壓氣機失速信號分析

姜椿陽

摘 要 以壓氣機失速信號分析為目標，選用MATLAB作為信號分析平臺，采用時域分析法、頻域分析法進行信號分析，并考慮在得到壓氣機葉片參數和轉數等信息后，采用濾波的方法做更深入的分析。

關鍵詞 壓氣機；失速信息；信號分析

中圖分類號 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）164-0229-02

在本課題中，由于未給出壓氣機轉子葉片數量、壓氣機轉速等信息，所以，這些信息我們必須通過信號分析得到，此外，我們還需得到失速征兆以及由擾動產生到進入失速所經歷的時間，同時，在可能的情況下，我們還應判斷出失速的基本類型，包括辨析出是突變失速還是漸進失速、全展向失速還是部分展向失速等，以及失速團的個數。

為了得到以上信息，我選用MATLAB作為信號分析的平臺，主要采用了時域分析法、頻域分析法進行信號分析，并考慮在得到壓氣機葉片參數和轉數等信息后，采用濾波的方法做更深入的分析。

1 信號分析

時域分析：

信號1：105800A.dat

如圖1所示，即為近設計點工況時域圖，橫坐標按采集點個數均分，由于采樣頻率恒定為12K，采樣時間為5s，所以采集點個數也就表征了時間。由上圖可以看出，近工況狀態下，前緣、50%弦長和尾緣的壓強信號基本保持穩定，只是在小范圍內有脈動，將測得參數按按時間平均，并設前緣靜壓平均量為P1，50%弦長處P2，尾緣P3，則有P1=2.544，P3=3.013，于是得近設計點工況增壓比n1=P1/P3=1.184。

如圖2所示，壓氣機的近失速點實際即為壓氣機葉片氣流分離點位于50%弦長處時，此時，微小擾動即可導致壓氣機進入失速狀態。按上一數據的處理方法，我們得到近失速點壓比為n2=1.156，較近設計點工況略小，這是由于流動的分離導致壓氣機效率降低造成的/但是當進入失速狀態時（近失速狀態），我們可以定性的分析出尾緣處靜壓與前緣處靜壓在數值上呈現近似的負相關關系，這是由失速團的性質決定的，并且，節流閥開啟后，壓氣機增壓絕對值突然上升又劇烈下降，最后，成周期性變化，由此可以初步判定該失速類型為突變型失速。

信號2：105800stall.dat

為了對該信號進行更深入分析以獲得與失速相關的時間信息，我選用MATLAB自帶的FIRbp濾波器對葉片前緣的靜壓信號做了濾波處理。由上圖直觀的可以看出，波形的主要信息頻率小于100Hz，脈動項也小于100dB，高頻部分的截止頻率為Fstop=100Hz，截止幅值為100dB。得到濾波后的波形圖如圖3：

可見，在采樣時間略超過3s處，節流引起的擾動傳遞到了葉片前緣，并且誘發了失速，并在3.47s時，壓氣機開始進入到失速狀態。由此我們也可以判斷，對于該型壓氣機，失速的征兆為壓氣機前緣壓力進入小幅無序脈動，并在約0.5s后進入周期性脈動，并最終開始失速。此外，由該信號圖還可看出，壓力脈動的振幅是由小到大最終達到一個穩定的峰值。結合葉輪機械原理中的概念，以及擾動傳遞理論，可認為在壓氣機處在不穩定的臨界狀態時，微小擾動即可經擴散逐步轉化為大的脈動，并由局部擴展到較大的區域。為了進一步獲得失速的信息，我們再分析完全失速狀態時采樣而得的信號3。

信號3：105800stalling.dat

由信號3的時域圖可以大致看出，該級壓氣機的壓升處在高振幅周期性震蕩中的狀態中，即表明此時壓氣機已進入喘振狀態，并且圖中壓力值的周期性脈動較為清晰，故直接數得其脈動頻率約為3Hz（15次/5秒）。

再由信號2已選用過的低通濾波器，并采用相同參數進行濾波，得到如下信息：

經過濾波后，低頻脈動項特征得到保留，于是我們發現前緣壓力按照一定的周期有規律的波動，？P=0.5，T=（3.92-0.5）/10=0.342，即由失速引起的壓力脈動頻率與上文分析所得一致，約為3Hz。在缺乏壓氣機轉速、葉片參數等必要信息的情況下，我們尚無法對該失速團做定性認識，因此，我又采用頻域分析法對上述參數進行分析，以期從給定信號的頻域特性中分析得出壓氣機的轉速和葉片參數等重要信息。

2 結論

通過對本次實驗獲得的壓氣機不同狀態、不同位置的靜壓信號分析，我得到了如下結論：

1）失速將導致壓氣機增壓比急劇下降，最終使整級壓氣機失去正常工作能力。

2）本實驗臺壓氣機近失速點為氣流分離點位于50%弦長處，此時，節流造成的擾動可迫使壓氣機進入不穩定狀態，繼而失速，本次實驗節流閥打開時間應為采樣開始后3s，而在3.47s時壓氣機進入失速狀態，為突變型失速。

3）在本次實驗中，壓氣機轉速為600rpm，葉片為17片，完全失速時失速團共一個，頻率約為3Hz，為全展向失速。

附錄：

MATLAB平臺上涉及到本次信號分析的源代碼：

頻譜圖的繪制（僅列出信號1）：

>>？x=linspace（0，12000，60000）；

>>？y1=fft（X05800A3）；y2=fft（XO5800A2）；y3=fft（ XO5800A1）；

>>？plot（x，y1，b：，x，y2，g-，x，y3，r-.）。

其他均直接采用了該平臺上的現成模塊，故代碼不再贅述。

參考文獻

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