā)動機性能的影響。本文擬通過分析和處理實測的整機試車振動信號，利用振動臺進行發(fā)動機整機振動環(huán)境再現(xiàn)，對受感部進行振動考核。

2 實施步驟

2.1 總體思路

振動環(huán)境試驗是模擬裝備壽命期各階段經(jīng)受的各種振動環(huán)境的試驗。為更加接近機載零部件真實振動環(huán)境，可利用整機試車時的實測振動信號，經(jīng)處理后通過振動臺，在試驗室環(huán)境下，實現(xiàn)發(fā)動機試車時特定部位的真實振動環(huán)境模擬。其核心思想是，將振動信號轉(zhuǎn)化為可被振動控制系統(tǒng)識別并控制的譜信號，大致流程如圖1 所示。首先，對振動信號進行時頻轉(zhuǎn)換，得到振動信號在頻域上的特征。其次，對振動信號做進一步處理，使其變成可被振動控制儀讀取、識別并利用的通用目標譜。最后，再考慮振動考核試驗的安全系數(shù)等，得到最終的振動控制目標譜，并控制振動臺產(chǎn)生振動環(huán)境。如果對該環(huán)境進行振動分析，可知其應(yīng)與原始振動信號具有相同的頻域特征，僅量級存在倍數(shù)關(guān)系，倍數(shù)等于安全系數(shù)的平方。實際試驗中，根據(jù)試驗件真實工作環(huán)境和試驗條件，還可加入溫度環(huán)境因素，進行“熱+振”綜合考核試驗，使試驗環(huán)境更加符合實際。

圖1 振動環(huán)境試驗流程示意圖Fig.1 Normal processes of the test

2.2 發(fā)動機各工況振動信號選取

發(fā)動機試車過程中，通常要經(jīng)歷慢車、巡航、最大、加力(軍用發(fā)動機)等多個狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)，以及特定轉(zhuǎn)速之間的推拉加減速過渡態(tài)。當發(fā)動機處于穩(wěn)態(tài)時，其振動信號平穩(wěn)且持續(xù)較長時間[6]；當發(fā)動機處于短暫過渡態(tài)時，其振動信號通常不會出現(xiàn)較大的振動波動。本文僅選取發(fā)動機各穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速下的振動信號進行處理。若發(fā)動機過渡態(tài)振動變化過大，則應(yīng)納入考慮。

2.3 振動信號分析

實際振動測試過程中，傳感器的輸出信號是連續(xù)變化的電壓信號，即輸出的電壓信號可表示為時間的函數(shù)，在特定周期內(nèi)可認為其有無限個數(shù)據(jù)點。而計算機只能處理有限個離散信號，因此對其進行采樣，得到的數(shù)據(jù)為 f (t)。可知，具有采樣時間間隔的非連續(xù)函數(shù)滿足狄利克雷條件，可以對其進行傅里葉變換(FFT)，或通過信號自相關(guān)函數(shù)計算其自功率譜。為滿足振動控制的要求，需要將原始信號轉(zhuǎn)換為PSD 功率譜。

發(fā)動機處于同一穩(wěn)態(tài)時，在不同時間段截取的振動信號的頻譜信息基本相同，故可隨機截取。得到的PSD 功率譜密度圖，其橫坐標為頻率(Hz)，縱坐標為功率譜密度(g2/Hz)。轉(zhuǎn)換后的目標功率譜控制均方根加速度值，是衡量振動量級和嚴苛程度的重要指標。針對常規(guī)隨機PSD 功率譜，其均方根振動加速度值計算式為：

式中：Xn為功率譜第n 個點的橫坐標(頻率)值，Yn為功率譜第n 個點的縱坐標值。

對于快速傅里葉變換分析，分辨率即最小頻率間隔?f 固定，上式可簡化為：

式中：B 為頻率帶寬，Y 為功率譜密度均值。

2.4 振動考核試驗的安全系數(shù)

由于試驗為振動考核試驗，出于可靠性考慮，通常需要對基于實測振動信號處理后的振動目標譜適量放大，使得通過考核后的零部件不僅滿足基本強度要求，還具有一定裕度。通常安全系數(shù)要求為1～2，對于鑄件還應(yīng)再乘以系數(shù)1.33[7]。本次試驗選取的安全系數(shù)為2。由于均方根加速度值為開方后得到，故需將原目標譜各頻率點上的量值乘以4，得到考慮安全系數(shù)后的目標功率譜。

3 實際應(yīng)用

3.1 試驗背景

某型發(fā)動機研制過程中，需要在渦輪出口監(jiān)測流道溫度。擬裝機的測試溫度的受感部的支桿為陶瓷材料。在某次試車過程中，采用該設(shè)計的1 支受感部伸入流道內(nèi)的陶瓷支桿斷裂，所幸受感部位于渦輪后端，未導(dǎo)致發(fā)動機嚴重故障。試車前，該受感部已通過了裝機前振動考核試驗，試驗?zāi)繕俗V取自參考文獻[2]。這一現(xiàn)象說明，在一些特定情況下，依靠傳統(tǒng)試驗方案，不能達到考核目的以及確保試車安全。

為排除試車隱患，取得受感部裝機前強度振動考核試驗結(jié)果支撐，提出了以發(fā)動機渦輪機匣(受感部安裝位置)實測振動信號作為源數(shù)據(jù)，通過振動臺在試驗室環(huán)境再現(xiàn)整機渦輪機匣振動，同時綜合考慮溫度環(huán)境，對待裝機受感部進行振動考核試驗的方案設(shè)想。

3.2 原始振動信號的選取及處理

從發(fā)動機整機振動測試信號中，獲取了該臺份發(fā)動機試車過程中全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的振動監(jiān)測信號。由于振動時域信號無法直接應(yīng)用于振動控制，必須對其進行時頻轉(zhuǎn)換，即將時域振動信號，轉(zhuǎn)換為可被振動控制儀識別并利用的自功率譜、互功率譜等從頻域上定義的振動控制目標譜。本文選取了發(fā)動機試車過程中，全部工況(慢車、83%、85%、最大換算轉(zhuǎn)速等)狀態(tài)下的時域振動信號進行處理。結(jié)合試車振動測試情況，該臺發(fā)動機在整個試車過程中，各穩(wěn)態(tài)下振動信號平穩(wěn)、頻率成分穩(wěn)定，各過渡態(tài)下振動波動較小。因此只針對其穩(wěn)態(tài)信號進行處理和應(yīng)用。

試驗用振動傳感器靈敏度為200 mV/g，采樣頻率大于12.8 kS/s，即其分析帶寬5 kHz。由于高頻振動能量較小，其對結(jié)構(gòu)損傷較低、可以忽略，所以通常隨機試驗最高頻率不超過2 kHz，需對原始信號進行后處理。重新設(shè)置采樣頻率為5.12 kS/s。根據(jù)采樣定理，進行模擬/數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換時，當后處理采樣頻率低于原數(shù)據(jù)采樣頻率時為重復(fù)采樣，不會影響傅里葉變換結(jié)果；反之為欠采樣，會影響分析結(jié)果。設(shè)原始信號為N 點數(shù)據(jù) X (n)，n=1,2,3,……，則其自相關(guān)函數(shù)[8]定義為：

式中：m 為自相關(guān)的延遲變量。

嚴格意義下，上述自相關(guān)函數(shù)應(yīng)該稱為取樣自相關(guān)。得到其自相關(guān)函數(shù)后，可求原始振動信號對應(yīng)的功率譜 P (k)：

式中：m 取值區(qū)間為? M～ M，k 是頻率分量，ts是采樣間隔。該方法通常稱Blackman-Tukey 方法[9-10]。

求解信號的PSD 譜還有一種方法，就是直接對信號進行FFT，再對其結(jié)果求平方，該方法稱為周期圖法[11]。由于現(xiàn)行數(shù)據(jù)處理軟件大多具有FFT功能，可手動將FFT 結(jié)果導(dǎo)出進行批處理，故實際應(yīng)用中采用周期圖法較為簡便。得到的PSD 譜為0～2 000 Hz 內(nèi)的多個離散點，對其進行批處理。橫坐標頻率不變，縱坐標量級乘以4，得到安全系數(shù)為2 的目標功率譜。經(jīng)開方后，換算出的均方根振動量值為原始振動量值的2 倍。將該PSD 譜輸入振動控制儀，如圖2 所示，其橫坐標為頻率(Hz)，縱坐標(對數(shù)坐標)為功率譜密度(g2/Hz)。圖示左上角“控制/目標RMS 值”為該目標譜對應(yīng)的振動均方根加速度值，是試驗量級的重要指標，可通過該值預(yù)估試驗的嚴苛程度。

圖2 功率譜密度振動控制目標譜Fig.2 PSD (Power Spectrum Density)vibration control spectrum

3.3 多狀態(tài)目標譜的包絡(luò)處理

實際振動考核試驗，持續(xù)時間多在1 h 以上。對于試車狀態(tài)以及振動狀態(tài)過多的發(fā)動機，按照2.1節(jié)中的方法，雖然也能確保振動考核試驗有效，但根據(jù)原始振動數(shù)據(jù)分析得出的試驗?zāi)繕俗V過多，導(dǎo)致試驗周期太長，不可避免地造成試驗時間成本增加和資源浪費。為此，提出了針對多目標譜的包絡(luò)法處理。

設(shè)通過原始振動信號分析得到的一正整數(shù)C 個PSD 譜，每個目標譜均在同一頻率坐標。假設(shè)每個目標譜包含n 個樣本點，則C 個目標譜的幅值可用矩陣[P]表示為：

式中：矩陣[ P] 的一行代表一個目標載荷譜。

定義包絡(luò)PSD 目標譜幅值為[ P]包，可表示為：

在各頻率點，包絡(luò)功率譜的縱坐標值，均等于所有被包絡(luò)目標譜在該頻率點上的最大縱坐標值，即上述矩陣[ P] 中每一列的最大值。應(yīng)注意，由于試驗性質(zhì)為考核性試驗，為保證被試件在實際應(yīng)用過程中的安全性、可靠性，此處只能是最大值，而不能是平均值。如某次試車中，發(fā)動機主要經(jīng)歷慢車、92%換算轉(zhuǎn)速、100%換算轉(zhuǎn)速3 個狀態(tài)，其各狀態(tài)對應(yīng)PSD 功率譜和包絡(luò)功率譜(僅顯示了1 978～2 000 Hz)如圖3 所示。

圖3 包絡(luò)PSD 譜示意圖Fig.3 Diagram of the enveloped PSD spectrum

在實際使用過程中，應(yīng)根據(jù)具體情況，考慮是否對多個目標譜進行包絡(luò)處理。當試車狀態(tài)較少，計劃試驗時間不長時，不應(yīng)對各狀態(tài)PSD 目標譜進行包絡(luò)處理。此外，當包絡(luò)處理后的PSD 譜均方根振動加速度值過大，遠超各狀態(tài)PSD譜均方根振動加速度值的均值(以具體發(fā)動機要求的強度裕度為依據(jù))時，會造成試驗環(huán)境過于嚴苛，也不建議對各狀態(tài)PSD 目標譜進行包絡(luò)處理。而應(yīng)嚴格按照各狀態(tài)PSD 目標譜，分別對試驗件進行考核。

3.4 試驗環(huán)境的模擬

試驗件為圖4 所示的支桿受感部。試驗時，陶瓷支桿伸入流道內(nèi)，通過前端小孔測量流體滯止總溫。為模擬真實溫度環(huán)境，設(shè)計了加工圖示工裝夾具。通過螺紋桿頂緊安裝面，將受感部固定在工裝上，與受感部在發(fā)動機機匣上的裝配條件一致。將陶瓷支桿伸入加溫試驗箱，加溫至800℃(該受感部使用溫度環(huán)境)。試驗件安裝及試驗時照片見圖5、圖6。

圖4 SiC 支桿受感部Fig.4 Sensory probe with a strut which made of SiC

圖5 受感部安裝狀態(tài)Fig.5 The fixed sensory probe

圖6 800℃加溫試驗Fig.6 Test at 800℃degree centigrade

3.5 試驗結(jié)果

根據(jù)發(fā)動機各狀態(tài)試車時渦輪機匣的振動信號，共計8 個主要狀態(tài)，分別獲得其對應(yīng)的2 倍PSD 功率譜，輸入振動控制儀，完成振動考核試驗。根據(jù)試車時各狀態(tài)持續(xù)時間，各狀態(tài)振動持續(xù)時間為0.5 h。加溫振動試驗過程中發(fā)現(xiàn)，試驗件陶瓷支桿與金屬套管配合松動，由過盈配合變?yōu)榱碎g隙配合。完成試驗后進行無損監(jiān)測，受感部無破壞，且經(jīng)過冷卻，陶瓷支桿與金屬套管恢復(fù)過盈配合。經(jīng)分析，該現(xiàn)象是因為在溫度作用下，陶瓷基復(fù)合材料膨脹系數(shù)遠小于金屬材料，導(dǎo)致配合出現(xiàn)間隙。存在間隙的結(jié)構(gòu)，受到振動會產(chǎn)生摩擦和局部沖擊，降低結(jié)構(gòu)強度，這應(yīng)是此前相同結(jié)構(gòu)受感部陶瓷支桿試車斷裂脫落的直接原因。將該現(xiàn)象反饋設(shè)計部門并做出改進，后續(xù)該受感部通過裝機前評審，并多次完成該型號發(fā)動機試車測試任務(wù)，受感部陶瓷支桿均無破壞。經(jīng)過持續(xù)驗證，已有多型常用材料受感部，按該方法進行并通過振動考核試驗，并成功裝機，完成了發(fā)動機試車測試任務(wù)。

4 結(jié)論

(1)研究提出的方法涵蓋了發(fā)動機試車各工況狀態(tài)，其考核方式具有說服力，不僅僅局限于發(fā)動機測試受感部，還可以推廣至大部分需要進行振動考核強度試驗的機載設(shè)備及構(gòu)件。

(2)應(yīng)根據(jù)實際情況選擇試驗方案，當待試件需要歷經(jīng)的振動狀態(tài)較多時，可使用包絡(luò)PSD 譜，能有效降低時間成本，但缺點是目標譜比真實振動環(huán)境嚴苛。當待試件需要歷經(jīng)的振動狀態(tài)較少時，可分別得出各狀態(tài)PSD 目標譜，逐一對試驗件進行考核。