CN112765771B - 一种航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视算法，通过对发动机在过渡态下的变转速特征的分析和振动监视需求，构建出过渡态算法模型，并根据发动机振动数据的采集和处理方式，以及已构建的过渡态算法模型，得到发动机过渡态下振动实时监视算法的处理流程。采用上述方式得到的实时监视算法作为航空发动机机载振动实时监视***研发的基础信息，用于飞行中航空发动机振动状态实时监视。本发明实施例采用基于阶比思想的振动总量计算算法，提供了可靠的振动实时监视结果；计算过程简单，具有很强的实施性。

Description

一种航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视算法

技术领域

本发明涉及但不限于飞行试验动力装置监视技术领域，尤指一种航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视算法。

背景技术

航空器飞行试验中，需要对被试的航空发动机进行振动实时监视，验证在飞机飞行包线内发动机结构特性是否满足要求，同时能在发生故障时进行实时告警，保障飞行安全，并在事后可对原始数据进行分析，得知故障原因，避免同类情况再此发生。

航空发动机在加速、减速等过渡态工作时，发动机供油、温度和转速等均处在持续变化状态，使得发动机整体稳定性降低，因此过渡态下更应加强振动监视。现有振动实时监视通常在稳态下进行，并不适用于过渡态下的振动监视。

发明内容

本发明的目的：本发明实施例提供一种航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视算法，以解决现有在稳态下进行的振动实时监视，并不适用于过渡态下的振动监视的问题。

本发明的技术方案：本发明实施例提供一种航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视算法，包括：

步骤1，通过对发动机在过渡态下的变转速特征的分析和振动监视需求，构建出过渡态算法模型；

步骤2，根据发动机振动数据的采集和处理方式，以及步骤1构建的过渡态算法模型，得到发动机过渡态下振动实时监视算法的处理流程，所述实时监视算法的处理流程是在航空发动机上进行振动实时监视时，监视***方案设计、嵌入式软件编制的依据。

可选地，如上所述的航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视算法中，

所述步骤1中的过渡态算法模型是对航空发动机在过渡态下振动数据监视程序创建出的数学验算推导方式，用于提供过渡态算法程序编制的理论基础。

可选地，如上所述的航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视算法中，所述步骤1中的过渡态算法模型表示的数学验算推导方式，包括：

通过对振动数据的傅立叶级数展开，得到稳态下基准频率的傅立叶系数，在航空发动机过渡态下发动机转子转速变化过程中，计算转子转速对应的过渡态基准频率，对转子转速变化过程的时间段内的过渡态基准频率分别计算得到新的傅立叶系数，并计算振动总量的有效值。

可选地，如上所述的航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视算法中，所述步骤1中计算振动总量的有效值的方式为：根据不同发动机类型计算特定频带内的振动总量的有效值，所述振动总量为通过加速度或速度表征的。

可选地，如上所述的航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视算法中，所述步骤1中的过渡态算法模型表示的数学验算推导方式，包括：

步骤11，对长度为N的振动数据X＝{x₀,x₁,x₂,…,x_N-1}，得到所述振动数据的傅立叶系数为：

其中，a和b为傅立叶系数；N为数据长度；i取0至N-1的整数；k为整数，表示不同的频率点，取1至无穷大，zπki在稳态下为固定值；

步骤12，对于发动机过渡态下的转子转速变化过程，根据旋转机械阶比

计算转子转速对应的过渡态基准频率f，其中，过渡态下f为变化值，k相应也为变化值；

步骤13，基于步骤11中得到的所述振动数据的傅立叶系数，并根据与振动数据X等长的一段序列K_j＝{k₀,k₁,k₂,…,k_N-1}，对过渡态基准频率分别计算得到新的傅立叶系数；其中，由于过渡态下振动数据的傅立叶系数中的k不再是一个恒定值，而是和X等长的一段序列K_j＝{k₀,k₁,k₂,…,k_N-1}，且j＝0,1,2,…,N-1，因此，a_k和b_k就变为新的傅里叶系数a_OM和b_OM，即新的傅立叶系数为：

其中，序列K_j＝{k₀,k₁,k₂,…,k_N-1}为根据转子转速变化过程得到的，k₀,k₁,k₂,…,k_N-1表示过渡态下转子过渡态下转子转速变化时，要计算的基准频率变化对应的取值；

步骤14，计算第M阶比O_M下过渡态基准频率的幅值A_OM为：

步骤15，在发动机过渡态的振动监视中，计算过渡态基准频率中频段[f₁，f_p]对应的阶比[第1阶比，第p阶比]振动总量的有效值R_p为：

其中，R_p为有效值，p为计算的阶比个数。

可选地，如上所述的航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视算法中，所述步骤2包括：

步骤21，将采集的加速度信号为原始数据来源，并根据发动机的测试、数据实时处理和传输方式，执行发动机稳态和过渡态下振动数据实时处理的整体流程。

可选地，如上所述的航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视算法中，所述步骤2还包括：

步骤22，根据加速度信号和转速信号对发动机进行状态判断，并在发动机过渡态下，基于发动机过渡态算法模型构执行发动机过渡态下的振动数据处理流程。

可选地，如上所述的航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视算法中，所述步骤22中所执行的发动机过渡态下的振动数据处理流程，包括：

对低采样率的转速信号采用线性方法进行插值，使得插值后得到转速信号达到与加速度信号具有相同的采样率；

计算出低采样率的转速信号的频率，并通过旋转机械阶比将转速信号的频率转换为阶比，计算的振动总量的频段范围，并选择出发动机过渡态下转子转速变化过程中频段范围对应的阶比；

计算振动总量的频段范围内不同频率下新的傅立叶系数a_OM和b_OM，并计算出不同频率下的幅值A_OM，以及振动总量的有效值R_p。

本发明的优点：本发明实施例提供一种航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视算法，通过对发动机在过渡态下的变转速特征的分析和振动监视需求，构建出过渡态算法模型，并根据发动机振动数据的采集和处理方式，以及已构建的过渡态算法模型，得到发动机过渡态下振动实时监视算法的处理流程；该实时监视算法可以作为航空发动机机载振动实时监视***研发的基础信息，用于飞行中航空发动机振动状态实时监视。本发明提供的实时监视算法克服了试飞中常用的振动监视数据处理方法中快速傅立叶变换的平稳数据条件，采用基于阶比思想的振动总量计算算法，反映出在发动机过渡态时，转子转速变化时的振动总量，能给出可靠的振动实时监视结果；本方法的计算过程简单，对机载监视设备的计算能力要求不高，常规的运算芯片即可满足实时处理要求，具有很强的实施性。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明实施例中发动机过渡态下振动实时监视算法的处理流程的示意图；

图2为本发明实施例中基于发动机过渡态算法模型构执行发动机过渡态下的振动数据处理流程的流程图；

图3为本发明实施例中振动信号和转速信号实时采集和处理板卡硬件的结构框图；

图4为本发明实施例中数据记录和控制板卡硬件的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

本发明实施例提供的航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视算法，主要包括两个步骤，如下：

步骤1，通过对发动机在过渡态下的变转速特征的分析和振动监视需求，构建出过渡态算法模型；

步骤2，根据发动机振动数据的采集和处理方式，以及步骤1构建的过渡态算法模型，得到发动机过渡态下振动实时监视算法的处理流程，所述实时监视算法流程是在航空发动机上进行振动实时监视时，监视***方案设计、嵌入式软件编制的依据。

以下对本发明实施例提供的航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视算法的实施过程进行详细说明。

步骤1、构建过渡态算法模型

该步骤1中，通过对发动机在过渡态下的变转速特征的分析和振动监视需求，构建出过渡态算法模型。

目前飞行试验中，航空发动机振动监视方案：在机匣上转子轴承截面加装加速度传感器，感知发动机振动信息，根据不同发动机类型计算特定频带内的振动总量(通常以加速度或速度描述振动总量)的有效值。

该步骤1中，过渡态算法模型是对航空发动机在过渡态下振动数据监视程序创建出的数学验算推导方式，用于提供过渡态算法程序编制的理论基础。

实际应用中，过渡态算法模型表示的数学验算推导方式，可以包括：通过对振动数据的傅立叶级数展开，得到稳态下基准频率(对应稳态下转子的转速)的傅立叶系数，在航空发动机过渡态下发动机转子(包括高压转子和低压转子)转速变化过程中，计算转子转速对应的过渡态基准频率(过渡态下为变化的基准频率)，对转子转速变化过程的时间段内的过渡态基准频率分别计算得到新的傅立叶系数，并计算振动总量的有效值。

另外，该步骤1中，计算振动总量的有效值的方式为：根据不同发动机类型计算特定频带内的振动总量的有效值，所述振动总量为通过加速度或速度表征的。

以下具体对该步骤1中过渡态算法模型表示的数学验算推导方式的实施过程进行说明，即步骤1具体包括：

步骤11，对于一列长度为N的振动数据(或加速度或速度数据)X＝{x₀,x₁,x₂,…,x_N-1}，振动数据的离散傅立叶级数表达式为：

得到振动数据的傅立叶系数为：

上述式(1)到式(4)中，a和b为傅立叶系数；N为数据长度；i取0至N-1的整数；k为整数，表示不同的频率点，取1至无穷大，2πki在稳态下为固定值。

对于现有稳态过程中的振动监控，由于稳态下具有固定的振动频率，计算稳态下基准频率f_k的幅值A_k，其计算值为

步骤12，对于发动机过渡态下的转子转速变化过程，按照旋转机械阶比分析的定义：

计算转子转速对应的过渡态基准频率f，其中，过渡态下f为变化值，k相应也为变化值.

上述式(5)中，f为振动频率，n为转子物理转速，O_m为旋转机械阶比，O_m＝{O₁，O₂，...}，即m可以取大于或等于1的整数；由于过渡态下f为变化值，因此，k为变化值。

步骤13，基于步骤11中得到的振动数据的傅立叶系数，并根据与振动数据X等长的一段序列K_j＝{k₀,k₁,k₂,…,k_N-1}，对过渡态基准频率分别计算得到新的傅立叶系数。

其中，由于此时，式(3)(4)中的k不再是一个恒定值，而是和X等长的一段序列K_j＝{k₀,k₁,k₂,…,k_N-1}，即j＝0,1,2,…,N-1，因此，a_k和b_k就变为新的傅里叶系数a_OM和b_OM：

其中，序列K_j＝{k₀,k₁,k₂,…,k_N-1}为根据转子转速变化过程得到的，k₀,k₁,k₂,…,k_N-1表示过渡态下转子转速变化时，要计算的基准频率变化对应的取值；稳态下，k为定值。

步骤14，计算第M阶比O_M下过渡态基准频率的幅值A_OM。

该步骤中，对于第M阶比O_M下过渡态基准频率的幅值为A_OM，第M阶表示O_m中任一阶比，幅值A_OM为：

步骤15，在发动机过渡态的振动监视中，计算过渡态基准频率中频段[f₁，f_p]对应的阶比[第1阶比，第p阶比]振动总量的有效值R_p为：

其中，R_p为有效值，p为计算的阶比个数。

步骤2，监视算法流程

本发明实施例基于飞行试验中针对航空发动机的测试、数据实时处理和传输流程(即发动机振动数据的采集和处理方式)，以及步骤1构建的过渡态算法模型，设计出发动机过渡态下振动实时监视算法的处理流程，该实时监视算法流程是在航空发动机上进行振动实时监视时，监视***方案设计、嵌入式软件编制的依据。

本发明实施例的步骤2可以包括：

步骤21，将采集的加速度信号为原始数据来源，并根据发动机的测试、数据实时处理和传输方式，执行发动机稳态和过渡态下振动数据实时处理的整体流程。

步骤22，根据加速度信号和转速信号对发动机进行状态判断，并在发动机过渡态下，基于发动机过渡态算法模型构执行发动机过渡态下的振动数据处理流程。

如图1所示，为本发明实施例中发动机过渡态下振动实时监视算法的处理流程的示意图。图1所示振动实时监视算法的流程的具体步骤包括：发动机试飞中通常采用加速度计感受发动机整机振动，加速度计输出的电荷信号经信号放大器后，成为连续变化的电压信号，作为机载实时处理设备的输入信号后进行AD采样，AD采样方式为机载实时处理设备按采样率fsv采集一段时间T之内的电压信号V(V1，V2，…，Vn)，转换为离散电压信号D(D1，D2，…，Dn)，并结合地面校准所得的参数校线，将离散电压信号转换为物理量G(G1，G2，…，Gn)，即离散的加速度信号。通过同步采集的转速信号R，判断采样期间是否为平稳状态，若判断为发动机稳态，则通过快速傅里叶变化处理，若判断为发动机过渡态，则采用步骤1中的发动机过渡态算法模型进行处理。

如图2所示，为本发明实施例中基于发动机过渡态算法模型构执行发动机过渡态下的振动数据处理流程的流程图。实际监视过程中，需要用到的数据包括加速度数据外，还需要同步采集发动机转速数据。该渡态下的振动数据处理流程的步骤为：

(a)发动机转速数据插值。发动机转速信号的采样率远低于加速度信号，采用线性插值方法进行转速数据插值，使转速信号达到与加速度信号同样的采样率；其中，发动机转速数据为通过转子转动得到的。

(b)计算出转速信号的频率。根据式(5)将转速信号的频率转化为阶比。之后，根据需要计算的振动总量的频段范围，选择出过渡态下转速变化过程中上述频段范围对应的阶比，并匹配好对应的频率值。

(c)按照式(6)和式(7)计算出不同频率下新的傅立叶系数a_OM和b_OM；根据式(8)计算出不同频率下的幅值A_OM。

(d)根据式(9)计算出振动总量的有效值R_p。

本发明实施例提供的航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视算法，通过对发动机在过渡态下的变转速特征的分析和振动监视需求，构建出过渡态算法模型，并根据发动机振动数据的采集和处理方式，以及已构建的过渡态算法模型，得到发动机过渡态下振动实时监视算法的处理流程。采用上述方式得到的实时监视算法可以作为航空发动机机载振动实时监视***研发的基础信息，用于飞行中航空发动机振动状态实时监视。

航空发动机在加速、减速等过渡态工作时，发动机供油、温度和转速等均处在持续变化状态，使得发动机整体稳定性降低，因此过渡态下更应加强振动监视。本方法采用基于阶比思想的振动总量计算算法，能给出可靠的振动实时监视结果；计算过程简单，具有很强的实施性。

本发明实施例采用基于阶比思想的振动总量计算算法，给出了可靠的振动实时监视结果；计算过程简单，具有很强的实施性；该实时监视算法克服了试飞中常用的振动监视数据处理方法中快速傅立叶变换的平稳数据条件，采用基于阶比思想的振动总量计算算法，反映出在发动机过渡态时，转子转速变化时的振动总量，能给出可靠的振动实时监视结果；本方法的计算过程简单，对机载监视设备的计算能力要求不高，常规的运算芯片即可满足实时处理要求，具有很强的实施性。

以下通过一个具体实例对本发明实施例提供的航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视算法的实施方式进行说明。

本实施例为在某直升机科研试飞过程中，采用本发明实施例提供的航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视算法，基于C语言编制了实时监视软件。在飞行中进行了被试发动机的振动监视，获得了较好的效果。

在某飞机科研试飞过程中，在机上加装的振动监视***，对被试发动机进行振动实时监视，振动监视***用于执行发动机在过渡态下振动数据的实时监视算法，图3为本发明实施例中振动信号和转速信号实时采集和处理板卡硬件的结构框图，图4为本发明实施例中数据记录和控制板卡硬件的结构框图。采用DSP芯片作为振动数据实时处理芯片，依据本申请所述算法编制了被试发动机监视软件，实现了飞行试验中的发动机全状态振动实时监视。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视方法，其特征在于，包括：

步骤1，通过对发动机在过渡态下的变转速特征的分析和振动监视需求，构建出过渡态算法模型；

步骤2，根据发动机振动数据的采集和处理方式，以及步骤1构建的过渡态算法模型，得到发动机过渡态下振动实时监视算法的处理流程，所述实时监视算法的处理流程是在航空发动机上进行振动实时监视时，监视***方案设计、嵌入式软件编制的依据；

所述步骤1中的过渡态算法模型表示的数学验算推导方式，包括：

步骤11，对长度为N的振动数据X＝{x₀,x₁,x₂,…,x_N-1}，得到所述振动数据的傅立叶系数为：

其中，a和b为傅立叶系数；N为数据长度；i取0至N-1的整数；k为整数，表示不同的频率点，取1至无穷大，2πki在稳态下为固定值；

步骤12，对于发动机过渡态下的转子转速变化过程，根据旋转机械阶比

计算转子转速对应的过渡态基准频率f，其中，过渡态下f为变化值，k相应也为变化值；

步骤13，基于步骤11中得到的所述振动数据的傅立叶系数，并根据与振动数据X等长的一段序列K_j＝{k₀,k₁,k₂,…,k_N-1}，对过渡态基准频率分别计算得到新的傅立叶系数；其中，由于过渡态下振动数据的傅立叶系数中的k不再是一个恒定值，而是和X等长的一段序列K_j＝{k₀,k₁,k₂,…,k_N-1}，且j＝0,1,2,…,N-1，因此，a_k和b_k就变为新的傅里叶系数a_OM和b_OM，即新的傅立叶系数为：

其中，序列K_j＝{k₀,k₁,k₂,…,k_N-1}为根据转子转速变化过程得到的，k₀,k₁,k₂,…,k_N-1表示过渡态下转子过渡态下转子转速变化时，要计算的基准频率变化对应的取值；

步骤14，计算第M阶比O_M下过渡态基准频率的幅值A_OM为：

步骤15，在发动机过渡态的振动监视中，计算过渡态基准频率中频段[f₁，f_p]对应的阶比[第1阶比，第p阶比]振动总量的有效值R_p为：

其中，R_p为有效值，p为计算的阶比个数。

2.根据权利要求1所述的航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视方法，其特征在于，

所述步骤1中的过渡态算法模型是对航空发动机在过渡态下振动数据监视程序创建出的数学验算推导方式，用于提供过渡态算法程序编制的理论基础。

3.根据权利要求2所述的航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视方法，其特征在于，所述步骤1中的过渡态算法模型表示的数学验算推导方式，包括：

通过对振动数据的傅立叶级数展开，得到稳态下基准频率的傅立叶系数，在航空发动机过渡态下发动机转子转速变化过程中，计算转子转速对应的过渡态基准频率，对转子转速变化过程的时间段内的过渡态基准频率分别计算得到新的傅立叶系数，并计算振动总量的有效值。

4.根据权利要求3所述的航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视方法，其特征在于，所述步骤1中计算振动总量的有效值的方式为：根据不同发动机类型计算特定频带内的振动总量的有效值，所述振动总量为通过加速度或速度表征的。

5.根据权利要求1所述的航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤21，将采集的加速度信号为原始数据来源，并根据发动机的测试、数据实时处理和传输方式，执行发动机稳态和过渡态下振动数据实时处理的整体流程。

6.根据权利要求5所述的航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视方法，其特征在于，所述步骤2还包括：

步骤22，根据加速度信号和转速信号对发动机进行状态判断，并在发动机过渡态下，基于发动机过渡态算法模型构执行发动机过渡态下的振动数据处理流程。

7.根据权利要求6所述的航空发动机在过渡态下振动数据的实时监视方法，其特征在于，所述步骤22中所执行的发动机过渡态下的振动数据处理流程，包括：

对低采样率的转速信号采用线性方法进行插值，使得插值后得到转速信号达到与加速度信号具有相同的采样率；

计算出低采样率的转速信号的频率，并通过旋转机械阶比将转速信号的频率转换为阶比，计算的振动总量的频段范围，并选择出发动机过渡态下转子转速变化过程中频段范围对应的阶比；

计算振动总量的频段范围内不同频率下新的傅立叶系数a_OM和b_OM，并计算出不同频率下的幅值A_OM，以及振动总量的有效值R_p。

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