軸流壓氣機喘振狀態下的聲學特征及診斷方法

杜 軍，文 璧，劉元是

(中國航發四川燃氣渦輪研究院，四川綿陽 621010)

1 引言

軸流壓氣機作為航空發動機的主要部件，其工作穩定性引起了科研人員的廣泛關注，其中喘振這種不穩定工作狀態是較熱門的一個研究方向。壓氣機喘振是氣流沿軸線方向發生的低頻率(通常為幾赫茲或十幾赫茲)、高振幅氣流振蕩現象[1]，喘振發生時一般會產生強烈的機械振動、轉速不穩定、流量波動、推力下降等現象。此外，還會產生非常明顯的低頻噪聲，為氣流在葉片通道內嚴重分離所致。壓氣機喘振時產生的強大激振力，可能導致葉片斷裂，最終釀成嚴重事故。如何通過測試對喘振進行識別并快速作出相關診斷是科研人員研究的重要課題。國內外對喘振的研究主要是采取動態壓力參數測試并應用其結果進行相關檢測[2-8]，目前喘振診斷的主要檢測方法有統計特征法[9]、動態壓力方差法[10]、脈動壓力變化率法[11]、小波分析法[12]等方法。但這些方法大多采用的是閾值法，即當計算的某種參數大于設定閾值時即判斷為喘振發生，為此需要大量的試驗數據作為支撐來確定其閾值，這會導致多個方法在工程上無法應用。

由于壓氣機處于不穩定工作狀態時會產生異常的聲學現象，國內外學者對此進行了相關研究。Morini 等[13]對一多級壓氣機進行了聲學測試，發現壓氣機不穩定工作狀態會產生明顯異常的BPF高頻聲學特征。Anthony[14]運用聲學測試及SDP 分析方法對低速軸流風扇失速特征進行了可視化呈現。曹昳劼等[15]對壓氣機的喘振聲學信號進行了測試，獲取了喘振的聲學信號特征。但這些研究主要是對壓氣機的不穩定聲學特征進行呈現，未進行相關診斷研究。本文以某型軸流壓氣機試驗為依托，進行了喘振狀態下的聲學測量，通過研究喘振狀態下的聲學特征并應用相關數據算法，成功完成了對喘振故障的診斷，為航空發動機喘振故障研究提供了一種新的方法。

2 喘振聲學測量

以某型多級軸流壓氣機為測試對象，在風扇/壓氣機試驗臺上進行喘振狀態下的聲學測量。測量傳感器為6.35 mm 的麥克風傳感器，可用于自由場及壓力場環境下的聲壓測量。由于使用溫度的限制，測點采用齊平的方式安裝在軸流壓氣機進口轉接段機匣壁面，并位于壓氣機進口截面逆航向逆時針周向225°處，具體測點布置見圖1。信號采樣率設置為50 kHz。測試前采用標準活塞發生器對傳感器進行了校準。試驗分別錄取了多級軸流壓氣機在相對換算轉速nr=50.0%，60.0%，70.0%，80.0%，85.0%，92.5%，95.0%，97.5%狀態下的喘振聲學數據。

圖1 聲學測量測點布置示意圖Fig.1 The diagram of acoustic signal measurement points

3 喘振聲學特征

由于試驗錄取的各狀態下的喘振聲壓信號具有相似性，文中僅選擇nr=85.0%狀態下的信號進行展示，見圖2。由圖可看出，喘振發生時聲壓信號發生了大幅度波動。局部放大顯示，該波動是一種大幅度的低頻波動，而在正常穩定工作的軸流壓氣機中是不存在這種低頻聲壓信號的。

圖2 nr=85.0%狀態下的聲壓信號時域圖Fig.2 Time domain diagram and surge local amplification diagram when nr=85.0%

為研究喘振發生時聲壓信號的頻域特性，對喘振聲壓信號進行了頻域分析，結果見圖3。圖中，顏色代表頻率幅值。由于喘振時聲壓信號的頻率成分變化主要集中在低頻部分，因此顯示的頻率上限只給到了200 Hz。由圖可看出，不同轉速下的喘振時頻分析結果存在高度的相似性，主要表現為：壓氣機正常穩定工作狀態下，不存在明顯的低頻聲學特征信號；喘振時，聲壓信號以低頻成分占主，主要集中在約80 Hz以下，且是一種寬帶信號。此外，壓氣機在喘振狀態下的聲學頻域特征與其轉速無關，不隨轉速的變化而變化。

4 喘振診斷方法

上述研究表明，軸流壓氣機喘振狀態下的聲學頻域特征與正常穩定工作時有明顯區別，主要表現在低頻部分，因此考慮應用能量比方法對喘振進行診斷，具體診斷流程見圖4。將聲壓信號的低頻能量與其余能量進行比較，若比值不小于50%，則喘振發生，輸出1；若比值小于50%，則喘振未發生，輸出0。

應用能量比方法對各換算轉速下的軸流壓氣機喘振聲壓信號進行了診斷研究，結果見圖5。由圖可見，能量比方法對各換算轉速下的喘振均做出了正確的診斷。由此可認為，應用聲學測量與能量比分析相結合的方法可有效診斷喘振。其中，本研究中應用能量比診斷方法的預警遲滯時間Δt≤0.164 s(Δt=N/fs，N為數據分析點數，fs為采樣率)。為在保證頻率分辨率的條件下盡量縮短預警遲滯時間，建議數據分析點數取8 192。

圖3 不同換算轉速下喘振的時頻分析Fig.3 The time-frequency analysis of surge at different correction speed

圖4 喘振診斷方法流程Fig.4 The flow chart of surge diagnostic methods

5 結論

研究了軸流壓氣機的喘振聲學特征，利用能量比分析方法對喘振故障進行了診斷，主要結論為：

(1) 軸流壓氣機喘振發生時聲壓信號會發生大幅度的低頻波動現象，而正常穩定工作中不存在這種現象。喘振發生時聲壓信號以低頻成分占主，頻率成分主要集中在約80 Hz 以下，且這種低頻信號是一種寬帶信號。

(2) 軸流壓氣機在喘振狀態下的聲壓信號頻域特征與轉速無關，不隨轉速的變化而變化。

(3) 應用聲學測量與能量比分析相結合的方法可有效診斷軸流壓氣機喘振，其預警遲滯時間與數據分析點數和采樣率有關。

圖5 不同換算轉速下喘振診斷結果Fig.5 The results of surge at different correction speeds