王洪祥
【摘要】目前航空界研究领域中，压气机稳定性分析是一大热点。研究的难点就是压气机的失稳形式，即失速与喘振研究。对轴流压气机脉动压力信号的分析可以更好地动态认识压气机失稳过程，进一步对轴流压气机机理性进行研究。对压气机失稳进行初始扰动识别，从而进行主动控制。
【关键词】失速;喘振;轴流压气机;失稳初始扰动;脉动压力信号
近一个多世纪，发动机设计水平随着世界的航空技术的发展有了很大的提高。压气机的设计需要注重其性能研究，其中的稳定性是关键因素。如果在失速初始扰动出现就采取科学的措施，就能够有效地抑制旋转的失速与喘振。
1.轴流式压气机与效率
空气在轴流式压气机中主要沿轴向流动。它由转子和静子，即工作轮与整流器两部分组成。一排转子叶片与静子叶片组成一级，单级增压小，一般采用多级结构，以便获得较高增压比，在压气机中，空气随着被逐级增压，密度与温度也随之升高。轴流式压气机的空气流量可以做得很大，最高将达200公斤/秒。压缩功与实际消耗的机械功之比称为压气机效率，轴流式压气机的面积小，增压比和效率都高，单级效率约为85%～88%。多级轴流式压气机的效率一般为84%～89%相对较高。当压气机的转速恒定下，压气机的增压会随着空气流量的减少而升高。在达到峰值后，增压比降低，就导致压气机由于工作点接近了不稳定边界而产生脉动，出现强烈的振动与噪声。被动的做法为：让工作点远离开不稳定的边界，但是这种方法将使压气机的工作效率骤降。
2.旋转失速与喘振等失稳先兆分析
脉动压力是一种随时间变化的压力，它直接关系到飞行器的安全。旋转失速与喘振会导致压气机叶片负荷失稳，失速频率低，机器温度升高，影响出口气流压力与压气机效率，从而造成机械出现故障。对压气机的在线预测与主动控制可以更好地保护压气机的工作效率，这就需要对失稳先兆，尤其是失速初始扰动有深入地研究，关注失速团的形成和演变。傅里叶变换可以利用数字计算机快速的算出。
轴流压气机在流场匹配良好时，各级气流不分离，压力传感器检测到的压力信号小，呈现直流分量的信号频谱，没有旋转失速频率fHZ的频率。但是在叶片进口气流攻角>临界攻角，气流在叶背发生分离严重扩展至叶栅通道，飞机工作稳定性容易出现问题。信号由很多不同频率的波叠加在一起，信号越简单叠加的波的频率就越少。使用信号，关键在于对这些信号的处理。在时域中看到的信号波形非常复杂，这时从频域入手分析，复杂的信号由不同的频率的正弦波组成，在频域很有规律，就更好处理，把信号从时域转到频域，将无规律的信号变成有规律。转到频域设置窗口函数，分离出有用函数与待处理的频域函数相乘，分离出需要的频率。
对于轴流压气机旋转失速信号检测一般依据频谱分析FFT算法，变换公式为：
其逆变换为：
k=0，1，2，…，N-1其中，Xn为时域信号，x[t]的离散时间按序列，x[k]为Xn的离散傅里叶变换的k阶段的频率系数，直流分量就是k=0说对应的信号。N的取值为2的整数次幂。
3.实验数据与分析
3.1 流量与喘振
壓气机转速一定，系统某些部件堵塞可确定其最大流量。流量的减小打破了稳定流动状态条件，发生喘振。如图所示（压气机在某一工作状态下的进喘示意图）：
在整个的喘振过程中，压气机的整个系统都经过压力脉动。由于压气机的流量和压力的脉动，都会在压气机及其联接管道中，产生相应的机械振动和可听见的很大的声音。
3.2 喘振过程脉动A值统计
将压气机的整个喘振过程分为三大阶段：即，发动机喘前稳定过程、发动机的进喘过程和发动机退喘后的稳定过程。对发动机整个进喘过程的脉动A值统计如表1所示。
3.3 试验数据分析与结论
通过上面数据分析得出：发动机进喘前各测点的脉动A值，基本都是低于6%的，而发动机的进喘瞬间，各点脉动A值开始明显出现增大，甚至出现高达数十倍的A值。这说明，压气机运行在进入喘振状态时，脉动A值会发生较大的变化，同时，脉动声音会出现较大的变化。从而得出：通过脉动A值的变化，能够很顺利地提前预判发动机是否进喘，并对发动机首发进喘级分析。
提前识别失稳初始扰动对控制压气机避免进入失稳状态，提高压气机工作效率和稳定性都具有非常重要的意义。
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