(中国航发湖南动力机械研究所湖南株洲412002)
摘要：针对某型发动机离心叶轮叶片裂纹故障现象，开展了高频响动态静压专项试验，判断是否发生失速喘振现象。采用在离心叶轮周向和轴向不同位置处布置多个动态压力传感器的方法，获取了不同转速下不同位置动态压力信号的变化情况，对各截面的动态压力信号分别进行了时域、频域和相关性分析，以了解该离心叶轮各截面压力脉动情况，为叶片故障排查提供数据支持.
关键词：离心叶轮动态压力时频分析相关分析
航空发动机转速高，且转子内部转、静子间的轴向和径向空间十分狭窄因此，压气机内部流动呈现出复杂的强三维性和非定常性，会导致压气机叶片经常出现振动应力过大、甚至疲劳断裂等故障[1-2]，对发动机安全性和可靠性影响极大。
发动机进出口流场是以叶片通过频率为特征的周期量和湍流、涡流等引起的随机量的组合[3-4]，对于这种流场，常规稳态气动探针是无能为力的，稳态测量不能反映出流场的真实情况，只有采用高频响动态测压方法才能测出压力的快速脉动变化，更好的了解压气机级间流场气动参数的变化。
本文针对某型发动机离心叶轮叶片裂纹故障现象，通过开展高频响动态静压测量试验，获取了不同转速下不同位置动态压力信号的变化情况，对各截面的动态压力信号分别进行了时域、频域和相关性分析，深入了解该离心叶轮的各截面压力脉动情况，为叶片故障准确定位和排查提供数据支持。
1测试系统介绍
1.1测点布置
在离心叶轮的大叶片进口上游4mm、小叶片进口、叶轮出口上游4.5mm共3个截面位置，进行高频响动态静压测量。各测量位置周向布置3点，呈非对称分布。
1.2测试系统组成
动态测试系统由传感器、德维创高速动态数据采集仪组成。
为保证测试系统的准确，试验前对测试系统进行静态校准。校准源为数字式压力校验仪。校准方法如下：分别对各路传感器进行加压，输出信号接入德维创数据采集仪显示，记录下输出电压与对应的压力，然后用最小二乘法进行线性拟合，将拟合后的系数输入高速数据采集仪。
9个静压测点均采用XTEL-1-90C型高频响Kulite传感器，对其进行抽检，动态校准谐振频率约为ω=500kHz左右，可以满足气流脉动时压力的测试要求。试验前将9支动态传感器安装到机匣上的相应位置，并用螺纹胶密封，传感器信号线分别接入高速动态数据采集系统中的9个压力模块通道，模块给传感器提供10V激励电压。为了尽可能采集到更接近真实的信号波形，试验中采样频率设置为每通道200ks/s。
2试验方案
测试试验按以下步骤进行：
1）冷吹后，起动试验件，上推转速至换算转速=0.45，适当关闭节气门，模拟核心机共同工作线上的第一级离心压气机压比。
2）以80（转/分）/秒的加速度，将试验件由换算转速=0.45慢速上推至转速=1.0。
3）以200（转/分）/秒的加速度，将试验件由换算转速=0.45快速上推至转速=1.0。
3试验结果分析
3.1压力脉动波形及其频谱分析
动态静压测量主要是测量监测气流压力脉动情况。由于试验数据量非常大，本文仅选取三个状态点的数据进行说明。
图1各截面压力信号随时间变化历程图
图1为慢扫描上推转速过程中，所测压力信号随时间变化历程图。从图中可以看出，随转速升高，各测点所测信号脉动越来越大，曲线变粗，到达最高状态之后，随转速下拉曲线又变得越来越细，整条曲线平顺，无突变信号出现。
图23个截面压力时域波形对比图
图2为慢扫描转速上推状态点=0.8附近时，一个转子周期内不同截面各传感器压力信号时域波形。由图中可以看出，该处流场压力脉动具有一定的周期性，压力幅值总是从一个极小值到一个极大值，变化较明显，波形的周期T约为0.155ms，由于转子叶尖气流的非定常特性，以及实际测量系统的系统误差，使得图中的每个周期段的波形略微存在着一些差别。
该离心叶轮试验件为大、小叶片结构，叶片数均为10片，且等间距圆周排列。因此，一个转子周期内，1截面有10个脉冲信号，正好与叶片数量相吻合。2截面处于大小叶片交汇处，所以可以清晰的看出2截面所测压力信号有大、小交替的20个脉冲信号，但3截面处于叶轮出口其规律现对来说不明显，呈现出较明显的非定常流场压力脉动波形。
图33个截面压力信号频谱图
从图3频谱图中可以看出，此状态下3个截面气流脉动频率均相同，无杂乱频率出现。主要频率为6433Hz、12866Hz、19299Hz、25720Hz，其它频率分量较小，每个截面的最大频率点并不一样，这些频率正好对应为此状态下叶片通过频率及其倍频。1、2截面分别位于大、小叶片进口处（叶片数为10），在频谱图中，对应为叶片通过频率的6433Hz处压力幅值相对较大；3截面为叶轮出口（叶片数为20），因此，图中12866Hz处压力幅值相对较大。
3.2信号的相关性分析
相关性分析是描述两随机样本在不同瞬时幅值之间的依赖关系，也就是反映两随机信号波形随时间坐标移动时的相互关联紧密性的一种函数，互相关分析可以获知两信号间的相似程度。
假设数据是两个连续随机过程的测量值和。用两个时间历程记录和代表它们。和的互相关函数由下试确定：
图4为3个截面不同转速下的互相关系数，从图中可以看出3个截面的系数呈递减趋势。由于高频响动态压力传感器是安装在机匣壁面上，壁面压力信号的互相关系数减小，就意味着壁面压力脉冲波出现的破坏程度不一样。1截面信号的相关系数最大，其相关系数约为0.8左右，这表明1截面两个测点所测压力信号之间的波形相似度高，气流脉动幅值和频率比较接近，这与时域和频率分析结果较一致。2截面和3截面的相关系数较小，两个截面的信号之间相似度不高。
图4不同转速下的互相关系数
4结论
（1）从慢扫描历程图及各状态分析来看，时域波形上信号没有突变情况，频谱上也没有出现异常频谱，无失速，喘振现象。
（2）同一状态下，时域波形上气流脉动比较明显，波形呈现出一定规律性，对应截面之间波形相似；频谱上，3个截面的频谱图上无异常频率出现，主要频率成分清晰、一致，均以叶片通过频率及其倍频为主，不同截面出现最大压力的频率成分不相同。
（3）不同工况下，3个截面互相关系数相差较大，1截面系数最大约为0.8左右，信号之间的波形相似度高，2截面和3截面的相关系数较小，信号之间的波形相似度不高。
参考文献：
[1]李宏新，张连祥，王延荣等.风扇工作叶片振动可靠性评估[J]．航空发动机，2003，29(1)：17—20.
[2]林左鸣，李克安，杨胜群.航空发动机压气机转子叶片声激振试验研究[J].动力学与控制学报，2010，8（1）：12-18.
[3]方立成,李舜酩,杜建建等．压气机转子叶片所受激励的相关性［Ｊ］．航空动力学报，2011，26（6）:1289-1294.
[4]DayI.J.,BreuerT.,EscuretJ.,etal.Stallinceptionandtheprospectsforactivecontrolinfourhigh-speedcompressors[J].JournalofTurbomachinery,1999,121:18-27.