一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)喘振檢測(cè)方法

申世才，雷 杰，郝曉樂(lè)

(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院發(fā)動(dòng)機(jī)所，西安，710089)

喘振是一種危害性極大的發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮系統(tǒng)氣動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象，輕則造成發(fā)動(dòng)機(jī)工況急劇惡化,重則導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損傷，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重飛行事故，引起人員和財(cái)產(chǎn)的巨大損失[1]。因此，尋求一種快速、準(zhǔn)確檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振故障的方法是發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)于保障航空器飛行安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和價(jià)值。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外的喘振檢測(cè)方法基本是以壓氣機(jī)出口流場(chǎng)壓力為對(duì)象，根據(jù)壓力信號(hào)時(shí)域或頻域特征進(jìn)行喘振算法研究。其中基于壓力信號(hào)時(shí)域特征的喘振檢測(cè)算法主要有：自相關(guān)函數(shù)法[2]、短時(shí)能量法[3]、變化率法[4-5]、壓差法[6]、方差分析法[7]、統(tǒng)計(jì)特征法[8]等，基于壓力信號(hào)頻域特征的喘振檢測(cè)算法主要有：頻譜分析法[9-11]、小波分析法[12-13]、頻域幅值法[14-15]等。上述時(shí)域和頻域特征喘振檢測(cè)算法多數(shù)是以壓氣機(jī)部件級(jí)試驗(yàn)為支撐，取得了很多較好的喘振檢測(cè)效果，但由于受到試驗(yàn)對(duì)象和條件限制，應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)喘振檢測(cè)的算法相對(duì)較少，有必要尋求一種簡(jiǎn)單、可靠、準(zhǔn)確的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)喘振檢測(cè)方法。

1 壓氣機(jī)出口脈動(dòng)壓力統(tǒng)計(jì)特征分析

發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)出口動(dòng)態(tài)壓力p31包含平均壓力成分p31.a和脈動(dòng)壓力成分Δp31，在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)下，壓力機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)穩(wěn)定，其出口脈動(dòng)壓力Δp31相對(duì)穩(wěn)定，而在發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)喘振時(shí)，壓氣機(jī)出口流場(chǎng)Δp31呈不穩(wěn)定狀態(tài)[4]。所以當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，如果Δp31服從某種概率分布規(guī)律，根據(jù)其概率分布函數(shù)，就可以通過(guò)Δp31的統(tǒng)計(jì)特征設(shè)置閾值來(lái)檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振故障的發(fā)生。

正態(tài)分布是統(tǒng)計(jì)學(xué)中最重要的一種分布規(guī)律，大量隨機(jī)現(xiàn)象可以用正態(tài)分布規(guī)律來(lái)描述或近似，同時(shí)正態(tài)分布具有很多優(yōu)良的性質(zhì)，所以不論是在理論研究還是工程實(shí)踐中，正態(tài)分布具有廣泛的應(yīng)用。這里首先假設(shè)Δp31測(cè)量數(shù)值服從正態(tài)分布，下面采用某發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)壓氣機(jī)出口脈動(dòng)壓力時(shí)間序列數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)概率分布規(guī)律。

某發(fā)動(dòng)機(jī)試飛期間，測(cè)量了不同飛行高度、速度條件下發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)的p31時(shí)間序列數(shù)據(jù)，獲取了相應(yīng)的Δp31時(shí)間序列數(shù)據(jù)。將這些不同飛行條件下發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)Δp31時(shí)間序列數(shù)據(jù)作為總體統(tǒng)計(jì)量，采用簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣原則從總體統(tǒng)計(jì)量中抽取發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)Δp31時(shí)間序列數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)樣本，進(jìn)行Δp31時(shí)間序列正態(tài)符合性檢驗(yàn)分析。

樣本數(shù)據(jù)x的正態(tài)性檢驗(yàn)方法有很多，主要分為統(tǒng)計(jì)圖法和統(tǒng)計(jì)指標(biāo)法。統(tǒng)計(jì)圖法包括直方圖、P-P圖、箱式圖、概率圖、分位數(shù)圖等，均能為樣本正態(tài)性提供一個(gè)粗略估計(jì)，本文采用分位數(shù)圖對(duì)樣本Δp31正態(tài)性進(jìn)行初步估計(jì)；統(tǒng)計(jì)指標(biāo)法可對(duì)樣本正態(tài)性進(jìn)行定量檢驗(yàn)，主要包括偏度峰度聯(lián)合檢驗(yàn)、S-W(Shapiro-Wilk)檢驗(yàn)、A-D(Anderson-Darling)檢驗(yàn)、K-S(Kolmogorov-Smirnov)檢驗(yàn)等，本文選擇K-S檢驗(yàn)作為樣本Δp31的正態(tài)性定量檢驗(yàn)方法。

圖1為高壓轉(zhuǎn)速為n2時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)過(guò)程Δp31時(shí)間序列隨機(jī)樣本分位數(shù)圖，可見(jiàn)該發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)輸入樣本散點(diǎn)不完全分布在直線附近，故而不能完全為正態(tài)分布提供粗略支持，進(jìn)一步采用K-S檢驗(yàn)。

圖1 穩(wěn)態(tài)過(guò)程時(shí)間序列樣本數(shù)據(jù)分位數(shù)圖

K-S檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為：

Dn=max{|Fn(xi)-F0(xi)|,|Fn(xi+1)-F0(xi)|}

(1)

式中：Fn(x)為樣本的概率分布函數(shù)；F0(x)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。如果檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Dn大于給定顯著水平α和樣本容量n確定的檢驗(yàn)臨界值Dn(α)，則拒絕零假設(shè)，否則接受零假設(shè)，認(rèn)為Δp31符合正態(tài)分布。

對(duì)圖1中發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)過(guò)程時(shí)間序列樣本Δp31進(jìn)行計(jì)算，得到Dn=0.008 3，取顯著性水平α為0.01時(shí)，查表得到臨界值Dn(α)=0.002 5，Dn>Dn(α)，故拒絕零假設(shè)，所以發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)過(guò)程Δp31不服從正態(tài)分布。

進(jìn)一步分析發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過(guò)程Δp31是否服從正態(tài)分布，圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過(guò)程Δp31隨機(jī)樣本分位數(shù)圖，顯然發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過(guò)程Δp31輸入樣本散點(diǎn)同樣不完全分布在直線附近，進(jìn)一步進(jìn)行K-S檢驗(yàn)：Dn等于0.014 7，取顯著性水平α為0.01時(shí)，查表Dn(α)為0.004，Dn>Dn(α)，拒絕零假設(shè)，故發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過(guò)程Δp31同樣也不服從正態(tài)分布。

圖2 瞬態(tài)過(guò)程時(shí)間序列樣本數(shù)據(jù)分位數(shù)圖

進(jìn)行全部Δp31時(shí)間序列樣本正態(tài)符合性檢驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)Δp31不服從正態(tài)分布，這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)是高溫、高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件，其Δp31信號(hào)包含了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子頻率、葉片頻率的基頻和倍頻成分及受發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過(guò)程影響，其測(cè)量數(shù)據(jù)隨時(shí)間統(tǒng)計(jì)序列不服從正態(tài)分布，所以對(duì)于Δp31這種未知分布規(guī)律，難以根據(jù)其統(tǒng)計(jì)特征設(shè)置喘振檢測(cè)閾值，想要Δp31按正態(tài)分布設(shè)置喘振檢測(cè)閾值，必須將Δp31時(shí)間序列樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)轉(zhuǎn)換。

2 壓氣機(jī)出口脈動(dòng)壓力正態(tài)轉(zhuǎn)換

2.1 Johnson正態(tài)轉(zhuǎn)換方法

常用的非正態(tài)數(shù)據(jù)正態(tài)轉(zhuǎn)換方法主要包括：倒數(shù)轉(zhuǎn)換、對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換、平方根轉(zhuǎn)換、平方根反正旋轉(zhuǎn)換、平方根后取倒數(shù)轉(zhuǎn)換、Johnson轉(zhuǎn)換等，其中前5種方法對(duì)樣本數(shù)據(jù)的要求較高，要求樣本x為正值，由于Δp31存在負(fù)值數(shù)據(jù)，故難以采用前5種轉(zhuǎn)換方法對(duì)Δp31數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)轉(zhuǎn)換。

Johnson轉(zhuǎn)換條件相對(duì)寬松，允許樣本x存在負(fù)數(shù)的情況，具有良好適應(yīng)性且Johnson轉(zhuǎn)換可將隨機(jī)樣本x直接轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布N(0,1)。本文采用Johnson轉(zhuǎn)換方法對(duì)Δp31時(shí)間序列樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)變換。樣本x進(jìn)行Johnson正態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，其基本轉(zhuǎn)換公式為：

z=γ+ηf(x,ε,λ)

(2)

式(2)中f(x,ε,λ)為特定Johnson分布曲線函數(shù)，具體為SB(有界)、SL(對(duì)數(shù)正態(tài))、SU(無(wú)界)3種類(lèi)型，η、γ、λ、ε等通過(guò)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)化類(lèi)型計(jì)算公式得到，3種類(lèi)型函數(shù)及參數(shù)約束條件見(jiàn)表1。

確定Johnson轉(zhuǎn)換函數(shù)的方法有很多，其中樣本百分位數(shù)法得到了廣泛應(yīng)用，本文采用百分位數(shù)法進(jìn)行正態(tài)轉(zhuǎn)換。

首先選擇一個(gè)合適的r,在標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表中查找(-sr，-r，r，sr)的分布概率P-sr、P-r、Pr、Psr，通過(guò)樣本獲取對(duì)應(yīng)分位數(shù)x-sr，x-r，xr，xsr后，計(jì)算m=xsr-xr、k=x-r-x-sr、l=xr-x-r，得到分位數(shù)比mn/l2。

當(dāng)mk/l2<1時(shí)為SB分布，mk/l2=1時(shí)為SL分布，mk/l2>1時(shí)為SU分布。由于分位數(shù)比與s和r取值有關(guān)，需要確定合適的s和r，研究表明s取值為3及r取值范圍為(0.25，0.26，…，1.25)時(shí)，可獲得較好的轉(zhuǎn)換效果[16-17]。

本文取r值為1.2(在0.25～1.25范圍內(nèi)，r取值1.2時(shí)正態(tài)轉(zhuǎn)換效率最高)，對(duì)于圖1和圖2中發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過(guò)程隨機(jī)樣本，計(jì)算得到mk/l2值分別為0.721和0.921 5，即mk/l2<1，Δp31的Johnson轉(zhuǎn)換函數(shù)為SB型，對(duì)應(yīng)的η、γ、λ、ε計(jì)算公式為:

(3)

(4)

(5)

(6)

2.2 Johnson正態(tài)轉(zhuǎn)換結(jié)果

采用K-S方法對(duì)正態(tài)轉(zhuǎn)換后的脈動(dòng)壓力時(shí)間序列樣本Δp31.norm正態(tài)性符合性進(jìn)行檢驗(yàn)。其中圖1所示發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)過(guò)程Δp31.norm檢測(cè)結(jié)果為：Dn=0.001 1，Dn(α)=0.002 5，DnDn(α)，拒絕了零假設(shè)，故Johnson正態(tài)轉(zhuǎn)換后的瞬態(tài)Δp31.norm不服從正態(tài)分布。

對(duì)其他隨機(jī)樣本采用Johnson轉(zhuǎn)換并檢測(cè)轉(zhuǎn)換后Δp31.norm的正態(tài)性，發(fā)現(xiàn)Johnson轉(zhuǎn)換方法對(duì)于穩(wěn)態(tài)過(guò)程具有較高的轉(zhuǎn)換效率，穩(wěn)態(tài)過(guò)程Δp31.norm正態(tài)轉(zhuǎn)化成功率P可達(dá)到90%以上，但是對(duì)于瞬態(tài)過(guò)程隨機(jī)樣本正態(tài)轉(zhuǎn)換效果較差，瞬態(tài)過(guò)程Δp31.norm正態(tài)轉(zhuǎn)化成功率P不足50%。

進(jìn)一步分析瞬態(tài)過(guò)程Δp31正態(tài)轉(zhuǎn)化率不足的原因：樣本Δp31是時(shí)間序列的統(tǒng)計(jì)量，其受發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)變化影響很大，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，Δp31幅值范圍基本穩(wěn)定在同一量級(jí)，而不同轉(zhuǎn)速時(shí)Δp31幅值范圍差異較大，且在瞬態(tài)變化過(guò)程中，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，Δp31幅值變化范圍也逐漸升高(具體如圖3所示)，這種Δp31幅值隨轉(zhuǎn)速變化的特性是導(dǎo)致瞬態(tài)過(guò)程Δp31隨機(jī)樣本Johnson正態(tài)轉(zhuǎn)化成功率P過(guò)低的主要原因。

為解決發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過(guò)程Δp31正態(tài)轉(zhuǎn)換成功率P過(guò)低問(wèn)題，必須降低瞬態(tài)過(guò)程轉(zhuǎn)速變化對(duì)于Δp31幅值變化范圍的影響，考慮到樣本Δp31是時(shí)間序列的高頻采集信號(hào)，其采樣頻率為5 kHz，減小Δp31樣本容量n就可以直接削弱轉(zhuǎn)速變化對(duì)于Δp31幅值變化范圍的影響，當(dāng)樣本容量n減小到一定程度時(shí)(如幾十毫秒量級(jí))，可假設(shè)認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過(guò)程時(shí)間序列Δp31相當(dāng)于一個(gè)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)變化過(guò)程。按照上述方法，逐步減小隨機(jī)樣本容量n，從總體樣本抽取幾十組發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過(guò)程隨機(jī)樣本進(jìn)行Johnson正態(tài)轉(zhuǎn)換，正態(tài)轉(zhuǎn)化成功率P統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2所示，可見(jiàn)減小樣本容量n可有效提高瞬態(tài)過(guò)程Δp31的正態(tài)轉(zhuǎn)化成功率，當(dāng)隨機(jī)樣本量n降低至500及以下，隨機(jī)樣本Δp31的Johnson正態(tài)轉(zhuǎn)換成功率達(dá)到90%以上，因此要實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)過(guò)程Δp31有效正態(tài)轉(zhuǎn)換，可將樣本容量n確定為100。

表2 瞬態(tài)過(guò)程正態(tài)轉(zhuǎn)化成功率統(tǒng)計(jì)表

3 喘振檢測(cè)閾值和方法

3.1 喘振檢測(cè)量

正態(tài)轉(zhuǎn)換后的Δp31.norm～N(0,1)，根據(jù)其概率分布函數(shù)可知，Δp31.norm時(shí)間序列落在±3.5范圍內(nèi)的概率為99.95%，即Δp31.norm有99.95%概率分布在-3.5≤Δp31.norm≤3.5范圍內(nèi)，那么根據(jù)表1中SB型Johnson轉(zhuǎn)換函數(shù)的反函數(shù)z-1，可以得到正態(tài)轉(zhuǎn)換前Δp31的99.95%概率分布范圍為：

(7)

由于瞬態(tài)過(guò)程Δp31樣本容量n不宜過(guò)大，當(dāng)n過(guò)大時(shí)將不能有效實(shí)現(xiàn)Δp31正態(tài)轉(zhuǎn)換，所以也就不能通過(guò)Johnson轉(zhuǎn)換函數(shù)的反函數(shù)z-1獲取Δp31的99.95%概率分布范圍。此外，不同發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)下Δp31幅值范圍存在較大差異，導(dǎo)致其99.95%概率分布范圍不同，進(jìn)而不能根據(jù)Δp31分布范圍使用固定喘振檢測(cè)閾值。為解決這一問(wèn)題，本文采用一種基于滑動(dòng)窗口的Johnson轉(zhuǎn)換方法，具體如下。

假設(shè)滑動(dòng)窗口長(zhǎng)度為d，將測(cè)取的發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)間序列Δp31第1點(diǎn)數(shù)據(jù)x1作為滑動(dòng)窗口起始點(diǎn)，向后截取d個(gè)Δp31數(shù)據(jù)。對(duì)窗口內(nèi)d個(gè)Δp31數(shù)據(jù)進(jìn)行Johnson正態(tài)轉(zhuǎn)化，得到SB型Johnson正態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)反函數(shù)的η、γ、λ、ε等參數(shù)，根據(jù)公式(7)計(jì)算窗口內(nèi)Δp31數(shù)據(jù)99.95%概率分布上界Δp31.max和下界Δp31.min。將Δp31.max、Δp31.min作為第xd點(diǎn)時(shí)間序列Δp31的99.95%概率分布上界Δp31.max(xd)和下界Δp31.min(xd)。按照Δp31時(shí)間序列順序滑動(dòng)計(jì)算窗口，重復(fù)上述計(jì)算方法，可以得到Δp31的99.95%概率分布的自適應(yīng)上界Δp31.max和下界Δp31.min，實(shí)際等效于Δp31上下“包絡(luò)線”。

樣本容量n為100時(shí)正態(tài)轉(zhuǎn)換成功率最高，取滑動(dòng)窗口d=100，對(duì)于圖3所示Δp31時(shí)間序列樣本數(shù)據(jù)，其99.95%概率的Δp31.max、Δp31.min分布情況見(jiàn)圖4所示，局部放大情況見(jiàn)圖5，可見(jiàn)采用滑動(dòng)窗口的Johnson正態(tài)轉(zhuǎn)換方法，能夠獲取時(shí)間序列Δp31的99.95%概率分布自適應(yīng)上界Δp31.max和下界Δp31.min。

上文所述Δp31等效“包絡(luò)線”反映了其幅值變化范圍，可以根據(jù)Δp31上下“包絡(luò)線”間距D檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振，為消除D受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的影響，定義一種無(wú)量綱的發(fā)動(dòng)機(jī)喘振檢測(cè)量T31為：

(8)

圖4 脈動(dòng)壓力概率邊界時(shí)間序列

圖5 脈動(dòng)壓力概率邊界時(shí)間序列局部放大圖

式(8)等效于對(duì)Δp31.max和Δp31.min間距D進(jìn)行歸一化處理，可以消除發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速時(shí)D幅值范圍的差異，便于設(shè)置固定的喘振檢測(cè)閾值。如對(duì)于圖4中所示的Δp31時(shí)間序列，其對(duì)應(yīng)的喘振檢測(cè)量T31計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)量綱喘振檢測(cè)量時(shí)間序列

3.2 喘振檢測(cè)閾值及方法

設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)喘振檢測(cè)閾值時(shí)，將上文不同飛行條件下發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)測(cè)取的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)時(shí)間序列Δp31作為總體統(tǒng)計(jì)量，采用滑動(dòng)窗口的Johnson轉(zhuǎn)換方法計(jì)算對(duì)應(yīng)的喘振檢測(cè)量T31，將獲取的T31作為設(shè)置喘振檢測(cè)閾值A(chǔ)的總體樣本。

采用K-S方法檢驗(yàn)總體樣本T31正態(tài)性，表明其并不服從正態(tài)分布。對(duì)總體樣本T31進(jìn)行Johnson轉(zhuǎn)換，即T31.norm～N(0,1)。對(duì)于轉(zhuǎn)換后的T31.norm，其同樣有99.95%概率分布在±3.5范圍內(nèi)，由公式(7)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)T31變化范圍為：

0.018 5≤T31≤0.079 8

(9)

因?yàn)楫?dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)喘振時(shí)，Δp31脈動(dòng)幅值會(huì)迅速增大，其概率意義“包絡(luò)線”間距D必然會(huì)出現(xiàn)劇增，那么T31將不可避免超出0.079 8的范圍，可以設(shè)置固定喘振檢測(cè)閾值A(chǔ)=0.079 8。但是發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，T31還存在0.025%概率小幅超過(guò)0.079 8，所以綜合考慮喘振檢測(cè)靈敏度和誤報(bào)率，引入一個(gè)優(yōu)化參數(shù)t(1≤t≤2)，設(shè)置保守的固定喘振檢測(cè)閾值為：A=0.079 8t，t根據(jù)實(shí)際喘振檢測(cè)效果設(shè)定，以最低喘振誤報(bào)率作為t取值依據(jù)。

綜上所述，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)固定喘振檢測(cè)閾值A(chǔ)，本文設(shè)計(jì)的喘振檢測(cè)方法為：當(dāng)喘振檢測(cè)量T31大于A時(shí)，認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)喘振；當(dāng)T31小于等于A時(shí)，認(rèn)為發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定。

4 喘振檢測(cè)方法試驗(yàn)驗(yàn)證

某發(fā)動(dòng)機(jī)試飛期間先后發(fā)生3起喘振故障，其中地面發(fā)生喘振1次，空中發(fā)生喘振2次(記為空中喘振1、空中喘振2)，地面發(fā)動(dòng)機(jī)喘振發(fā)生在穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，空中2起喘振分別發(fā)生在加速、減速過(guò)程中，使用該型發(fā)動(dòng)機(jī)喘振試飛數(shù)據(jù)對(duì)喘振檢測(cè)方法的實(shí)際效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖7～9為該發(fā)動(dòng)機(jī)3次喘振檢測(cè)驗(yàn)證結(jié)果，3次喘振檢測(cè)均發(fā)出了喘振信號(hào)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，不管是穩(wěn)態(tài)過(guò)程還是瞬態(tài)過(guò)程，喘振檢測(cè)量T31變化幅值均相對(duì)穩(wěn)定，不受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化影響，T31沒(méi)有超過(guò)檢測(cè)閾值A(chǔ)的范圍，而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)喘振時(shí)，喘振檢測(cè)量T31值會(huì)出現(xiàn)劇增并超過(guò)檢測(cè)閾值A(chǔ)。圖7所示發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，喘振時(shí)，從脈動(dòng)壓力Δp31出現(xiàn)波動(dòng)到發(fā)出喘振信號(hào)用時(shí)約為12 ms，喘振期間T31最大值增長(zhǎng)至1.748；喘振消失時(shí)，從脈動(dòng)壓力Δp31停止波動(dòng)到喘振信號(hào)消失用時(shí)約為14 ms。圖8、圖9所示發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)過(guò)程，喘振時(shí)從脈動(dòng)壓力Δp31出現(xiàn)大幅波動(dòng)到發(fā)出喘振信號(hào)用時(shí)分別約為16 ms、15 ms，喘振期間T31最高增長(zhǎng)到1.653和1.689；喘振消失時(shí)從脈動(dòng)壓力Δp31停止波動(dòng)到喘振信號(hào)消失用時(shí)分別約為17 ms、14 ms。

綜上所述，本文發(fā)動(dòng)機(jī)喘振檢測(cè)方法成功檢測(cè)出3次喘振故障，其識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)喘振及退出喘振所需時(shí)間均小于20 ms，未出現(xiàn)虛警、漏報(bào)等異常情況，驗(yàn)證了檢測(cè)方法的有效性和準(zhǔn)確性，表明方法具有識(shí)別率高、報(bào)警遲滯小等優(yōu)點(diǎn)。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)地面喘振檢測(cè)結(jié)果

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)空中喘振1檢測(cè)結(jié)果

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)空中喘振2檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

1)在地面及空中發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，壓氣機(jī)出口脈動(dòng)壓力不服從正態(tài)分布。對(duì)于穩(wěn)態(tài)過(guò)程脈動(dòng)壓力，采用Johnson方法的正態(tài)轉(zhuǎn)換成功率較高，可達(dá)90%以上，但是對(duì)于瞬態(tài)過(guò)程正態(tài)轉(zhuǎn)換效果較差，當(dāng)樣本容量n降低至500以下時(shí)，瞬態(tài)過(guò)程脈動(dòng)壓力正態(tài)轉(zhuǎn)化成功率可達(dá)到90%以上。

2)采用滑動(dòng)窗口的Johnson轉(zhuǎn)換方法，可以獲取壓氣機(jī)出口脈動(dòng)壓力99.95%概率分布的自適應(yīng)上邊界和下邊界。在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，該上、下邊界距離的幅值范圍差異較大，且隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大而增大。

3)在地面及空中發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，提出的喘振檢測(cè)量消除了發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)變化帶來(lái)的影響，在穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)過(guò)程中變化范圍差異很小，即喘振檢測(cè)量不受發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)變化的影響。

4)根據(jù)喘振檢測(cè)量能夠設(shè)置適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)任意狀態(tài)的固定喘振檢測(cè)閾值，通過(guò)3次喘振試飛數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，其識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)喘振及退出喘振所需時(shí)間均小于20 ms，表明喘振檢測(cè)方法具有識(shí)別率高、報(bào)警遲滯小等優(yōu)點(diǎn)。