對軸流壓氣機脈動壓力信號的分析

王洪祥

【摘要】目前航空界研究領(lǐng)域中，壓氣機穩(wěn)定性分析是一大熱點。研究的難點就是壓氣機的失穩(wěn)形式，即失速與喘振研究。對軸流壓氣機脈動壓力信號的分析可以更好地動態(tài)認識壓氣機失穩(wěn)過程，進一步對軸流壓氣機機理性進行研究。對壓氣機失穩(wěn)進行初始擾動識別，從而進行主動控制。

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

近一個多世紀，發(fā)動機設(shè)計水平隨著世界的航空技術(shù)的發(fā)展有了很大的提高。壓氣機的設(shè)計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.軸流式壓氣機與效率

空氣在軸流式壓氣機中主要沿軸向流動。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，單級增壓小，一般采用多級結(jié)構(gòu)，以便獲得較高增壓比，在壓氣機中，空氣隨著被逐級增壓，密度與溫度也隨之升高。軸流式壓氣機的空氣流量可以做得很大，最高將達200公斤/秒。壓縮功與實際消耗的機械功之比稱為壓氣機效率，軸流式壓氣機的面積小，增壓比和效率都高，單級效率約為85%～88%。多級軸流式壓氣機的效率一般為84%～89%相對較高。當(dāng)壓氣機的轉(zhuǎn)速恒定下，壓氣機的增壓會隨著空氣流量的減少而升高。在達到峰值后，增壓比降低，就導(dǎo)致壓氣機由于工作點接近了不穩(wěn)定邊界而產(chǎn)生脈動，出現(xiàn)強烈的振動與噪聲。被動的做法為：讓工作點遠離開不穩(wěn)定的邊界，但是這種方法將使壓氣機的工作效率驟降。

2.旋轉(zhuǎn)失速與喘振等失穩(wěn)先兆分析

脈動壓力是一種隨時間變化的壓力，它直接關(guān)系到飛行器的安全。旋轉(zhuǎn)失速與喘振會導(dǎo)致壓氣機葉片負荷失穩(wěn)，失速頻率低，機器溫度升高，影響出口氣流壓力與壓氣機效率，從而造成機械出現(xiàn)故障。對壓氣機的在線預(yù)測與主動控制可以更好地保護壓氣機的工作效率，這就需要對失穩(wěn)先兆，尤其是失速初始擾動有深入地研究，關(guān)注失速團的形成和演變。傅里葉變換可以利用數(shù)字計算機快速的算出。

軸流壓氣機在流場匹配良好時，各級氣流不分離，壓力傳感器檢測到的壓力信號小，呈現(xiàn)直流分量的信號頻譜，沒有旋轉(zhuǎn)失速頻率fHZ的頻率。但是在葉片進口氣流攻角>臨界攻角，氣流在葉背發(fā)生分離嚴重擴展至葉柵通道，飛機工作穩(wěn)定性容易出現(xiàn)問題。信號由很多不同頻率的波疊加在一起，信號越簡單疊加的波的頻率就越少。使用信號，關(guān)鍵在于對這些信號的處理。在時域中看到的信號波形非常復(fù)雜，這時從頻域入手分析，復(fù)雜的信號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，把信號從時域轉(zhuǎn)到頻域，將無規(guī)律的信號變成有規(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。

對于軸流壓氣機旋轉(zhuǎn)失速信號檢測一般依據(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為時域信號，x[t]的離散時間按序列，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說對應(yīng)的信號。N的取值為2的整數(shù)次冪。

3.實驗數(shù)據(jù)與分析

3.1 流量與喘振

壓氣機轉(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)定流動狀態(tài)條件，發(fā)生喘振。如圖所示（壓氣機在某一工作狀態(tài)下的進喘示意圖）：

在整個的喘振過程中，壓氣機的整個系統(tǒng)都經(jīng)過壓力脈動。由于壓氣機的流量和壓力的脈動，都會在壓氣機及其聯(lián)接管道中，產(chǎn)生相應(yīng)的機械振動和可聽見的很大的聲音。

3.2 喘振過程脈動A值統(tǒng)計

將壓氣機的整個喘振過程分為三大階段：即，發(fā)動機喘前穩(wěn)定過程、發(fā)動機的進喘過程和發(fā)動機退喘后的穩(wěn)定過程。對發(fā)動機整個進喘過程的脈動A值統(tǒng)計如表1所示。

3.3 試驗數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

通過上面數(shù)據(jù)分析得出：發(fā)動機進喘前各測點的脈動A值，基本都是低于6%的，而發(fā)動機的進喘瞬間，各點脈動A值開始明顯出現(xiàn)增大，甚至出現(xiàn)高達數(shù)十倍的A值。這說明，壓氣機運行在進入喘振狀態(tài)時，脈動A值會發(fā)生較大的變化，同時，脈動聲音會出現(xiàn)較大的變化。從而得出：通過脈動A值的變化，能夠很順利地提前預(yù)判發(fā)動機是否進喘，并對發(fā)動機首發(fā)進喘級分析。

提前識別失穩(wěn)初始擾動對控制壓氣機避免進入失穩(wěn)狀態(tài)，提高壓氣機工作效率和穩(wěn)定性都具有非常重要的意義。

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