王洪祥
【摘要】目前航空界研究領(lǐng)域中,壓氣機(jī)穩(wěn)定性分析是一大熱點(diǎn)。研究的難點(diǎn)就是壓氣機(jī)的失穩(wěn)形式,即失速與喘振研究。對軸流壓氣機(jī)脈動壓力信號的分析可以更好地動態(tài)認(rèn)識壓氣機(jī)失穩(wěn)過程,進(jìn)一步對軸流壓氣機(jī)機(jī)理性進(jìn)行研究。對壓氣機(jī)失穩(wěn)進(jìn)行初始擾動識別,從而進(jìn)行主動控制。
【關(guān)鍵詞】失速;喘振;軸流壓氣機(jī);失穩(wěn)初始擾動;脈動壓力信號
近一個(gè)多世紀(jì),發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)水平隨著世界的航空技術(shù)的發(fā)展有了很大的提高。壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)需要注重其性能研究,其中的穩(wěn)定性是關(guān)鍵因素。如果在失速初始擾動出現(xiàn)就采取科學(xué)的措施,就能夠有效地抑制旋轉(zhuǎn)的失速與喘振。
1.軸流式壓氣機(jī)與效率
空氣在軸流式壓氣機(jī)中主要沿軸向流動。它由轉(zhuǎn)子和靜子,即工作輪與整流器兩部分組成。一排轉(zhuǎn)子葉片與靜子葉片組成一級,單級增壓小,一般采用多級結(jié)構(gòu),以便獲得較高增壓比,在壓氣機(jī)中,空氣隨著被逐級增壓,密度與溫度也隨之升高。軸流式壓氣機(jī)的空氣流量可以做得很大,最高將達(dá)200公斤/秒。壓縮功與實(shí)際消耗的機(jī)械功之比稱為壓氣機(jī)效率,軸流式壓氣機(jī)的面積小,增壓比和效率都高,單級效率約為85%~88%。多級軸流式壓氣機(jī)的效率一般為84%~89%相對較高。當(dāng)壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定下,壓氣機(jī)的增壓會隨著空氣流量的減少而升高。在達(dá)到峰值后,增壓比降低,就導(dǎo)致壓氣機(jī)由于工作點(diǎn)接近了不穩(wěn)定邊界而產(chǎn)生脈動,出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動與噪聲。被動的做法為:讓工作點(diǎn)遠(yuǎn)離開不穩(wěn)定的邊界,但是這種方法將使壓氣機(jī)的工作效率驟降。
2.旋轉(zhuǎn)失速與喘振等失穩(wěn)先兆分析
脈動壓力是一種隨時(shí)間變化的壓力,它直接關(guān)系到飛行器的安全。旋轉(zhuǎn)失速與喘振會導(dǎo)致壓氣機(jī)葉片負(fù)荷失穩(wěn),失速頻率低,機(jī)器溫度升高,影響出口氣流壓力與壓氣機(jī)效率,從而造成機(jī)械出現(xiàn)故障。對壓氣機(jī)的在線預(yù)測與主動控制可以更好地保護(hù)壓氣機(jī)的工作效率,這就需要對失穩(wěn)先兆,尤其是失速初始擾動有深入地研究,關(guān)注失速團(tuán)的形成和演變。傅里葉變換可以利用數(shù)字計(jì)算機(jī)快速的算出。
軸流壓氣機(jī)在流場匹配良好時(shí),各級氣流不分離,壓力傳感器檢測到的壓力信號小,呈現(xiàn)直流分量的信號頻譜,沒有旋轉(zhuǎn)失速頻率fHZ的頻率。但是在葉片進(jìn)口氣流攻角>臨界攻角,氣流在葉背發(fā)生分離嚴(yán)重?cái)U(kuò)展至葉柵通道,飛機(jī)工作穩(wěn)定性容易出現(xiàn)問題。信號由很多不同頻率的波疊加在一起,信號越簡單疊加的波的頻率就越少。使用信號,關(guān)鍵在于對這些信號的處理。在時(shí)域中看到的信號波形非常復(fù)雜,這時(shí)從頻域入手分析,復(fù)雜的信號由不同的頻率的正弦波組成,在頻域很有規(guī)律,就更好處理,把信號從時(shí)域轉(zhuǎn)到頻域,將無規(guī)律的信號變成有規(guī)律。轉(zhuǎn)到頻域設(shè)置窗口函數(shù),分離出有用函數(shù)與待處理的頻域函數(shù)相乘,分離出需要的頻率。
對于軸流壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)失速信號檢測一般依據(jù)頻譜分析FFT算法,變換公式為:
其逆變換為:
k=0,1,2,…,N-1其中,Xn為時(shí)域信號,x[t]的離散時(shí)間按序列,x[k]為Xn的離散傅里葉變換的k階段的頻率系數(shù),直流分量就是k=0說對應(yīng)的信號。N的取值為2的整數(shù)次冪。
3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析
3.1 流量與喘振
壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速一定,系統(tǒng)某些部件堵塞可確定其最大流量。流量的減小打破了穩(wěn)定流動狀態(tài)條件,發(fā)生喘振。如圖所示(壓氣機(jī)在某一工作狀態(tài)下的進(jìn)喘示意圖):
在整個(gè)的喘振過程中,壓氣機(jī)的整個(gè)系統(tǒng)都經(jīng)過壓力脈動。由于壓氣機(jī)的流量和壓力的脈動,都會在壓氣機(jī)及其聯(lián)接管道中,產(chǎn)生相應(yīng)的機(jī)械振動和可聽見的很大的聲音。
3.2 喘振過程脈動A值統(tǒng)計(jì)
將壓氣機(jī)的整個(gè)喘振過程分為三大階段:即,發(fā)動機(jī)喘前穩(wěn)定過程、發(fā)動機(jī)的進(jìn)喘過程和發(fā)動機(jī)退喘后的穩(wěn)定過程。對發(fā)動機(jī)整個(gè)進(jìn)喘過程的脈動A值統(tǒng)計(jì)如表1所示。
3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與結(jié)論
通過上面數(shù)據(jù)分析得出:發(fā)動機(jī)進(jìn)喘前各測點(diǎn)的脈動A值,基本都是低于6%的,而發(fā)動機(jī)的進(jìn)喘瞬間,各點(diǎn)脈動A值開始明顯出現(xiàn)增大,甚至出現(xiàn)高達(dá)數(shù)十倍的A值。這說明,壓氣機(jī)運(yùn)行在進(jìn)入喘振狀態(tài)時(shí),脈動A值會發(fā)生較大的變化,同時(shí),脈動聲音會出現(xiàn)較大的變化。從而得出:通過脈動A值的變化,能夠很順利地提前預(yù)判發(fā)動機(jī)是否進(jìn)喘,并對發(fā)動機(jī)首發(fā)進(jìn)喘級分析。
提前識別失穩(wěn)初始擾動對控制壓氣機(jī)避免進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài),提高壓氣機(jī)工作效率和穩(wěn)定性都具有非常重要的意義。
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