CN105865793B - 一种提高多转子航空发动机振动监测精度的方法 - Google Patents
一种提高多转子航空发动机振动监测精度的方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种提高多转子航空发动机振动监测精度的方法，使用计算得出的采样频率对信号进行连续采集，采集长度为计算得到的周期数，从而达到对于两个或三个基频均能整周期采集的目的，以保证之后的数据处理过程的精度。本发明采用动态优化采样率和采集点数的方法，力图同时避免各转子基频发生“频谱泄露”，提高幅值测试精度。由此，可以增加振动信号中的有效信息量，为减少机载传感器数目提供技术依据。本发明能够显著地提高各转子基频的采集精度，为发动机的正常运行保驾护航，为发动机故障诊断及现场动平衡提供技术依据，为发动机的健康管理提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机故障诊断与健康管理技术领域，具体是一种提高多转子航空发动机转子基频幅值测量精度的方法。
背景技术
越来越多的航空发动机机型采用转子基频幅值作为衡量发动机整机振动的特征参数。转子基频幅值监测方法不但能够有效地区分振动来源，而且是发动机转子不平衡的衡量指标。波音公司在CN201310227304.7发动机振动和发动机调整平衡测试系统、设备以及方法中，提出了发动机振动和发动机现场动平衡的测试系统和设备设计。准确地监测航空发动机转子基频的幅值成为发动机故障诊断与健康管理的首要任务。
由于对航空发动机振动信号的采样截断，可能造成“频率泄露”，导致测量误差。目前采用的技术主要为加窗和整周期采样，以缓解频谱泄露的影响。其中，以整周期采样技术更为有效。中国专利CN201310133448.6公开了一种旋转机械振动信号整周期同步采样分析方法；美国；欧洲专利。在《导弹与航天运载技术》ISSN:1004-7182，2003年第5期刊登的《火箭发动机涡轮泵振动信号的同步整周期采集》一文中，廖明夫等人成功地将整周期同步采样方法应用于火箭发动机机涡轮泵的振动监测中。但是，上述发明仅能以单一频率为基准实施整周期采样，即仅针对单转子旋转机械能够获得理想的精度。
目前，绝大多数航空发动机采用双转子，甚至三转子结构。多转子发动机结构中，各转子以各自的转速独立运转。仅对其中一个转子实施整周期采样，其它转子的基频必然发生频率泄露，无法准确地监测。因此目前实践中，只能采用特定通道跟踪固定转子的方法。例如，在《测控技术》ISSN:1000-8829，2015年第34卷第3期刊登的《基于UDP协议的航空发动机振动实时监视系统设计》一文，提到的某型发动机振动监测方案中，发动机整机上一共安装4支传感器，两支跟踪高压转子基频，另两支跟踪低压转子基频。在高昂的试车费用中，造成极大的资源浪费。
同时，由表1可以看出，基于一组振动数据，现有技术无法同时准确地监测多个转子的基频幅值。本发明力图采用动态优化采样率和采集点数的方法，同时避免各转子基频发生“频谱泄露”，提高幅值测试精度。
表1 现有技术采集方式误差
发明内容
为克服现有技术中航空发动机高压基频幅值和低压基频幅值同时测量误差较大的问题，本发明提出一种提高多转子航空发动机振动监测精度的方法。
本发明的具体过程是：
步骤一、采集发动机各转子的转速。基于机载传感器信号进行采集。
所述采集发动机各转子的转速时：对于双转子发动机，同时采集发动机的高压转子转速n2和低压转子转速n1；对于三转子发动机，同时采集发动机的高压转子转速n3、中压转子转速n2和低压转子转速n1；各转子转速的单位为转/分。
步骤二、根据发动机结构参数确定振动信号的采样频率f。
通过基准转子旋转频率f0和每周期采样点数2Z确定振动信号的采样频率f；
振动信号的采样频率f通过公式(1)确定：
f＝2Z·f0 (1)
采样频率f≥m·F，其中m≥2.5，所述F为最高分析频率。
所述最高分析频率F是取发动机转子倍频、发动机轴承特征频率和传动系统啮合频率中的最高值作为该最高分析频率F。
所述基准转子旋转频率f0通过公式(2)确定，式中i从1取至最大转子个数：
所述每周期采样点数2Z是在基准转子旋转一周的时间段内采集的数据点数，通过公式(3)确定该每周期采样点数2Z中的参数Z：
步骤三、确定所有转子相对转速的最大公约数。
Ⅰ，选取数值最小的转速。在双转子发动机中，选取低压转子转速n1为数值作为最小的转速nbase，式中i从1取至最大转子个数。
nbase＝min(ni) (4)
Ⅱ，通过式(5)确定各转子转速相对最小转速的倍数。以所述选取的最小的转速nbase作为基准，该基准＝10，求取其它转子转速的相对倍数，并采用四舍五入原则取整，得到相对转速倍数noi，式中i从1取至最大转子个数。
Ⅲ，确定通过公式(6)上述相对转速倍数的最大公约数H，式中i从1取至最大转子个数。
H＝[noi] (6)
步骤四、确定振动信号的连续采集点数N。
Ⅰ，通过公式(7)确定连续采集周期数T，式中i从1取至最大转子个数。
Ⅱ，确定振动信号的连续采集点数N。连续采集点数N由每周期采样点数2Z和连续采集周期数T决定。
N＝T·2Z (8)
步骤五、采集多转子发动机的振动信号数据。
根据上述确定的数据采集采样率f、连续采集数据点数N，通过目前的数据采集软硬件系统，对多转子发动机振动信号进行数据采集；利用现有的快速傅里叶得到频域信号。在频谱图上，读取各转子旋转频率的幅值，即为所需要的各转子基频幅值。
至此，完成了对多转子航空发动机振动监测。
本发明利用现有技术，基于一组振动数据，无法同时准确地监测多个转子的基频幅值。如果只对其中的一个转子实施等周期采集，其它转子由于转速不同，必然不能保证整周期采集，因此会产生较大的频谱泄露现象，误差最大可能达到20％以上。式(1)是典型的双转子发动机振动信号的数学模型：
如果以常见的双转子慢车状态为例，模拟低压转子旋转角速度为Ω1＝57.5Hz，高压转子旋转角速度为Ω2＝69Hz；低压转子基频理论单峰值A为15mm/s，高压转子基频理论单峰值B为25mm/s的情况。图1是实例信号的时域波形图。
图2为使用现行方法以低压转子整周期采样方法进行采集之后快速傅里叶变换之后的结果，其中图上标注的两点坐标X值为图1所示的振动信号中的频率成分，Y值为该频率成分对应的信号单峰值，是以低压转子整周期采样方法采集引起高压基频的频谱泄露，高压基频幅值误差为6.58％。
图3为使用现行方法以高压转子整周期采样方法采集之后快速傅里叶变换之后的结果，其中图上标注的两点坐标X值为图1所示的振动信号中的频率成分，Y值为该频率成分对应的信号单峰值，是以高压转子整周期采样方法采集引起低压基频的频谱泄露，低压基频幅值误差为36.07％。
由表1可知即使对振动信号进行加窗处理也不能减弱这种误差。
本发明的基本原理为：对有两个或三个转子存在的航空发动的机振动信号进行采集时，其中存在两个或三个基频信号，信号采样频率是基于两个或三个基频信号中最高的频率计算得到的，同时对于信号的连续采集的周期数也是通过计算得到的。之后使用计算得出的采样频率对信号进行连续采集，采集长度为计算得到的周期数，从而可以达到对于两个或三个基频均能整周期采集的目的，以便保证之后的数据处理过程的精度。
本发明的有益效果在于：
本发明采用动态优化采样率和采集点数的方法，力图同时避免各转子基频发生“频谱泄露”，提高幅值测试精度。由此，可以增加振动信号中的有效信息量，为减少机载传感器数目提供技术依据。
图4为使用本发明的方法进行信号采集之后快速傅立叶变换之后的结果，其中图上标注的三点坐标X值为图1所示的振动信号中的频率成分，Y值为该频率成分对应的信号单峰值；通过图2、图3与图4的对比可知，图2与图3为使用现存的方法进行信号采集，仅基于信号中的某一个基频进行整周期采集，其快速傅里叶变换后的结果在两个基频上均产生误差；而图4则是使本发明提供的方法进行信号采集，其快速傅里叶变换后的结果频谱泄露情况得到了显著的改善，在图4中所标注的三个点处对应的垂直于X轴的线段周围没有其它频率成分分部，同时其Y值与对应的振动信号各频率成分对应相同没有产生误差。
本发明提出的方法能够有效地提高避免各转子基频发生“频谱泄露”，由表2可知，本发明可以显著地提高各转子基频的采集精度，为发动机的正常运行保驾护航，为发动机故障诊断及现场动平衡提供技术依据，为发动机的健康管理提供技术支撑。
表2 本发明与现有技术的精度比较
本发明适用于双转子发动机、三转子发动机及带动力涡轮的燃气轮机，也能够用于具有类似结构的多转子旋转机械的整机测振。本发明保证了发动机整机振动监测的准确性，为发动机整机振动监测提供技术依据。
附图说明
图1是典型的双转子发动机振动信号的时域波形曲线。
图2是以低压转子整周期采样方法采集引起高压基频的频谱泄露。
图3是以高压转子整周期采样方法采集引起低压基频的频谱泄露。
图4是基于本发明得到的频谱图。
图5是本发明的流程图。
具体实施方式
实施例1
本实施例是一种提高双转子航空发动机振动监测精度的方法，具体过程是：
步骤一、采集发动机各转子的转速。基于机载传感器信号进行采集。
对于双转子发动机，同时采集发动机的高压转子转速n2和低压转子转速n1。
步骤二、根据发动机结构参数确定振动信号的采样频率。
根据式(1)，所述振动信号的采样频率f由两个参数确定，即基准转子旋转频率f0和每周期采样点数2Z。
其中，基准转子旋转频率f0通过公式(2)确定：
f＝2Z·f0 (1)
基准转子选择发动机各转子中转速最高的转子。利用式(2)将得到转速最高的转子的转速量纲转换成赫兹，则得到基准转子旋转频率f0。
所述每周期采样点数2Z表征在基准转子旋转一周的时间段内采集的数据点数。考虑到基2快速傅里叶变化算法的优势，本实施例中将每周期采样点数表示成2的指数形式2Z。
根据采样定理的结论，采样频率f≥m·F，所述F为最高分析频率，式中m≥2.5。本实施例中，f＝2.5F。
所述最高分析频率F是在发动机设计过程中确定。综合考虑发动机转子倍频、发动机轴承特征频率和传动系统啮合频率，取其中最高值作为最高分析频率F。
则由式(3)确定每周期采样点数2Z中的参数Z：
由此，根据发动机最高分析频率F需求，确定了振动信号的采样频率及每周期采样点数2Z。
步骤三、确定所有转子相对转速的最大公约数。
Ⅰ，选取数值最小的转速。在双转子发动机中，选取低压转子转速n1作为数值为最小的转速nbase。
nbase＝min(n1,n2) (4)
Ⅱ，确定各转子转速相对最小转速的倍数。以所述选取的最小的转速nbase作为基准，该基准＝10，求取其它转子转速的相对倍数，并采用四舍五入原则取整，得到相对转速倍数noi，i＝1,2。
Ⅲ，确定上述相对转速倍数的最大公约数H。
H＝[no1,no2] (6)
本实施例中，所述某型双转子发动机的设计状态的转速为：低压转子转速n1＝6000r/min，高压转子转速n2＝9000r/min。则以最低转速——低压转子转速n1＝6000r/min为基准，高压转子转速的相对倍数为15。两个相对转速倍数的最大公约数为5。
步骤四、确定振动信号的连续采集点数N。
Ⅰ，确定连续采集周期数T。
Ⅱ，确定振动信号的连续采集点数N。连续采集点数N由每周期采样点数2Z和连续采集周期数T决定。
N＝T·2Z (8)
步骤五、采集多转子发动机的振动信号数据。
本实施例是一种双转子发动机。
根据上述确定的数据采集采样率f、连续采集数据点数N，通过目前的数据采集系统，对双转子发动机振动信号进行数据采集；利用现有的快速傅里叶得到频域信号。在频谱图上，读取各转子旋转频率的幅值，即为所需要的各转子基频幅值。
本实施例中，低压转子转速n1＝6000r/min，高压转子转速n2＝9000r/min，最高分析频率F需求为8kHz的情况下。通过所述步骤1～5得到：数据采集采样率f＝27.7kHz，连续采集数据点数N＝1920。
实施例2
本实施例是一种提高三转子航空发动机振动监测精度的方法，具体过程是：
步骤一、采集发动机各转子的转速。基于机载传感器信号进行采集。
对于三转子发动机，同时采集发动机的高压转子转速n3、中压转子转速n2和低压转子转速n1。各转子转速的单位为转/分。
步骤二、根据发动机结构参数确定振动信号的采样频率。
根据式(1)，所述振动信号的采样频率f由两个参数确定，即基准转子旋转频率f0和每周期采样点数2Z。
f＝2Z·f0 (1)
基准转子选择发动机各转子中转速最高的转子。利用式(2)将得到转速最高的转子的转速量纲转换成赫兹，则得到基准转子旋转频率f0。
每周期采样点数2Z表征在基准转子旋转一周的时间段内采集的数据点数。考虑到基2快速傅里叶变化算法的优势，本实施例中将倍数表示成2的指数形式2Z。
根据采样定理的结论，采样频率f≥2.5F，所述F为最高分析频率。本实施例中，f＝4F。
所述最高分析频率F在发动机设计过程中确定。综合考虑发动机转子倍频、发动机轴承特征频率和传动系统啮合频率，取其中最高值作为最高分析频率F。
则由式(3)确定每周期采样点数2Z中的参数Z：
由此，根据发动机最高分析频率F需求，确定了振动信号的采样频率及每周期采样点数2Z。
步骤三、确定所有转子相对转速的最大公约数。
Ⅰ，选取数值最小的转速。在三转子发动机中，选取低压转子转速n1为数值最小的转速nbase。
nbase＝min(n1,n2,n3) (4)
Ⅱ，确定各转子转速相对最小转速的倍数。以所述选取的最小的转速nbase作为基准，该基准＝10，求取其它转子转速的相对倍数，并采用四舍五入原则取整，得到相对转速倍数noi，i＝1,2,3。
Ⅲ，确定上述相对转速倍数的最大公约数H。
H＝[no1,no2,no3] (6)
本实施例中的某型三转子发动机的设计状态的转速为：低压转子转速n1＝3000r/min，中压转子转速n2＝7800r/min，高压转子转速n3＝12000r/min。则以最低转速——低压转子转速n1＝3000r/min为基准，中压转子转速的相对倍数为26，高压转子转速的相对倍数为40。三个相对转速倍数的最大公约数为2。
步骤四、确定振动信号的连续采集点数N。
Ⅰ，确定连续采集周期数T。
Ⅱ，确定振动信号的连续采集点数N。连续采集点数N由每周期采样点数2Z和连续采集周期数T决定。
N＝T·2Z (8)
步骤五、采集多转子发动机的振动信号数据。
本实施例是一种三转子发动机。
根据上述确定的数据采集采样率f、连续采集数据点数N，通过目前的数据采集软硬件系统，对三转子发动机振动信号进行数据采集；利用现有的快速傅里叶得到频域信号。在频谱图上，读取各转子旋转频率的幅值，即为所需要的各转子基频幅值。
本实施例中，低压转子转速n1＝3000r/min，中压转子转速n2＝7800r/min，高压转子转速n3＝12000r/min，最高分析频率F需求为8kHz的情况下。可以通过上述步骤，计算得到：数据采集采样率f＝25.6kHz，连续采集数据点数N＝25600。
所得到的各转子基频幅值能够同时缓解频谱泄露现象，有效地提高幅值监测精度，为发动机的正常运行保驾护航，为发动机故障诊断及现场动平衡提供技术依据，为发动机的健康管理提供技术支撑。
Claims (2)
1.一种提高多转子航空发动机振动监测精度的方法，其特征在于，具体过程是：
步骤一、采集发动机各转子的转速；基于机载传感器信号进行采集；
步骤二、根据发动机结构参数确定振动信号的采样频率f；
通过基准转子旋转频率f0和每周期采样点数2Z确定振动信号的采样频率；
振动信号的采样频率f通过公式(1)确定：
f＝2Z·f0 (1)
所述基准转子旋转频率f0通过公式(2)确定，式中i从1取至最大转子个数：
<mrow>
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</mrow>
所述每周期采样点数2Z是在基准转子旋转一周的时间段内采集的数据点数，通过公式(3)确定该每周期采样点数2Z中的参数Z，式中m≥2.5：
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</mrow>
<mo>;</mo>
</mrow>
其中最高分析频率F是取发动机转子倍频、发动机轴承特征频率和传动系统啮合频率中的最高值作为该最高分析频率F；
步骤三、确定所有转子相对转速的最大公约数；
Ⅰ，选取数值最小的转速；在双转子发动机中，选取低压转子转速n1作为最小的转速nbase，式中i从1取至最大转子个数；
nbase＝min(ni) (4)
Ⅱ，确定各转子转速相对最小转速的倍数；以所述选取的最小的转速nbase作为基准，求取其它转子转速的相对倍数，并采用四舍五入原则取整，得到相对转速倍数noi，式中i从1取至最大转子个数；
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</mrow>
</mrow>
Ⅲ，通过公式(6)确定上述相对转速倍数的最大公约数H，式中i从1取至最大转子个数；
H＝[noi] (6)
步骤四、确定振动信号的连续采集数据点数N；
Ⅰ，通过公式(7)确定连续采集周期数T，式中i从1取至最大转子个数；
<mrow>
<mi>T</mi>
<mo>=</mo>
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<mi>m</mi>
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</mrow>
Ⅱ，确定振动信号的连续采集数据点数N；连续采集数据点数N由每周期采样点数2Z和连续采集周期数T决定；
N＝T·2Z (8)
步骤五、采集多转子发动机的振动信号数据；
根据上述确定的采样频率f、连续采集数据点数N，通过数据采集软硬件系统，对多转子发动机振动信号进行数据采集；利用快速傅里叶得到频域信号；在频谱图上，读取各转子旋转频率的幅值，即为所需要的各转子基频幅值；
至此，完成了对多转子航空发动机振动监测。
2.如权利要求1所述一种提高多转子航空发动机振动监测精度的方法，其特征在于，所述采集发动机各转子的转速是基于机载传感器信号进行采集；对于双转子发动机，同时采集发动机的高压转子转速n2和低压转子转速n1；对于三转子发动机，同时采集发动机的高压转子转速n3、中压转子转速n2和低压转子转速n1；各转子转速的单位为转/分。
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2016
- 2016-03-25 CN CN201610178411.9A patent/CN105865793B/zh active Active
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Also Published As
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| GR01 | Patent grant |