风扇/压气机失稳辨识系统设计与验证

失速和喘振是航空发动机试验中常遇的两类气动失稳现象,为保障发动机零部件试验安全运转,必须对失速喘振信号进行在线检测控制。根据零部件试车台架的需求,设计了失速喘振辨识算法并对影响辨识算法的关键因素进行了分析,通过小型嵌入式系统为硬件平台实现了失稳辨识系统在线检测功能。该失稳辨识系统具有体积小、实时性强、抗干扰能力强的特点。在多个型号零部件试验件的应用表明,该系统能有效识别发动机深度失速和喘振状态,满足航空发动机风扇/压气机对失速喘振在线检测控制的要求,具有较高的工程应用价值。     

数字嵌入式航空发动机气动失稳预警系统的研制与应用

如何对航空发动机失速和喘振这两类气动失稳进行测量、变换,以便对气动失稳进行控制,确保发动机安全和性能是当前国内外航空界的一项重要研究内容。以涡扇发动机为研究对象,在对整机与压气机部件失速和喘振现象深入研究的基础上,以DSP为核心,研制出气动失稳预警系统。在APTD专项试验中的应用表明:该系统具有实时性强、可靠性高和动态性能好的特点。在飞机、发动机与压气机部件试验以及燃机气动失稳预报和控制等工程应用中,具有广阔的应用前景。     

多级轴流压气机出口增压容积对失稳边界的影响

介绍了一台三级轴流压气机在不同的出口增压容积下进行的失稳边界试验，试验结果表明，由于出口增压容积增大，使原来存在旋转失速边界的喘振特性，变为突发性喘振边界，该试验证实Greitzer的B系数作为压气机失稳边界的失速判据是适用的。该特性说明，涡喷发动机的低压压气机在喘振之前，存在旋转失速边界，有可能进行预先报警。     

多级轴流压气机失速／喘振的测量及数据处理

在多级轴流高压压气机上 ,开展从气动失稳到喘振及退出喘振时对气体压力的动态测量。试验是在多级轴流高压压气机静叶设计角度及中间级引气的情况下进行的。采用高精度、高频响的动态压力传感器 ,高速同步采集板 ,快速A/D采集板和高速处理机相结合 ,借助频谱分析的方法来找出失速 /喘振频率 ,并且找出对应着该频率的各通道之间的相位差 ,分析出失速 /喘振首发级。在试验中运用信号分析方法对叶片排中失速及喘振信号进行数学处理。测量得出的结论是 :在多级轴流高压压气机中 ,失速 /喘振均属于突变型 ;在 n=0 .8时压气机工作于多值区 ;中间级引气将影响失速 /喘振。     

压气机失速信号分析方法

<正>压气机的失速与喘振直接影响航空发动机的稳定工作范围,主动控制技术是实现发动机扩稳的重要技术手段。如何尽量早地获取与识别失速先兆信号,是压气机失速主动控制研究的一个重要内容。压气机失速信号分析通常包括信号选取与先兆捕捉两方面内容。其中,选取的信号可以是原始采集信号,也可以是滤波处理信号。原始信号由于混     

基于声压信号的某型涡轴发动机喘振识别

为了识别某型涡轴发动机喘振时的特征,通过进气畸变方式开展了某型发动机台架试车逼喘试验,利用声压传感器测量采集了轴流压气机和离心压气机两侧的声压信号。对声压信号进行测试环境与背景噪声修正,再采用时频分析方法实现了对由于进气减少引起的压气机叶片失速团特征和低频喘振特征的检测,并采用小波低频重构声压信号方法实现了某型涡轴发动机喘振信号的提取与识别。结果表明：随着进气的增加,轴流压气机和离心压气机转子频率处声压信号幅值会降低,同时会产生失速团,轴流压气机右侧能最先监测到喘振,喘振频率约为60 Hz。     

进气畸变下航空发动机失速/喘振适航审定方法

航空发动机失速/喘振问题是适航审定的重要内容之一,针对失速/喘振适航审定方法开展研究具有重要的工程价值。根据中国民用航空规章(CCAR)《航空发动机适航规定》中关于航空发动机失速/喘振的基本要求,从进气畸变对发动机失速/喘振裕度的影响角度出发,以平行压气机模型为基础对某型航空发动机通用特性及失速裕度进行预估,计算结果与实验值仅相差不到1.5%;然后采用三维数值方法计算了进气迎角以及畸变范围变化下多种工况的进口畸变流场,对比分析后总结出航空发动机喘振裕度-进气畸变-飞行状态(迎角)三者之间的变化规律,发展了极限飞行姿态的判定方法;最后,结合中国民用航空规章的相关文件,制订了针对航空发动机失速/喘振的适航审定流程。     

轴流式压气机近失速状态端壁流动时频分析

为准确辨识某型单轴涡喷发动机压气机近失速点的流动特征,对其端壁静压信号进行了时频分析。时频分析结果表明,近失速点的工况下,与其它各级相比,压气机第一级静子机匣壁面流动变化最为显著;随着发动机工作点沿共同工作线趋近喘振边界,压气机第一级静子机匣壁面静压信号中以550Hz为中心的宽带信号开始出现并逐步增强。所发现的压气机端壁流态特征可用于发动机节流过程中工作点接近失速边界的程度的判定,具有一定的工程应用价值。      

涡扇发动机消喘系统设计与试验研究

在某型涡扇发动机气动失稳特征的基础上,建立了航空发动机失速/喘振特征工程数学模型,研制出发动机消喘系统数字仿真平台,完成了消喘系统的方案优化设计,并在地面台架和飞行台试验中得到了验证。其气动失稳工程数学模型、数字仿真优化设计技术和试验验证方法可广泛应用于航空发动机、地面和舰船燃气轮机、以及其它民用叶轮机械气动失稳测控设计领域,同时也为制定航空发动机消喘系统设计规范奠定了坚实的技术基础。     

局部喘振现象物理本质的研究

局部喘振是在跨声速压气机发现的一种流动现象,其物理性质与喘振较为类似。针对局部喘振的物理本质的探索可以丰富跨声速压气机失稳理论,对于跨声速压气机扩稳有重要意义。本文针对这一问题,结合B参数模型,在跨声速压气机实验台上通过不同进气管道方案来改变实验装置对应的B参数,从时域、频域两方面对比研究不同B参数状态下的压气机的失稳过程,进一步分析不同B参数条件下失稳过程形态的演变规律。实验结果表明,B参数为0.39时,局部喘振现象并未发生,压气机直接进入喘振而失稳;B参数为0.51时,局部喘振诱发喘振而致使压气机失稳;而B参数为0.7时,局部喘振诱发旋转失速团导致压气机失稳。局部喘振现象既能诱发跨声速压气机发生旋转失速,也可以导致其直接进入喘振,因此局部喘振现象是一种失稳先兆。     

基于台架试验的涡轴发动机喘振发生位置规律

为了探究某型涡轴发动机喘振发生位置规律,采集并分析了台架喘振试验时进气道、轴流压气机叶尖、轴流压气机出口和离心压气机出口的压力信号。采用连续小波时频变换对压力信号进行特征提取,以小波系数作为喘振信号特征,阈值为小波系数最大值的10%,结果表明:某型涡轴发动机的轴流压气机总是比离心压气机先发生喘振,喘振在轴向上由进气道向离心压气机传递的同时,在周向上也沿着压气机转子叶片旋转方向传递。对某型号发动机进行实时喘振监测时,监测轴流压气机能比监测离心压气机更早发现喘振,在后续某型涡轴发动机改型设计时,可增加轴流压气机的喘振裕度来提升整机防喘能力。      

发动机动态压力畸变试验方法

本文介绍了一种发动机动态压力畸变试验方法。试验在地面试车台上进行。在发动机前面安装插板式动态压力畸变发生器。当发动机吸气时,气流在发动机进口产生动态压力畸变,畸变严重时,发动机会失速喘振。在发动机进口改装高响应米字测压耙,耙上有４０个动态压力传感器和４０个稳态压力测量皮托管,以测量动态压力畸变数据。在高压压气机和低压压气机出口改装动态压力传感器,探测压气机失速喘振信号,以便发现失速喘振后,迅速退出     

航空发动机失稳特征信号甄别

针对航空发动机失稳时的重要表征——喘振信号开展检测、判别和处理方法的研究。通过失稳信号处理器实时获取压气机压力脉动数据,采用时域诊断分析方法完成对失稳信号的在线检测和预警。经压缩部件台架试验验证,失稳信号处理器能成功分离出喘振状态下的失稳信号特征,实现对失稳信号较为准确的捕获,采用的失稳判定方法有效。研究结果表明:失稳特征信号的实时、准确甄别,是发动机失稳主动控制的先决条件,提高失稳特征信号判别的正确率,可有效避免发动机失稳过程中信号的误判、漏判。     

进口导叶角对叶根失稳压气机流动失稳的影响

以一台航空高速压气机为研究对象，通过加装进口导叶调整压气机进气预旋角，采集失稳过程中的动态压力信号，观察不同导叶角度、流动失稳演化过程。结果表明：在负导叶角情况下，压气机由转子叶尖突尖波引起失稳；在零导叶角及较小的正导叶角情况下，由静子叶根区域的局部喘振诱发失稳；在较大的正导叶角情况下，静子叶根在节流过程中首先出现局部失稳，进一步节流导致叶尖旋转失速团出现，压气机完全失稳。分析认为，导叶角的增加通过降低反力度，调整了转静间的负荷分配，从而引起了失速初始扰动发生上述“转子突尖波-静子局部喘振-静子局部失稳”的转变。     

紧连阀轴流压气机变转速过失速瞬态模型

为了给各种压气机喘振主动控制器提供验证平台,提出了一个新的旋转失速及喘振模型.该模型在Moore-Greitzer轴流压气机过失速瞬态模型的基础上,考虑了转子动态及旋转失速高阶谐波对压气机气动稳定性的影响,并且在模型中增加了紧连阀作为执行机构.仿真结果表明:随着压气机转速的增加,压气机的失稳行为由旋转失速转为喘振;压气机转速的变化作为系统内部扰动,可能使压气机在节流阀开度较大时便进入气动失稳状态;虽然压气机初始扰动仅含有1阶谐波,但随着旋转失速的发展,高阶谐波强度不断增长而变得不可忽略.      

轴流式压气机旋转失速信号的早期检测

早期检测航空发动机压气机旋转失速信号对于设计一种高效的防喘、消喘控制系统具有重要意义。通过对压气机旋转失速形成、发展、退出过程中压力信号频谱演化特性的分析,提出了一种基于FFT的压气机旋转失速信号检测判据。对某轴流式压气机压力测量信号的分析结果表明,该判据是准确、可靠和快速的,可以用于旋转失速信号的早期检测。     

压气机进口畸变流场的主动控制

一 引言 航空喷气发动机进口的气流畸变对压气机的性能和稳定性造成很大的影响,发动机的抗畸变能力已成为评价发动机性能的一个重要指标。目前发动机设计时往往留有高达20％的失速裕度,也与防止进气畸变使压气机进入不稳定工作有关。留用大量的失速裕度意味着压气机性能的浪费。如果能增强压气机的抗畸变能力,使之在进口气流品质较恶劣的情况下也能稳定工作而不进入旋转失速或喘振,则有可能将压气机的工作点移至压比与效率都更高的区域。由此得到的发动机性能提高是相当可观的。     

加力涡扇发动机喘振与消喘模拟

基于气动耦合原理,发展了涡扇发动机风扇出口分流环计算模型,并进一步基于多级轴流压气机系统的逐级单元控制体模型,建立了混合加力涡扇发动机喘振及其喘振消除的数值模拟方法,并将其应用于某型全台加力涡扇发动机过失速特性模拟。在加力状态下采用收小尾喷管喉道面积诱导了风扇压气机过失速—喘振过程,并给出了预先对加力燃烧室实施切油消除风扇压气机喘振数值模拟结果。      

可变转速工况的压气机分布式动态模型与仿真

针对目前压气机动态模型用于主动稳定控制时,存在既不反映压气机变转速工况又不能模拟压气机内部周向位置失速信号发展过程的不足,在一维状态变量描述的压气机失稳动态模型基础上,以喷气装置作为执行装置,通过傅里叶变换,采用多维状态变量描述压气机动态过程,建立了含喷气执行装置的压气机系统变转速工况下分布式动态模型。仿真结果表明,所建模型可实现定转速和变转速工况下的压气机不稳定行为动态仿真,采用该模型进行压气机主动稳定控制,可使压气机失速模态幅值由0.28减小为1×10~(-5),能有效抑制压气机失速的发生,增强了模型的适用性。     

神经网络用于风洞中压气机失速监控

旋转失速和喘振是严重影响轴流压气机性能的截然不同的两种气动不稳定现象。旋转失速和喘振均能引起转子和静子叶片振动及压气机内部温度急剧上升，在叶片上的大的动应力会引起严惩的机械破坏。对16英尺超音速风洞试验中压气机的3C3转子叶片，失速发生约10转（即1秒）后，失速产生的振动应力将达到对压气机产生机械危害的程度。旋转失速是16英尺跨音速风洞试验中C－1压气机中常见的不稳定现象；旋转失速在2转（0．2秒）时间内，产生一个应力峰值并逐渐衰减。显然，需要一个系统在出现失速征兆的瞬间能很快探测到并发出警告，该系统还具有自主修正能力。建立在多年实践观察基础上的开环技术已成为当前主要的监控模式，工程师可以采修正的操作以避免压气机进入失速。在控制系统中引入闭环防失速装置可使压气机工作点离开失速边界是人们最终的追求目标。实现对压气机失速的控制需要对开环和闭环模式的高速自动处理。神经网络用于数据分类、信号处理、对象建模及预测的一项新的信息处理技术。由于神经网络用于数据分类具有快速、精确及高抗噪性，因而，神经网络适合被选作对压气机不稳定性进行探测及监控研究。