CN104634445B - 一种双转子航空发动机时变振动贡献量检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双转子航空发动机时变振动贡献量检测方法及系统，用于检测双转子航空发动机高低压转子各自振动对航空发动机总振动的振动贡献量，所述方法将时域振动信号变换成时频表示，并计算振动信号的时频总能量和所述振动信号中与高低压转子相关的振动信号成分的时频能量，进而计算出所述振动信号中与高低压转子相关的振动信号成分的时变振动贡献量。所述系统基于所述方法实现，方便对所述时变振动贡献量的计算，为在线定量分析提供支持。本发明可以快速判断双转子航空发动机高低压转子振动相对状态，从而指导航空发动机振动超标排故。

Description

一种双转子航空发动机时变振动贡献量检测方法及系统

技术领域

本发明涉及航空发动机振动信号分析领域，具体涉及一种双转子航空发动机时变振动贡献量检测方法及系统。

背景技术

航空发动机是飞机的动力来源(包括为飞机提供推力、电力、液压、气源等能源)，其稳定可靠地工作是飞机完成预定任务、保证飞行安全的基本保障。航空发动机的振动问题，是影响航空发动机可靠运行的突出问题，振动监控与振动分析是解决该问题的有效手段。

双转子航空发动机振动激励源复杂，当发生振动超标或者振动问题时，理清主要激励源是双转子航空发动机的什么部件或组件，并定量计算其时变振动贡献量，是进行振动消减与故障诊断的有效手段。同时，航空发动机的振动状态随运行时间发生变化。因此，定量分析时变振动贡献量对于双转子航空发动机振动消减与故障诊断起关键性作用。

发明内容

针对上述部分问题，本发明提供一种双转子航空发动机时变振动贡献量检测方法，用于检测双转子航空发动机时变振动贡献量。

一种双转子航空发动机时变振动贡献量检测方法，所述方法包括以下步骤：

S100：将时域振动信号变换成振动信号的时频表示；

S200：根据振动信号的时频表示，计算振动信号的时频总能量，计算表达式如下：

式中，|S_x(t，f)|为时频表示的模，为复数的实部，为复数的虚部；

S300：根据振动信号的时频表示以及高低压转子各自的转速，计算振动信号中与高低压转子相关的振动信号成分的时频能量；所述振动信号成分包括高低压转子各自的转频成分、二倍频成分、分数倍频成分，高低压转子各阶和频成分、各阶差频成分；计算表达式如下：

式中，c表示某个待计算的振动信号成分，f_c(t)为双转子航空发动机振动信号中该振动信号成分对应的瞬时频率信息，f_ω为时频能量计算频带的半带宽，所述f_ω值的选取以能够包含计算c的能量的最小范围为准；

S400：根据振动信号的总能量以及各振动信号成分的时频能量，计算振动信号中与高低压转子相关的振动信号成分的时变振动贡献量；计算表达式如下：

式中，c表示某个待计算的振动信号成分。

一种双转子航空发动机时变振动贡献量检测系统，所述系统包括时频变换与能量计算装置和时变振动贡献量计算装置；

所述时频变换与能量计算装置用于计算振动信号的总能量以及各振动信号成分的时频能量；所述振动信号成分包括高低压转子各自的转频成分、二倍频成分、分数倍频成分，高低压转子各阶和频成分、各阶差频成分；

所述时变振动贡献量计算装置用于计算振动信号中与高低压转子相关的振动信号成分的时变振动贡献量。

本发明通过时频分析手段计算振动信号中与双转子部件相关的某些信号成分的时变振动贡献量，可以快速判断双转子航空发动机高低压转子振动相对状态，从而为航空发动机振动超标排故、振动消减与故障诊断提供定量依据，从而为航空发动机可靠运行、为保障飞行安全提供技术保障。

附图说明

图1(a)～图1(d)为本发明实施例中某型双转子航空发动机的某次运行时采集的振动信号、转速信号以及对应的高低压转子转频和发动机振动峰峰值；

图2(a)～图2(c)为本发明实施例中某型双转子航空发动机的振动信号、频谱及其短时傅里叶变换时频表示结果；

图3为本发明实施例中某型双转子航空发动机的振动信号的时频总能量；

图4为本发明实施例中某型双转子航空发动机的振动信号的时频表示结果和高低压转频信号及其时频能量计算频带对照示意图；

图5为本发明实施例中某型双转子航空发动机的振动信号中高低压转频一倍频成分的时频能量示意图；

图6为本发明实施例中某型双转子航空发动机的振动信号中高低压转频一倍频成分的时变振动贡献量示意图；

图7(a)～图7(b)为本发明实施例中某型双转子航空发动机的振动信号中多个信号成分的时频能量示意图；

图8为本发明实施例中某型双转子航空发动机的振动信号中多个信号成分的时变振动贡献量示意图。

具体实施方式

如图1～8所示，本发明实施例提供了一种双转子航空发动机时变振动贡献量检测方法，用于检测双转子航空发动机时变振动贡献量。

在一个基础的实施例中，提供了一种双转子航空发动机时变振动贡献量检测方法，包括以下步骤：

一种双转子航空发动机时变振动贡献量检测方法，所述方法包括以下步骤：

S100：将时域振动信号变换成振动信号的时频表示；

S200：根据振动信号的时频表示，计算振动信号的时频总能量，计算表达式如下：

式(1)中，|S_x(t，f)|为时频表示的模，为复数的实部，为复数的虚部；

S300：根据振动信号的时频表示以及高低压转子各自的转速，计算振动信号中与高低压转子相关的振动信号成分的时频能量；所述振动信号成分包括高低压转子各自的转频成分、二倍频成分、分数倍频成分，高低压转子各阶和频成分、各阶差频成分；计算表达式如下：

式(2)中，c表示某个待计算的振动信号成分，f_c(t)为双转子航空发动机振动信号中该振动信号成分对应的瞬时频率信息，f_ω为时频能量计算频带的半带宽，所述f_ω值的选取以能够包含计算c的能量的最小范围为准。

例如，高压转子转频成分及其倍频成分的时频能量为：

式(3)中，f_H(t)为双转子航空发动机高压转子的转频函数，由于发动机变工况运行特点导致高低压转子的转速信号为随时间变化的函数，转频函数为转速函数除以60得到的结果；k为倍频阶数。当k＝1时为转频本身，当k＝1/3时为1/3分数倍频，当k＝2时为2倍频，以此类推。

类似的，低压转子转频成分及其倍频成分的时频能量为：

式(4)中，f_L(t)为双转子航空发动机低压转子的转频函数；高低压转子各阶和频成分或者差频成分的时频能量为：

式(5)中，±mf_H(t)±nf_L(t)为双转子航空发动机高低压转子的转速信号的和频成分或者差频成分对应的频率函数，m与n分别为和频成分或者差频成分对应的高低压转子转频的倍频阶数。例如，当m＝1、n＝1时，E_H+L(^w)为转频一阶和频成分时频能量，E_H-L(t)为转频一阶差频成分时频能量，以此类推。

S400：根据振动信号的总能量以及各振动信号成分的时频能量，计算振动信号中与高低压转子相关的振动信号成分的时变振动贡献量；计算表达式如下：

式(6)中，c表示某个待计算的振动信号成分。

在这个实施例中，针对双转子发动机振动特征复杂的问题，通过计算两个转子，即高压转子和低压转子各自的振动对机匣上面监测到的振动总量的贡献，定量判断哪个转子的振动对发动机的振动起主要作用，从而为发动机减振和排故提供指导意见。

优选的，在步骤S100中应用短时傅里叶变换将时域振动信号变换成振动信号的时频表示，所述短时傅里叶变换的表达式如下：

其中，g_σ(t)为短时傅里叶变换的参数化窗函数，σ为尺度参数。所述窗函数为本领域常用的窗函数均可，比如高斯窗函数，汉宁窗、海明窗、余弦窗等，设g(t)为窗函数的表达式，则经过下式变换即可转换成参数化窗函数：

优选的，使用高斯窗函数，转换成参数化窗函数的具体表达式为：

式(7)中，S_x(t，f)为振动信号x(t)的短时傅里叶变换时频表示结果，其中t为时间变量，f为频率变量。

可选的，应用改进短时傅里叶变换来代替短时傅里叶变换，即

优选的，步骤S300中的半带宽f_ω与尺度参数呈反比；更优的，为半带宽的取值时使用下式：

f_ω＝0.5/σ (11)

在另一实施例中，在步骤S100之前，安装振动传感器和转速传感器来获取振动信号和高低压转子的转速。对于航空发动机，振动传感器都安装在发动机的承力机匣上。一般情况下，能够安装在最能监测到转轴自身的振动的位置最佳。但是有时候安装条件或许不具备，这个时候，传感器的安装应该尽量能够监测到转轴的振动。

更优的，尺度参数σ的取值范围为0.04～0.2。在一个实施例中，σ的取值为0.1。在其它实施例中，σ的取值有可能为0.04，也有可能为0.2。

下面结合附图详细阐述本方法的应用。

在一个具体的实施例中涉及到一种双转子航空发动机时变振动贡献量的检测，实验对象为某型双转子航空发动机。该双转子航空发动机的主体结构由低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、机匣等组成，其中低压压气机、低压涡轮以及低压转轴一起构成低压转子，高压压气机、高压涡轮以及高压转轴一起构成高压转子。

图1(a)～图1(d)为该型发动机次运行时采集的振动信号、转速信号以及对应的高低压转子转频和发动机振动峰值。本次测试，振动传感器布置于位于涡轮上方的机匣上，用于监测涡轮转子的振动状态；转速信号由测速发动机测得。本次测试的采样频率设置为3000Hz，采用连续存储的形式持续关注发动机振动状态，总测试时间为1130秒，共记录3.39×10⁶个位移信号数据点。如图1(b)所示，测试时，发动机从慢车状态①经过过程②的增速后，所述慢车状态①时高压转子转速约为6400r/min，稳定运行于状态③约4分钟，所述状态③时高压转子转速约为11400r/min；之后，发动机因振动超标而经过程④减速至慢车状态⑤。然后再次升速至低压转子临界转速处，如图1(b)箭头所示，振动超标经过程⑥降速至慢车状态⑦。当再次由慢车经过程⑧升速时，发动机增速至状态⑨，所述状态⑨时高压转子转速约为11400r/min的转速运行约5分钟之后，发动机因振动超标而经过程⑩降速至慢车状态其后再次两次尝试经过程提速因振动超标而未果而降速值慢车状态根据高低压转子转速可得如图1(c)所示的高低压转子转频函数，图1(d)为振动信号峰峰值，在图中用向下箭头标注了振动超标的四个位置。

图2(a)～图2(c)为利用短时傅里叶变换计算图1(a)所示的振动信号的时频表示结果，该图采用时域信号如图2(a)所示、信号频谱如图2(b)所示、时频表示图2(c)所示，以组合的形式联合展示信号成分特点。图2(c)中所示的时频表示结果能够观察出图1(c)所示的转频随时间变化规律。在本实施例中尺度参数为σ＝0.1。

根据振动信号的短时傅里叶变换时频表示结果，利用式(1)可计算振动信号的时频总能量，如图3所示。同时，根据高低压转子各自的转速，可以计算与高低压转子相关的振动成分的时频能量。图4同时给出了时频结果和高低压转子转频，其中粗实线为高压转子转频，其上下的粗点划线为时频能量计算频带的上下限，对应的时频能量计算频带的半带宽为5Hz；图中细虚线为低压转子转频，其上下的细点线为时频能量计算频带的上下限，对应的时频能量计算频带的半带宽f_ω也是5Hz。根据时频能量计算公式(2)，可以计算出高低压转子对应转频成分的时频能量。如图5所示，其中粗点划线为高压转子转频成分的时频能量，用“H”示意，细点线为低压转子转频成分的时频能量，用“L”示意。进一步地，根据时变振动贡献量计算公式(6)可计算某个信号成分的时频能量与振动信号总的时频能量的比值，可以得到该信号成分的时变振动贡献量。图6为高低压转子对应转频成分的时变振动贡献量，其中粗点划线为高压转子转频成分的时频能量，用“H”示意，细点线为低压转子转频成分的时频能量，用“L”示意。从时变振动贡献量可以看出：当发动机从过程②的慢车升速时，由于低压转子经过其一阶临界转速，此时低压转子的时变振动贡献量大于高压转子的时变振动贡献量；当发动机运行至状态③时，此时高压转子转速约为11400r/min，高压转子振动随运行时间增长而增大，相应地，高压转子的时变振动贡献量也随之增大，而低压转子在该转速状态下，时变振动贡献量一直较小。

类似的，除了一倍高低压转频成分以外，还可以计算发动机振动信号中多个信号成分的时频能量和时变振动贡献量，例如图7(a)～图7(b)中给出的2倍高压转频成分、2倍低压转频成分、1倍高压转频加1倍低压转频对应的频率成分、1倍高压转频加2倍低压转频对应的频率成分、2倍高压转频减1倍低压转频对应的频率成分等对应的频率成分对应的时频能量，图8中给出了图7中各频率成分对应的时变振动贡献量，图7(b)中各频率成分的时频能量和图8中各频率成分的时变振动贡献量对应的各频率成分分别用“2H”、“2L”、、“H+L”、“H+2L”、“2H-L”表示。从时变振动贡献量可以看出：发动机运行在不同转速状态下，高低压转子的振动对发动机总振动的贡献量有所不同。在发动机升速阶段，低压转子的时变振动贡献量要大于高压转子的时变振动贡献量，尤其体现在低压1倍频要大于高压1倍频。在发动机处于高转速运行时，高压转子的时变振动贡献量要大于低压转子的时变振动贡献量，并且高压1倍频的时变振动贡献量随着运行时间的增加而增大。

在一个实施例中，提供了一种基于双转子航空发动机时变振动贡献量检测方法的系统，即一种双转子航空发动机时变振动贡献量检测系统，所述系统包括时频变换与能量计算装置和时变振动贡献量计算装置；

所述时频变换与能量计算装置用于计算振动信号的总能量以及各振动信号成分的时频能量；所述振动信号成分包括高低压转子各自的转频成分、二倍频成分、分数倍频成分，高低压转子各阶和频成分、各阶差频成分；

所述时变振动贡献量计算装置用于计算振动信号中与高低压转子相关的振动信号成分的时变振动贡献量。

通过所述系统提供的装置可以方便的完成相应的计算，使用方便，为在线定量分析时变振动贡献量来对双转子航空发动机振动消减与故障诊断提供支持。所述装置可以是软件也可以是封装了相应计算程序的硬件。

优选的，所述时频变换与能量计算装置的工作过程包括：

P100：将时域振动信号变换成振动信号的时频表示；

P200：根据振动信号的时频表示，计算振动信号的时频总能量，计算表达式如下：

式(12)中，|S_x(t，f)|为时频表示的模，为复数的实部，为复数的虚部；

P300：根据振动信号的时频表示以及高低压转子各自的转速，计算振动信号中与高低压转子相关的振动信号成分的时频能量；所述振动信号成分包括高低压转子各自的转频成分、二倍频成分、分数倍频成分，高低压转子各阶和频成分、各阶差频成分；计算表达式如下：

式(13)中，c表示某个待计算的振动信号成分，f_c(t)为双转子航空发动机振动信号中该振动信号成分对应的瞬时频率信息，f_ω为时频能量计算频带的半带宽，所述f_ω值的选取以能够包含计算c的能量的最小范围为准；

例如，高压转子转频成分及其倍频成分的时频能量为：

式(14)中，f_H(t)为双转子航空发动机高压转子的转频函数，由于发动机变工况运行特点导致高低压转子的转速信号为随时间变化的函数，转频函数为转速函数除以60得到的结果；k为倍频阶数。当k＝1时为转频本身，当k＝1/3时为1/3分数倍频，当k＝2时为2倍频，以此类推。

类似的，低压转子转频成分及其倍频成分的时频能量为：

式(15)中，f_L(t)为双转子航空发动机低压转子的转频函数；高低压转子各阶和频成分或者差频成分的时频能量为：

式(16)中，±mf_H(t)±nf_L(t)为双转子航空发动机高低压转子的转速信号的和频成分或者差频成分对应的频率函数，m与n分别为和频成分或者差频成分对应的高低压转子转频的倍频阶数。例如，当m＝1、n＝1时，E_H+L(t)为转频一阶和频成分时频能量，E_H-L(t)为转频一阶差频成分时频能量，以此类推。

P400：将所述振动信号的时频总能量和振动信号中与高低压转子相关的振动信号成分的时频能量传给所述时变振动贡献量计算装置。

优选的，所述时变振动贡献量计算装置接收所述时频变换与能量计算装置传来的振动信号的总能量以及各振动信号成分的时频能量，计算振动信号中与高低压转子相关的振动信号成分的时变振动贡献量；计算表达式如下：

式(17)中，c表示某个待计算的振动信号成分。

通过使用所述时频变换与能量计算装置和时变振动贡献量计算装置来执行相应的上述过程，可以在应用中只关注输入而不需要关注复杂的计算过程，方便人员使用本公开的计算方法。

优选的，在过程P100中应用短时傅里叶变换将时域振动信号变换成振动信号的时频表示，所述短时傅里叶变换的表达式如下：

其中，g_σ(t)为短时傅里叶变换的参数化窗函数，σ为尺度参数。所述窗函数为本领域常用的窗函数均可，比如高斯窗函数，汉宁窗、海明窗、余弦窗等，所述窗函数通过下式变换为参数化窗函数，即可应用于本公开的系统：

.优选的，使用高斯窗函数，转换成参数化窗函数的具体表达式为：

式(18)中，S_x(t，f)为振动信号x(t)的短时傅里叶变换时频表示结果，其中t为时间变量，f为频率变量。

可选的，应用改进短时傅里叶变换来代替短时傅里叶变换，即

优选的，过程P300中的半带宽f_ω与尺度参数呈反比；更优的，为半带宽的取值时使用下式：

f_ω＝0.5/σ (22)

可选的，所述系统还包括信号获取装置，所述装置通过为双转子航空发动机安装振动传感器和转速传感器来获取振动信号和高低压转子的转速。

更优的，尺度参数σ的取值范围为0.04～0.2。在一个实施例中，σ的取值为0.1。在其它实施例中，σ的取值有可能为0.04，也有可能为0.2。

本说明书中每个实施例采用采用递进的方式描述，重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上对本发明实施例所提供的一种双转子航空发动机时变振动贡献量检测方法和系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种双转子航空发动机时变振动贡献量检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S000：安装振动传感器和转速传感器来获取振动信号和高低压转子的转速；

S100：将时域振动信号变换成振动信号的时频表示；

S200：根据振动信号的时频表示，计算振动信号的时频总能量，计算表达式如下：

式中，|S_x(t，f)|为时频表示的模，为复数的实部，为复数的虚部；

S300：根据振动信号的时频表示以及高低压转子各自的转速，计算振动信号中与高低压转子相关的振动信号成分的时频能量；所述振动信号成分包括高低压转子各自的转频成分、二倍频成分、分数倍频成分，高低压转子各阶和频成分、各阶差频成分；计算表达式如下：

$E_c\left(t\right)=\underset{f\∈\[f_c\left(t\right)-f_{\mathrm{\ω}},f_c\left(t\right)+f_{\mathrm{\ω}}\]}{\∫}|S_x(t,f){|}^{2}df$

式中，c表示某个待计算的振动信号成分，f_c(t)为双转子航空发动机振动信号中该振动信号成分对应的瞬时频率信息，f_ω为时频能量计算频带的半带宽，所述f_ω值的选取以能够包含计算c的能量的最小范围为准；

S400：根据振动信号的时频总能量以及各振动信号成分的时频能量，计算振动信号中与高低压转子相关的振动信号成分的时变振动贡献量；计算表达式如下：

$E_c^p\left(t\right)=\frac{E_c\left(t\right)}{E\left(t\right)}$

式中，c表示某个待计算的振动信号成分。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S100具体实现为应用短时傅里叶变换将时域振动信号变换成振动信号的时频表示，所述短时傅里叶变换的表达式如下：

$S_x(t,f)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}x\left(\mathrm{\τ}\right)g_{\mathrm{\σ}}(\mathrm{\τ}-t)e^{-i2\mathrm{\π}f\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}$

式中，S_x(t，f)为振动信号x(t)的短时傅里叶变换时频表示结果，其中t为时间变量，f为频率变量，g_σ(t)为短时傅里叶变换的参数化窗函数，其中σ为尺度参数。

3.一种双转子航空发动机时变振动贡献量检测系统，其特征在于，所述系统包括信号获取装置、时频变换与能量计算装置和时变振动贡献量计算装置；

所述信号获取装置通过为双转子航空发动机安装振动传感器和转速传感器来获取振动信号和高低压转子的转速；

所述时频变换与能量计算装置用于计算振动信号的总能量以及各振动信号成分的时频能量；所述振动信号成分包括高低压转子各自的转频成分、二倍频成分、分数倍频成分，高低压转子各阶和频成分、各阶差频成分；

所述时变振动贡献量计算装置用于计算振动信号中与高低压转子相关的振动信号成分的时变振动贡献量；

其中：

所述时频变换与能量计算装置的工作过程包括：

P100：将时域振动信号变换成振动信号的时频表示；

P200：根据振动信号的时频表示，计算振动信号的时频总能量，计算表达式如下：

式中，|S_x(t，f)|为时频表示的模，为复数的实部，为复数的虚部；

P300：根据振动信号的时频表示以及高低压转子各自的转速，计算振动信号中与高低压转子相关的振动信号成分的时频能量；所述振动信号成分包括高低压转子各自的转频成分、二倍频成分、分数倍频成分，高低压转子各阶和频成分、各阶差频成分；计算表达式如下：

$E_c\left(t\right)=\underset{f\∈\[f_c\left(t\right)-f_{\mathrm{\ω}},f_c\left(t\right)+f_{\mathrm{\ω}}\]}{\∫}|S_x(t,f){|}^{2}df$

式中，c表示某个待计算的振动信号成分，f_c(t)为双转子航空发动机振动信号中该振动信号成分对应的瞬时频率信息，f_ω为时频能量计算频带的半带宽，所述f_ω值的选取以能够包含计算c的能量的最小范围为准；

P400：将所述振动信号的时频总能量和振动信号中与高低压转子相关的振动信号成分的时频能量传给所述时变振动贡献量计算装置；

所述时变振动贡献量计算装置接收所述时频变换与能量计算装置传来的振动信号的总能量以及各振动信号成分的时频能量，计算振动信号中与高低压转子相关的振动信号成分的时变振动贡献量；计算表达式如下：

$E_c^p\left(t\right)=\frac{E_c\left(t\right)}{E\left(t\right)}$

式中，c表示某个待计算的振动信号成分。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，过程P100具体实现为应用短时傅里叶变换将时域振动信号变换成振动信号的时频表示，所述短时傅里叶变换的表达式如下：

$S_x(t,f)={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}x\left(\mathrm{\τ}\right)g_{\mathrm{\σ}}(\mathrm{\τ}-t)e^{-i2\mathrm{\π}f\mathrm{\τ}}d\mathrm{\τ}$

式中，S_x(t，f)为振动信号x(t)的短时傅里叶变换时频表示结果，其中t为时间变量，f为频率变量，g_σ(t)为短时傅里叶变换的参数化窗函数，其中σ为尺度参数。