基于特征值理论的轴流跨声速压气机失稳预测

流动失稳问题是叶轮机械所面临的严峻挑战之一,而旋转失速是轴流压气机及压缩系统中普遍存在的一种典型流动不稳定状态。基于特征值理论发展了一个轴流压气机流动失稳开始点预测模型,应用谱方法和奇异值分解(SVD)算法求解所建立的特征值方程,通过特征频率的虚部判断压缩系统的流动稳定性。并通过一个高速单转子在高低两个转速时的算例,定量分析了流动压缩性对跨声速压气机流动失稳开始点预测的重要影响。该模型可在合理的精度范围内,以工程应用可接受的计算资源消耗来预测跨声速单级压气机旋转失速的开始点流量,同时不应用大量经验数据,为压气机设计阶段的稳定性评估提供指导。     

某单级跨声速轴流压气机失稳过程试验

为了深入认识高负荷单级跨声速轴流压气机的失稳过程,揭示其不稳定流动现象的发生、发展及其诱导压气机失稳的物理本质,针对某单级跨声速轴流压气机开展试验研究,对整个失稳过程进行了稳态和动态试验测量.通过对原始信号进行低通滤波和FFT(fast Fourier transform)分析,结果表明:在失稳过程中,静子叶根区域首先出现大幅值、轴对称的轴向低频扰动,此时,该压气机50%叶高以下的加功能力有所下降,但整机并未完全失稳.由于该扰动具有频率低、轴对称、幅值大等典型特征,因此,将这一现象定义为局部喘振.随着流量进一步降低,该扰动会沿轴向和径向传播,最终发展到全叶高,此后,该扰动在转子叶尖区域诱发出旋转失速团,最终导致压气机完全失稳.      

基于D-S证据融合的压气机气动失稳检测

为了研究高速多级轴流压气机中复杂气动失稳现象的检测问题,提出了一种基于D-S (Dempster-Shafer) 证据融合的通用型检测算法。在时域中,采用短时能量表达气动失稳过程中动态压力的脉动幅值特征;在频域中,选择频谱相关系数表达信号频谱变化的特征。将这两种信号特征分别作为气动失稳现象的证据。根据统计规律设计了各证据的mass分配函数。采用Dempster合成规则计算联合证据的mass函数。通过分别比较单一证据及联合证据的mass函数值与其门限值,判决压气机处于气动失稳、失速、喘振或正常状态。进一步地,将该方法扩展为气动失稳检测的多传感器融合模型。该方法计算量小,适用于在线检测系统。采用压气机台架试验实测数据验证,可在气动失稳数毫秒内发出报警信号。     

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。     

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。     

组合压气机旋转失速特征的小波分析

采用高频响动态压力探针测量了小流量轴流/离心组合压气机的旋转失速和喘振,并采用基于Morlet小波时频分析和小波系数奇异分解的方法分析了压气机失速信号.研究结果表明:稳定工况下,频率分量较多、幅值较小.失速工况下,特征频率能量较大、且成倍频关系.在该组合压气机的失稳过程中,并没有引起大幅度的压力脉动.压气机光滑地从失速前出现的模态波过渡到完全失速.周向存在2个失速团,失速团传播速度约为44.8%~45.9%转速.      

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。     

跨声速压气机不同转速下失稳形式的实验研究

为了研究压气机在不同工作转速下失稳形式的不同,进而研究不同失稳先兆的发生机理,针对一台跨声速压气机在不同转速下的失稳过程进行了实验研究。分别在转子叶尖机匣、静子出口布置了高频响动态压力探针对压气机失稳过程进行实时监测和实验数据采集,采用FFT(Fast Fourier Transform)、WFT(Window Fourier Transform)、滤波等数据处理方法对实验数据进行频域和时域分析,得到了压气机在不同转速下流动失稳的变化规律。实验结果表明:随着工作转速的升高,该压气机的失稳过程也会发生改变,在低转速(亚声速)下表现为经典Spike引起的旋转失速,如65%设计转速;而在高转速(跨声速)下则表现为一种新型的失稳过程,由一种发生在近轮毂区域的低频、轴对称、大幅值的扰动诱导了失稳,如88%设计转速。这种失稳先兆被称为局部喘振。两种失稳模态之间的相互转换存在一个临界转速(约为78%设计转速),在临界转速下,局部喘振几乎与旋转失速同时发生。     

单级轴流压气机的旋转失速特性实验

以一台单级低速轴流压气机为研究对象,采用在压气机周向、轴向不同位置处布置多个动态压力传感器的方法,获取了压气机失速过程中不同位置动态压力信号的变化情况,通过对各测点的压力信号分别进行了时域、频域分析.结果表明:压气机在失速前出现尖脉冲型扰动;失速后的失速团的有分裂和合并的现象,个数在1和2之间相互转换,但退出失速时总是由两个合并成为一个,并且在几个转子周期内迅速退出;对失速时的压力信号频谱分析证明了对失速团个数判断的准确性.      

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。     

基于方差分析的某轴流式压气机失速征兆起始检测

及时、准确地检测到压气机不稳定工作的征兆对于保障飞行安全具有重要的意义。为了对某涡喷发动机进行稳定性监控,对节流过程中的压气机机匣壁面静压信号进行了方差分析。分析表明,压力信号的方差可以表征压气机工作状态变化对信号脉动强度的影响,可以提前0 03s-0 07s检测到失速起始征兆,由于算法简单,该方法具有较大的工程应用价值。     

基于模态波理论的压气机失速先兆识别方法

针对压气机气动失速预警存在无法兼顾对渐进型和突尖型失速先兆有效识别的不足,以及提取失速团幅值需要多路传感器信号的局限。分析了压气机失速发展过程中的信号特征;根据压气机失速信号的旋转特性,提出基于单路传感器信号重构周向多路失速先兆信号的方法,讨论了信号重构步长的取值;基于模态波理论,通过对重构信号进行空间傅里叶变换,得到失速扰动信号各阶模态幅值,根据低阶模态的幅值变化实现对渐进型与突尖型失速先兆的识别。以某压气机为例进行仿真,结果表明:当信号重构的步长小于突尖波时间尺度的一半时,重构的多路信号能够复现压气机周向位置失速发展过程,且步长越小,越有利于失速先兆的识别;由模态分解得到的1阶模态幅值的变化能够有效反映失速发展过程;通过合理设置模态幅值的阀值,可以在失速发展前期对失速先兆进行准确识别,从而,基于单路传感器失速信号即可实现对渐进型失速和突尖型失速均能进行预警。      

失速团动态演变特性试验

对一台单级低速轴流压气机进行了节流特性试验,通过周向布置动态压力传感器测得了节流过程的动态压力信号,结合时域、频域及极坐标可视化的分析方法,研究了节流过程的失速团动态演变特性.结果表明:失速先兆类型为模态波失速先兆,其传播频率约为40%转子转动频率;压气机进入失速初期349.5r时周向形成两个失速团,360r时两个失速团合并为单个失速团,压气机进入深度失速时单个失速团重新分裂并在410r时稳定为两个失速团;压气机退出失速的过程中,665r时两个失速团重新合并为单个失速团,674.5r时压气机退出失速.      

基于互相关分析的前失速先兆检测分析

 针对轴流压气机流动失稳控制中的反馈信号,采用互相关分析方法对前失速先兆信号进行了检测。通过在机匣壁面周向对称布置的动态传感器对压力信号进行检测分析,并在单转子低速轴流压气机上进行了实验研究。实验中分析了不同流量工况时,对称布置动态传感器压力信号互相关系数的变化趋势,并在此基础上对前失速先兆与叶顶间隙泄漏涡非定常性进行了关联性研究;同时也分析了采用叶顶喷气作为控制手段之后,机匣壁面对称布置传感器动态压力信号的互相关系数随着喷气量增加的变化趋势。实验结果表明:互相关检测分析方法能够有效及时地检测到壁面压力锯齿波的破坏程度,有利于提高控制器的响应速度,留给作动机构充足的反应时间。而且叶顶喷气作为控制手段能够提高对称布置传感器动态压力信号的互相关系数,从而实现拓宽稳定裕度的目的。     

基于互相关分析的前失速先兆检测分析

针对轴流压气机流动失稳控制中的反馈信号,采用互相关分析方法对前失速先兆信号进行了检测。通过在机匣壁面周向对称布置的动态传感器对压力信号进行检测分析,并在单转子低速轴流压气机上进行了实验研究。实验中分析了不同流量工况时,对称布置动态传感器压力信号互相关系数的变化趋势,并在此基础上对前失速先兆与叶顶间隙泄漏涡非定常性进行了关联性研究;同时也分析了采用叶顶喷气作为控制手段之后,机匣壁面对称布置传感器动态压力信号的互相关系数随着喷气量增加的变化趋势。实验结果表明:互相关检测分析方法能够有效及时地检测到壁面压力锯齿波的破坏程度,有利于提高控制器的响应速度,留给作动机构充足的反应时间。而且叶顶喷气作为控制手段能够提高对称布置传感器动态压力信号的互相关系数,从而实现拓宽稳定裕度的目的。     

轴流压气机旋转失速DSP在线控制方法

针对压气机旋转失速的在线控制新方法进行了实验研究。构造了完整的数字信号处理（DSP）控制方案,并在单级低速轴流压气机实验台上完成了实验验证。在对动态信号进行时域分析、频域分析、滤波及相关性分析的基础上,确定了旋转失速在线控制的整定值,结合叶顶微喷气扩稳方法,在不同相关系数设定的条件下,进行了旋转失速在线反馈控制的实验研究。实验结果显示该DSP控制系统与相关计算方案结合具有有效的控制效果,为压气机流动失稳控制技术发展探索一种新的方式。     

近失速压力扰动的试验

采取在静子叶片表面埋入微型压力传感器的方法,对叶尖、叶中和叶根3个截面上的动态压力进行测量,实验研究了压气机近失速的流场特性。实验结果表明:压气机失速前,存在两个特征频率的压力扰动;这两个特征扰动的扰动频率与压气机转速成正比,与转子转动频率的相对频率分别等于5和8;相对频率为5的特征扰动强度随着流量系数减少而增大,在失速点达到最大,而相对频率为8的特征扰动随着流量系数减少先增大,在失速点突然下降;选择相对频率为5的特征扰动作为压气机失稳预警信号,设定某一λ值作为报警的阈值,可以有效防止压气机失速。      

最大Lyapunov指数用于压气机局部性能的分析

对压气机叶尖、叶根失速类型的判断有利于在设计中增加控制措施以扩大压气机稳定工作范围。压气机内部流动为复杂的非线性系统,利用非线性时间序列分析中的最大Lyapunov指数方法,分别对单级和15级低速轴流压气机稳定工作状态下不同叶高处的动态总压试验数据进行分析,发现最大Lyapunov指数较大的区域容易失速,得到了此压气机叶尖与叶根进入失速的先后顺序,与失速过程的动态总压信号利用低通滤波方法进行失速类型判断得到的结论相一致。     

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。     

概率密度函数分析监测发动机气动不稳定征兆

对某型单轴涡喷发动机节流过程中的喘振故障进行了试验研究。在手工关闭放气带的情况下,该型发动机的共同工作线确定地穿越喘振区域,从最大状态收油门减速将会导致该型发动机进入不稳定工作。数据分析中发现压气机第一级静子机匣壁面静压对节流最为敏感,且静压脉动分量的概率密度函数分布随节流有规律地发生变化。定义了概率密度函数特征值θ来量化这种变化。进一步的数据分析表明,θ可以反映压气机第一级端部的流动分离情况,可以作为试验发动机节流过程中的气动稳定性指标。与直接检测模态扰动和短周期扰动相比,监测θ的变化可以为该型发动机提供较长的失速预警时间。