轴流压气机喘振状态下的声学特征及诊断方法

2020-12-31刘元是

燃气涡轮试验与研究 2020年5期

杜军，文璧，刘元是

(中国航发四川燃气涡轮研究院，四川绵阳 621010)

1 引言

轴流压气机作为航空发动机的主要部件，其工作稳定性引起了科研人员的广泛关注，其中喘振这种不稳定工作状态是较热门的一个研究方向。压气机喘振是气流沿轴线方向发生的低频率(通常为几赫兹或十几赫兹)、高振幅气流振荡现象[1]，喘振发生时一般会产生强烈的机械振动、转速不稳定、流量波动、推力下降等现象。此外，还会产生非常明显的低频噪声，为气流在叶片通道内严重分离所致。压气机喘振时产生的强大激振力，可能导致叶片断裂，最终酿成严重事故。如何通过测试对喘振进行识别并快速作出相关诊断是科研人员研究的重要课题。国内外对喘振的研究主要是采取动态压力参数测试并应用其结果进行相关检测[2-8]，目前喘振诊断的主要检测方法有统计特征法[9]、动态压力方差法[10]、脉动压力变化率法[11]、小波分析法[12]等方法。但这些方法大多采用的是阈值法，即当计算的某种参数大于设定阈值时即判断为喘振发生，为此需要大量的试验数据作为支撑来确定其阈值，这会导致多个方法在工程上无法应用。

由于压气机处于不稳定工作状态时会产生异常的声学现象，国内外学者对此进行了相关研究。Morini 等[13]对一多级压气机进行了声学测试，发现压气机不稳定工作状态会产生明显异常的BPF高频声学特征。Anthony[14]运用声学测试及SDP 分析方法对低速轴流风扇失速特征进行了可视化呈现。曹昳劼等[15]对压气机的喘振声学信号进行了测试，获取了喘振的声学信号特征。但这些研究主要是对压气机的不稳定声学特征进行呈现，未进行相关诊断研究。本文以某型轴流压气机试验为依托，进行了喘振状态下的声学测量，通过研究喘振状态下的声学特征并应用相关数据算法，成功完成了对喘振故障的诊断，为航空发动机喘振故障研究提供了一种新的方法。

2 喘振声学测量

以某型多级轴流压气机为测试对象，在风扇/压气机试验台上进行喘振状态下的声学测量。测量传感器为6.35 mm 的麦克风传感器，可用于自由场及压力场环境下的声压测量。由于使用温度的限制，测点采用齐平的方式安装在轴流压气机进口转接段机匣壁面，并位于压气机进口截面逆航向逆时针周向225°处，具体测点布置见图1。信号采样率设置为50 kHz。测试前采用标准活塞发生器对传感器进行了校准。试验分别录取了多级轴流压气机在相对换算转速nr=50.0%，60.0%，70.0%，80.0%，85.0%，92.5%，95.0%，97.5%状态下的喘振声学数据。

图1 声学测量测点布置示意图Fig.1 The diagram of acoustic signal measurement points

3 喘振声学特征

由于试验录取的各状态下的喘振声压信号具有相似性，文中仅选择nr=85.0%状态下的信号进行展示，见图2。由图可看出，喘振发生时声压信号发生了大幅度波动。局部放大显示，该波动是一种大幅度的低频波动，而在正常稳定工作的轴流压气机中是不存在这种低频声压信号的。

图2 nr=85.0%状态下的声压信号时域图Fig.2 Time domain diagram and surge local amplification diagram when nr=85.0%

为研究喘振发生时声压信号的频域特性，对喘振声压信号进行了频域分析，结果见图3。图中，颜色代表频率幅值。由于喘振时声压信号的频率成分变化主要集中在低频部分，因此显示的频率上限只给到了200 Hz。由图可看出，不同转速下的喘振时频分析结果存在高度的相似性，主要表现为：压气机正常稳定工作状态下，不存在明显的低频声学特征信号；喘振时，声压信号以低频成分占主，主要集中在约80 Hz以下，且是一种宽带信号。此外，压气机在喘振状态下的声学频域特征与其转速无关，不随转速的变化而变化。

4 喘振诊断方法

上述研究表明，轴流压气机喘振状态下的声学频域特征与正常稳定工作时有明显区别，主要表现在低频部分，因此考虑应用能量比方法对喘振进行诊断，具体诊断流程见图4。将声压信号的低频能量与其余能量进行比较，若比值不小于50%，则喘振发生，输出1；若比值小于50%，则喘振未发生，输出0。

应用能量比方法对各换算转速下的轴流压气机喘振声压信号进行了诊断研究，结果见图5。由图可见，能量比方法对各换算转速下的喘振均做出了正确的诊断。由此可认为，应用声学测量与能量比分析相结合的方法可有效诊断喘振。其中，本研究中应用能量比诊断方法的预警迟滞时间Δt≤0.164 s(Δt=N/fs，N为数据分析点数，fs为采样率)。为在保证频率分辨率的条件下尽量缩短预警迟滞时间，建议数据分析点数取8 192。