基于小波分析的渦扇發動機起動過程壓力脈動研究

文璧，張浩，鐘明，何毅娜

(中國燃氣渦輪研究院航空發動機高空模擬技術重點實驗室，四川江油621703)

基于小波分析的渦扇發動機起動過程壓力脈動研究

文璧，張浩，鐘明，何毅娜

(中國燃氣渦輪研究院航空發動機高空模擬技術重點實驗室，四川江油621703)

利用小波分析所具有的時頻特性特點，針對渦扇發動機起動過程存在的壓力脈動異常現象，獲取信號隨轉速變化的頻譜圖。重點介紹了發動機脈動頻率分析方法，并結合試驗測點布局，根據不同脈動的頻率特點，對其脈動成分進行分解，分析出脈動頻率產生的原因，為發動機起動問題的解決提供支持。研究結果表明：利用小波分析進行發動機起動過程的脈動異常研究，形象、直觀，具有一定的工程應用價值。

航空發動機；氣動失穩；小波分析；脈動；測點布局；故障檢測

1 引言

發動機試驗過程中，動態壓力測試主要用于檢測各個部件的流場匹配和監控發動機安全狀態，為發動機的性能調節和控制提供支持。發動機起動過程中，動態壓力測試信號是非平穩的，不能采用傳統的傅里葉變換進行分析，而小波分析以其良好的時頻特性，成為信號分析的有力工具[1]。目前的研究[2-3]多利用小波分析對壓氣機的失速信號進行檢測，尚無公開文獻記載利用小波分析對發動機的起動過程進行研究。

某型渦扇發動機在起動過程中，動態壓力信號出現異常頻率，起動性能不佳，易進入深度失速。針對這一現象，本文利用小波變換對發動機起動過程的動態壓力信號進行分析處理，獲得了起動過程中壓氣機出口動態壓力信號隨轉速變化的頻譜圖，分析了起動過程中的脈動頻率，并探究出脈動頻率產生的原因。

2 信號獲取及數據處理

此次發動機起動試驗共安排了7個動態壓力傳感器測點(圖1)：發動機進口流量管脈動靜壓2點，風扇第2級轉子葉尖脈動靜壓2點(測點相位相差180°)，風扇出口脈動靜壓1點，壓氣機出口脈動靜壓1點，外涵出口外壁脈動靜壓1點。動態壓力傳感器測量的脈動壓力信號，經調理后輸入采集板卡并存儲。利用Matlab軟件平臺[4]編寫數據處理程序，對采集到的數據進行小波分析及處理。

圖1 動態壓力傳感器測點分布示意圖Fig.1 The distribution of measuring points

3 發動機起動脈動頻率分析

發動機正常起動過程中，壓力傳感器采集到的是有規律的壓力脈動信號和噪聲信號[5]；發動機出現失速和軸向脈動時，會引起壓力波動，并混雜在原有壓力信號中。發動機壓氣機出口脈動靜壓p主要由四部分組成：

式中：p0為前面各級及風扇增壓，由轉子對氣體做功得到，其頻率與發動機轉子頻率相等；pn為由測量噪聲引起的壓力脈動，屬于高頻分量，頻率大于轉子頻率；ps為由失速團引起的壓力脈動，其頻率為轉子頻率的40%～60%；pz為燃燒波動等引起的軸向壓力脈動，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混在一起，無法利用時域分開。下面利用小波分析方法對起動過程信號進行處理，根據不同脈動頻率特性對其進行分解，對發動機起動過程中的壓力脈動現象進行研究。

4 小波分析

首先對發動機起動過程的測點信號進行分析，確定各次起動過程中不同脈動成分的發生、發展過程；然后以歷次壓氣機出口動態壓力數據為例進行小波變換，作出發動機頻率隨轉速變化的頻譜圖。

圖2 發動機歷次起動過程頻譜圖Fig.2 The spectrum of each start-up signal

圖2示出了發動機歷次起動過程的頻譜圖。圖中，橫坐標表征發動機轉速，縱坐標表征測量信號包含頻率，顏色代表脈動強度。可見，圖2(a)中存在30～54 Hz、55～81 Hz和60～108 Hz三個明顯的頻率成分。其中30～54 Hz與60～108 Hz的頻率成分存在2倍頻關系，出現在3 300～6 000 r/min轉速之間，基頻成分隨著轉速的升高而升高，且與轉子頻率的比值固定，約為52%。55～81 Hz頻率成分出現在4 400～6 000 r/min轉速之間，該頻率成分與轉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及其倍頻兩個頻率成分，出現在4 000～6 500 r/min轉速之間，基頻與轉子頻率的比值固定，約為52%。圖2(c)中存在59 Hz、75～90 Hz及其倍頻三個頻率成分。其中75～90 Hz及其倍頻出現在5 300～6 500 r/min轉速之間，基頻與轉子頻率的比值不固定；6 500 r/min以后出現59 Hz頻率，其與轉子頻率的比值為52%。圖2(d)中僅出現85～132 Hz頻率成分，出現在4 400～10 000 r/min轉速之間，基頻與轉子頻率的比值不固定，最高達90%。

對上述頻率成分進行分析，發現壓氣機出口脈動壓力存在兩種頻率成分。第一種出現在轉速3 300～6 500 r/min之間，隨轉子頻率的變化而變化，且與轉子頻率的比值固定，約為52%；同時，風扇第2級轉子葉尖脈動靜壓兩個測點信號的相位相差180°，如圖3所示，符合失速時信號相位與測點布局相位一致的條件，初步確定為失速頻率。隨著轉速的升高，壓氣機出口脈動壓力突降，而其他測點的脈動壓力皆有所上升，發動機進入深度失速狀態，故認為第一種脈動為失速團引起的壓力脈動。第1次和第2次起動都是在點火后就進入失速，為壓氣機在低轉速下穩定裕度較低所致。第二種頻率，壓氣機出口脈動壓力信號表現得較為明顯，風扇第2級轉子葉尖脈動靜壓兩個測點實測信號無相位差，排除旋轉失速可能；同時，由于其脈動頻率高，最高達轉子頻率的93%，不符合失速頻率要求，可排除失速導致。對第4次起動的其他測點進行小波分析，通過圖4各測點和圖2(d)的脈動強度看，在轉速4 400 r/min開始出現第二種頻率時，壓氣機出口脈動壓力信號幅值為5.00 kPa，風扇第2級轉子葉尖脈動靜壓幅值為0.50 kPa，流量管的脈動靜壓無幅值，風扇出口脈動幅值為0.45 kPa，外涵出口脈動外壁靜壓幅值為0.40 kPa。結合發動機流道，判定該頻率來源于壓氣機出口和燃燒室，為軸向脈動導致，需考慮燃燒室進口流場組織不穩定。

對于此發動機起動過程中存在的脈動異常現象，試驗中通過改變導葉角度和供油規律，也沒有改變發動機起動過程中存在的脈動異常現象，可見壓氣機低速下的穩定裕度較低，與燃燒室匹配存在問題。建議改進壓氣機結構，擴大低速下的穩定裕度，優化燃燒室進口流場。

圖3 風扇第2級轉子葉尖脈動靜壓2測點時域圖Fig.3 The pressure signals from the 2nd stage rotor

圖4 第4次起動發動機各測點的脈動頻譜圖Fig.4 The spectrum of the 4th start-up signal

5 結論

(1)利用小波變換獲得發動機起動過程中各測點動態壓力隨發動機轉速變化的頻譜圖，可清楚地直觀脈動測點在不同轉速下的脈動頻率，說明小波分析法在發動機起動數據處理上獲得較好的效果。

(2)發動機在起動過程中的脈動異常由兩種原因導致，一種是由于壓氣機的穩定裕度過窄導致失速，失速頻率與轉子頻率的比值約為52%；另一種是由于燃燒室進口流場組織不穩定導致的軸向脈動。

[1]楊建國，夏松波，須根法.基于小波的周期信號中瞬態沖擊特征提取[J].航空動力學報，1999，14(4)：343—347.

[2]姜濤，李應紅，李軍.某型發動機壓氣機最先失速級判定的試驗研究[J].航空動力學報，2002，17(1)：80—82.

[3]呂建偉，李軍.基于時頻-小波分析的壓氣機失速過程研究[J].航空動力學報，2004，19(4)：490—494.

[4]Hanselman D，Littlefield B.精通Matlab 7[M].朱仁峰，譯.北京：清華大學出版社，2006.

[5]姜濤，賈智偉，李應紅.基于小波分析的壓氣機失速故障檢測[J].推進技術，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，主要從事航空發動機特種測試技術研究工作。