CN105571874A - 一种发动机振动不平衡相位的实时测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于互功率谱估计的发动机振动不平衡相位的实时测量方法，主要解决航空发动机振动超限配平振动不平衡相位求取问题。本发明通过求取相位基准信号与振动信号的互功率谱，将振动信号中与发动机转子同频的信号加强，噪声和其它频率成分都得到了抑制，提高了振动不平衡相位的估计精度；对振动信号进行加窗FFT求与参考信号的互功率谱，振动信号的FFT结果也可用于转子振动超限检测，避免了重复计算，节约了机载设备的计算资源；其中的关键运算FFT，在DSP等嵌入式系统中均有成熟工程化的模块可调用，算法实现简单，适合实时实现。

Description

一种发动机振动不平衡相位的实时测量方法

技术领域

本发明属于航空发动机振动监测技术领域，具体涉及一种发动机振动不平衡相位的实时测量方法。

背景技术

航空发动机的工作条件十分恶劣，发动机健康状况关系到飞机及乘坐人员的安全。对发动机的状态和健康状况进行监控可以保障飞机及人员安全的有效手段。振动采集监控是发动机状态监控的重要功能，作为典型的旋转机械设备，发动机振动幅值、频率、相位反映了发动机状态的重要信息。

进行发动机振动信号采集监测有三方面的应用：振动超限监测、发动机故障诊断及发动机转子配平。振动超限监测实时监测发动机振动大小，当发动机健康状况出现变化，反映到发动机振动水平上时，可以提前采取相应检查及维护措施，避免造成故障的恶化及重大事故；发动机部件出现不同的损伤或故障，其振动信号有相应的振动特征频谱。利用发动机不同频次的振动信号可以实现基于发动机振动信号的发动机故障诊断；发动机运行在较大振动水平下会对发动机的健康状况带来损伤，当发动机振动水平较大且并未出现故障，可以对发动机进行配平，降低发动机振动水平。

对发动机配平，常用方法是三圆法，三圆法不需要求取发动机振动不平衡相位，但三圆法需要发动机开车次数较多，耗时耗力也严重影响发动机的运营效率。求取发动机转子不平衡量的幅值和相位可以实现发动机振动的快速动平衡，直接计算出平衡重量的大小和安装角度。转子振动不平衡相位通过转子转速相位基准信号和振动信号来计算。

对振动信号直接进行FFT运算实现傅里叶变换，求取发动机振动信号的幅值和相位，由于非整周期采样会存在频谱泄露，使得求取的振动信号幅值和相位值偏离实际值，频谱泄露对相位值的影响最大可达90°。理论上可以实时调整振动信号的采样频率或进行插值运算保证参与FFT运算的信号满足整周期条件，进而避免频谱泄露。但因为发动机转速是连续变化的，根据转速信号实时调整采样频率，存在信号延迟及使得系统复杂的问题。使用数学插值也因为发动机转速连续变化，存在插值计算精度有限的问题。

另一方面，发动机振动信号中除高低压转子基频、倍频信号外，还包含大量的噪声信号。受发动机转子基频振动外的无关信号影响，使得使用FFT算法求取振动信号相位精度较差，难以满足发动机动平衡的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述振动不平衡相位测量方法的不足，提出了一种基于互功率谱估计的航空发动机振动不平衡相位测量方法，以避免由于频谱泄露、噪声等因素的影响，提高测量精度。

为实现上述目的，本发明的计算方法如下：

该发动机振动不平衡相位的实时测量方法通过检测相位基准信号中的脉冲，生成相位基准参考信号，求取相位基准参考信号与振动信号的互功率谱；然后根据互功率谱寻找发动机振动不平衡相位频域计算点，利用互功率谱实部、虚部估计振动不平衡相位。

具体包括以下步骤：

1)检测相位基准信号中的脉冲，以脉冲为起始，提取长度为N的相位基准信号序列和振动信号序列，计算相位基准信号序列中相邻两个脉冲之间T_k，然后以生成同频的正弦信号，拼接成长度为N的正弦信号序列，N＝MAX(2ⁿ)&2ⁿ≤fs，fs为所述脉冲信号的采样频率；

2)对步骤1)产生的正弦信号序列进行加汉宁窗处理，然后进行点数为N的快速傅里叶变换得到X(k)；对步骤1)提取的振动信号序列进行加汉宁窗处理，然后进行点数为N的快速傅里叶变换得到Y(k)；

3)按下式计算求取互功率谱密度G_xy；

G_xy＝X*(k)·Y(k)

这里的*的含义是“求实部”。

4)对步骤3)求取的互功率谱，按下式找出幅频曲线中发动机转子转速频率附近的幅值最大点，并记录该频率点k：

$A_{n,p}=max\{A\[k_{nl}\],A\[k_{nl}+1\]\},k_{nl}=floor(f_{nl}\·\frac{N}{fs})$

A_n,p为转子基频处的振动加速度峰值，f_nl为转子基频，N为FFT变换的点数，floor(x)表示小于x的最大整数；

5)根据下式利用步骤4)记录的频率点k计算所得相位即为发动机转子振动不平衡相位

P_k＝atan2(imag(G_xy(k)),real(G_xy(k)))。

本发明与现有技术相比，有以下优点：

1.通过求取相位基准信号与振动信号的互功率谱，将振动信号中与发动机转子同频的信号加强，噪声和其它频率成分都得到了抑制，提高了振动不平衡相位的估计精度；

2.对振动信号进行加窗FFT求与参考信号的互功率谱，振动信号的FFT结果也可用于转子振动超限检测，避免了重复计算，节约了机载设备的计算资源；

3.本发明关键运算FFT，在DSP等嵌入式系统中均有成熟工程化的模块可调用，算法实现简单，适合实时实现。

4.运算量小、稳定性好、易于工程实现。

附图说明

图1是本发明方法的应用环境框图；

图2是振动不平衡相位求取流程图；

图3是由相位基准脉冲信号生成同频正弦参考信号的示意图；

图4是汉宁窗时域特性图；

图5是正弦参考信号与振动信号互功率谱幅频图；

图6是正弦参考信号与振动信号互功率谱相频图；

图7是使用本发明方法求取某次发动机试车振动不平衡相位的结果。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明包括的处理步骤及相关参数如下：

步骤1，记录相位基准脉冲信号，采样频率fs为10K，以脉冲信号为起始，提取长度为8192点的相位基准信号和转子振动信号，计算相位基准信号中相邻两个脉冲之间的时间T_k，然后以为频率生成正弦信号，拼接成长度为8192点的正弦信号序列。

步骤2，按照下式生成8192点的汉宁窗函数序列，分别与正弦参考序列和振动信号序列进行对应项相乘，汉宁窗幅值修正系数C＝0.5。图4为汉宁窗的时域特性图。

$w\left(n\right)=0.5\[1-cos\left(\frac{2\mathrm{\π}n}{8191}\right)\]$ 0≤n≤8191

步骤3，对加窗后的正弦参考序列和振动信号序列分别进行8192点的FFT，对FFT结果除以汉宁窗幅值修正系数C，得到正弦参考序列傅里叶变换X(k)和振动信号序列傅里叶变换Y(k)；

步骤4，按照下式根据正弦参考序列和振动信号序列FFT结果求取正弦参考信号与振动信号的互功率谱；

G_xy＝X*(k)·Y(k)

步骤5，对步骤4求取的互功率谱，按如下公式找出幅频曲线中发动机转子转速频率附近的幅值最大点，并记录该频率点k：

$A_{n,p}=max\{A\[k_{nl}\],A\[k_{nl}+1\]\},k_{nl}=floor(f_{nl}\·\frac{N}{fs})$

A_n,p为转子基频处的振动加速度峰值，f_nl为转子基频，N为FFT变换的点数，符号floor(x)表示小于x的最大整数。

步骤6，根据下式利用步骤5记录的频率点k计算所得相位就为发动机转子振动不平衡相位。

P_k＝atan2(imag(G_xy(k)),real(G_xy(k)))

循环执行以上步骤，实现对发动机振动不平衡相位的实时测量。

图7为在某次发动机振动试车过程中，试用本发明计算求取的发动机转子振动不平衡相位，并且使用该相位结果，制定发动机动平衡方案，对发动机进行了振动配平，发动机振动量级得到有效改善，进而验证了本发明方法的正确性和工程适用性。

综上，本发明综合考虑发动机振动超限监测和振动配平的需求，计算转速相位基准参考信号和振动信号的互功率谱求取振动不平衡相位，使得实现快速动平衡成为可能，可大大缩短振动配平时间，减少工作量，提高了飞机运营效率。

Claims (2)

1.一种发动机振动不平衡相位的实时测量方法，其特征在于：检测相位基准信号中的脉冲，生成相位基准参考信号，求取相位基准参考信号与振动信号的互功率谱；然后根据互功率谱寻找发动机振动不平衡相位频域计算点，利用互功率谱实部、虚部估计振动不平衡相位。

2.根据权利要求1所述的发动机振动不平衡相位的实时测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1)检测相位基准信号中的脉冲，以脉冲为起始，提取长度为N的相位基准信号序列和振动信号序列，计算相位基准信号序列中相邻两个脉冲之间T_k，然后以1/T_k生成同频的正弦信号，拼接成长度为N的正弦信号序列，N＝MAX(2ⁿ)&2ⁿ≤fs，fs为所述脉冲信号的采样频率；

2)对步骤1)产生的正弦信号序列进行加汉宁窗处理，然后进行点数为N的快速傅里叶变换得到X(k)；对步骤1)提取的振动信号序列进行加汉宁窗处理，然后进行点数为N的快速傅里叶变换得到Y(k)；

3)按下式计算求取互功率谱密度G_xy；

G_xy＝X*(k)·Y(k)

4)对步骤3)求取的互功率谱，按下式找出幅频曲线中发动机转子转速频率附近的幅值最大点，并记录该频率点k：

$A_{n,p}=max\{A\[k_{nl}\],A\[k_{nl}+1\]\},k_{nl}=floor(f_{nl}\·\frac{N}{fs})$

A_n,p为转子基频处的振动加速度峰值，f_nl为转子基频，N为FFT变换的点数，floor(x)表示小于x的最大整数；

5)根据下式利用步骤4)记录的频率点k计算所得相位即为发动机转子振动不平衡相位

P_k＝atan2(imag(G_xy(k)),real(G_xy(k)))。