如何预报航空发动机气动失稳?看“小波”

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每当阅兵式表演时,备受关注的莫过于精彩纷呈的特技飞行表演,除了惊险刺激的特技动作外,拉着彩色烟尾的飞机编队也带给观众视觉上美的享受。飞行表演通过各种特技动作,不仅能充分展示飞机的性能,更能彰显国家军事实力,展示民族精神与文化。但飞行表演中惊险刺激的特技动作,可能会给飞机带来“危险”,为了保障特技表演过程中飞机的安全,需要发展一些“秘密武器”,航空发动机气动失稳预报技术就是其中之一。

国庆庆典合练的飞机编队(图片来源:中国新闻网)

飞行表演由各种基础动作组成,如横滚、筋斗、英麦曼筋斗,以及著名的眼镜蛇动作等等。在这些动作下飞机发动机都会遭受进气畸变,发动机稳定裕度衰减,此时监测航空发动机气动稳定性是保障飞机安全飞行的关键。而所谓进气畸变,即航空发动机进口流场参数与其设计的假设不一致,若按进口流场参数不同可分为总压畸变、总温畸变、静压畸变等。在航空发动机在实际运行过程中,飞机大攻角飞行或高机动飞行以及侧风进气都会造成进气道分离导致总压畸变;舰载弹射飞机起飞吸入蒸汽以及飞机发射导弹时吸入导弹排出的废气等则会引发总温畸变。进气畸变是航空发动机失稳的主要诱因,易造成压气机稳定性丧失,此时涡轮负荷和热应力增加,压气机叶片发生强迫振动,极有可能对发动机造成不可逆损害,影响飞机飞行安全,因此有必要发展及时可靠的压气机失稳预报技术,确保在进气畸变条件下航空发动机安全稳定运行。

飞机发动机遭遇进气畸变(图片来自网络)

航空发动机失稳导致的严重后果(图片来自网络)

在飞机飞行过程中我们可以通过测量发动机的压力、振动等信号监测其运行状态,对于压力或振动这一类离散时间信号,如何提取其中表征压气机失稳特征的扰动信号呢?目前文献中报道的航空发动机失稳预报方法较多,如相关分析、均方根分析、快速小波分析及非线性特征提取方法等,但大多数仅在均匀来流条件下适用。为了解决进气畸变条件下的失稳预报问题,中科院工程热物理所研究人员对国际上现有的几种失稳预报方法开展了深入研究,并借助“小波”这一广泛应用于地震波及脑电波分析的工具,创新性地提出了工程实用的“快速小波”失稳预报方法。

“小波”,顾名思义,即小的波形。相较于傅里叶分析利用的正弦波,“小波”的能量有限,且在时域非常集中。这种“小波”,它可以通过伸缩平移运算有效地分析瞬时信号,可以将信号(对于航空发动机而言,是压气机机匣壁面测量获得的动态静压信号)从时频特性上进行拆分,提取其中扰动成分,进而提取出航空发动机失稳特征信号。

“小波”

快速小波分解过程(引自参考文献1)

研究人员首先在多级轴流压气机实验台上开展了相关实验研究,系统地比较了快速小波分析与其他失稳预报方法在进气畸变条件下的可靠性。研究结果表明,在周向总压畸变条件下,快速小波分析能灵敏地感受进气畸变对稳定性的影响,且对测点位置要求低,相较于其他预报方法更具先进性和工程实用性。随后,研究人员在径向总压畸变条件下通过预测最先失稳级的稳定性实现了多级压气机的失稳预报。

周向总压畸变条件下失稳预报可靠性(引自参考文献2)

径向总压畸变条件下失稳预报可靠性(引自参考文献1)

基于实验室的验证结果,该快速小波失稳预报方法在航空发动机型号上进行了现场应用验证,在不同转速下的插板畸变逼喘试验结果显示,快速小波分析均能在20毫秒以内快速准确地对失稳信号进行预报,可有效避免压气机长时间喘振造成叶片振动超标和应力过载的现象发生。

航空发动机失稳预报仪器

某型航空发动机失稳预报试验验证

参考文献:

1. Yang Liu, Jichao Li, Juan Du, Hongwu Zhang, Chaoqun Nie. Stall warning strategy based on fast wavelet analysis in multistage axial compressor [J]. ASME Journal of Engineering for Gas Turbine and Power, 2022, 144: 044501.

2. Yang Liu, Jichao Li, Juan Du, Hongwu Zhang, Chaoqun Nie. Realiability analysis for stall warning methods in an axial flow compressor [J]. Aerospace Science and Technology, 2021, 115:106816.

3. 胡骏. 航空压气机气动稳定性分析方法 [M]. 北京: 国防工业出版社, 2015.

4. “如何欣赏阅兵式的飞行表演?”https://www.zhihu.com/question/348481104/answer/840750863

来源:中国科学院工程热物理研究所

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