基于叶片应变测量的航空发动机风扇外物撞击监测识别

陶冶， 张帅

(中国飞行试验研究院发动机所， 西安 710089)

在飞机起飞、滑跑、着陆与低空飞行过程中，由于高速及发动机产生的强大气流吸力，石块、铁屑、冰块等小型异物极易被吸入航空发动机流道内，撞击发动机风扇叶片或其他关键部位，对发动机的性能和产生损害，严重时甚至会产生非包容性事故[1]。美军航空发动机除鸟撞外的B类外物撞击事件随着年份逐渐增加，严重程度不容忽视[2]。中国发动机故障事件调研结果表明，30%左右的翻修压气机叶片属于打伤性质，而其中一部分事故是由于未及时检测到外物撞击事件而导致的叶片累积损伤[3-4]。外物撞击发动机叶片形势愈发严峻，如何能够及时识别外物撞击叶片事件，是保障飞行安全的一个重要研究领域[5]。

外物撞击事件虽然难以避免，但尽可能地减少并防止外物撞击事件引发的飞行事故、减少外物撞击故障的维修次数、降低维护成本、提高发动机的战备完整性却始终是各航空发动机强国一直致力和研究的重点[6]。美军于2004年用科学合理的外物撞击损伤容限概率设计准则代替了原有经验性外物撞击损伤容限准则，并将这一概率设计准则写入其新版发动机结构完整性大纲MIL-HDBK-1783B CHANGE 2中。该设计准则明确规定外物撞击损伤容限设计需要具备外场外物撞击事件的概率特点，包括外物、冲击条件和累积频次等数据。对于外物撞击判废标准和维修规范，指出判废标准和维修规范需根据大量外场外物撞击事件统计数据结合叶片外物撞击损伤容限能力综合制定[7]。

美国早在1978年开展基于应变测量的外物撞击试验与数值计算研究，在实验室对单悬臂的真实风扇叶片进行高速撞击试验以模拟外来物撞击叶片，用7609号子弹以713 ft/s(1 ft=0.304 8 m)速度撞击叶片，通过大量试验得到叶片应力变化规律与撞击物半径、质量、撞击角度、撞击位置、撞击速度之间的规律关系[8]。张霞妹等[9]开展了模拟外物撞击平板叶片试验，研究了采用BP(back propagation)神经网络反演的方法得到平板叶片阻尼比的方法；张强波等[10]对风扇叶片外物撞击对转子振动的影响进行了研究，开展撞击位置、风扇转速等因素对转子振动特性影响试验；胡锟[11]、苏清风等[12]开展了发动机叶片撞击与轴承缺陷声发射检测方法研究，基于撞击能量当量法设计并开展叶片摆球撞击实验,获取了叶片在不同撞击能量下的声发射信号，分析了撞击声发射信号时域和频域特征。这些研究为外物撞击叶片原理、损伤及载荷等积累了大量试验数据，同时也为叶片外物撞击损伤的数值计算研究提供了丰富的对比数据。但目前中国内仍缺少关于发动机转子外物撞击试验与外物撞击监测识别方法。

在航空发动机外物撞击模拟试验平台上开展了外物撞击模拟试验，基于叶片应变测量的方法实现外物撞击风扇叶片的监测识别，并采用叶片应变信号的频谱与时频分析方法对风扇叶片外物撞击事件的发生时刻、频次与位置等信息进行准确辨识。

1 航空发动机外物撞击模拟试验平台

航空发动机外物撞击模拟试验平台用来模拟发动机在工作过程中的外物撞击现象，以研究外物撞击规律与监测识别方法等内容[13]。如图1所示为航空发动机外物撞击模拟试验平台，该试验平台的风扇转子为整体叶盘式结构，单级12个叶片，叶尖直径600 mm。叶片进口轮毂比为0.667，盘厚度为50 mm，设计最大转速为6 000 r/min，设计压比为1.06，设计效率为0.84，设计流量为9.5 kg/s。

图1 航空发动机故障模拟试验平台

针对发动机在实际工作过程中会遇到各种不同材料与不同尺寸的外物撞击事件，设计如图2所示的不同材料与不同尺寸的外物弹体撞击工作过程中的风扇转子来模拟发动机工作过程中的外物撞击事件。表1所示为塑料/钢材质外物弹体的详细参数。

表1 外物弹体详细参数

图2 外物弹体实物图

为了获取外物撞击发动机风扇转子叶片过程中的详细数据，建立了如图3所示的测试系统，该系统主要包含高速摄像采集模块、叶片动应变测量模块、试验平台轴承支座振动测量模块和风扇转子高速动平衡模块。为监测识别外物撞击转子叶片过程，在每个叶片的叶背表面改装应变计，通过应变采集系统获取撞击过程中叶片表面的动应变变化。

图3 发动机风扇外物撞击监测系统

为对风扇叶片外物撞击前后的典型固有参数进行分析，需要实时测量叶片应变信号。对风扇转子叶片进行1#～12#的编号，对转子叶片进行应变计测试改装，如图4所示为风扇叶片应变计改装过程。通过应变计改装工艺对风扇转子所有叶片进行1/4桥应变、应变花测试改装，通过特殊粘贴工艺将信号传输线固定于叶片与叶盘表面，再通过高速滑环引电器将叶片应变信号引出，最后通过应变采集系统获取由滑环引出的叶片应变信号。如图4所示为接触式叶片动应变系统整体工作效果图。

图4 风扇叶片应变计测试改装效果

2 风扇叶片应变信号处理方法

外物撞击风扇叶片时，叶片表面应力会发生急剧变化，故可以以叶片表面测点的应变信号随时间变化作为外物撞击与否的判断依据。叶片受外物撞击后，叶片结构特性的特征值会发生变化，通过叶片表面测点的应变信号分析来研究叶片特征信号的变化规律，以实现风扇外物撞击监测识别的目的。因此，需研究并应用稳态与瞬态的应变信号处理方法。

2.1 快速傅里叶变换方法

目前常用的数字信号处理算法的核心是傅里叶变换，傅里叶变换的主要应用之一就是分析连续时间信号的频率成分。快速傅里叶变换是离散傅氏变换的快速算法，它是根据离散傅里叶变化的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅里叶变换的算法进行改进而获得的。

(1)

由傅里叶级数公式可以得到有限长序列x(n)的快速傅里叶变换公式为

(2)

2.2 短时傅里叶变换方法

非平稳信号指分布参数或分布规律随时间发生变化的信号。在传统信号处理领域，基于傅里叶变换的信号频域表示及能量的频域分布揭示了信号在频域的特征，它们在传统的信号分析与处理的发展史上发挥了极其重要的作用。但傅里叶变换是一种整体变换，即对信号的表征要么全在时域，要么全在频域。然而，许多测量信号是非平稳的，其统计量是时变函数。而仅了解信号在时域或频域的全局特性是远远不够的，最希望得到的是信号频谱随时间变化的情况。为此，需要使用时间和频率的联合函数来表示信号，这种表示称为信号的时频表示，短时傅里叶变换是典型的线性时频表示方法。

给定一个瞬变信号x(t)∈L2(R)，其短时傅里叶变换定义为

=

(3)

式(3)中：x(t)为源信号；STFTx表示短时傅里叶变化结果；Ω表示角频率；gt,Ω(τ)=g(τ-t)ejΩτ，窗函数g(τ)取对称函数。

在时域用窗函数去截x(τ)，对截下来的局部信号做傅里叶变换，即得在t时刻的该段信号的傅里叶变换。不断移动t，也即不断地移动窗函数的中心位置，即可得到不同时刻的傅里叶变换。这些傅里叶变换的集合就是STFTx(t,Ω)，即

=G(υ-Ω)e-j(υ-Ω)t

(4)

(5)

式中：Gt,Ω(υ)表示局部信号窗函数。

3 风扇叶片外物撞击试验与分析

3.1 风扇叶片结构特性数值模拟与试验测量分析

由于外物撞击会使叶片结构特征频率的特性发生变化，因此，对设计状态下的叶片结构特性进行数值模拟、试验测量与分析研究。旋转状态下叶片的本征频率(动频)与静止状态叶片的固有频率存在差异；叶片处在不同振型激振下，同一点的振动位移、应变、应力关系差异很大，为确定最佳合理的贴片区域以及选取合适的试验转速，需要获得风扇叶片结构特性的Campbell图。

采用模态叠加法将不同转速下产生的预应力施加给风扇叶片，再进行模态分析得到在该转速下的叶片动频，将所有动频点连接后即可获得各阶动频。如图5所示为该风扇叶片数值模拟与试验测量结果的Campbell图，由于叶片动频远高于风扇转子基频，故图5中给出了k=8～20比例线与叶片前两阶动频的交点。根据风扇转子不同转速下的叶片应变试验测量值，分析得到不同转速下叶片的前三阶动频，试验测量值与数值模拟值在风扇转子转速4 000 r/min的一阶动频处误差最大，最大误差为0.86%。

f1、 f2分别表示叶片前两阶固有频率

3.2 风扇叶片外物撞击监测与识别试验

基于风扇叶片外物撞击试验平台开展外物撞击模拟试验，在风扇转子转速为2 400 r/min的状态下，连续发射4颗直径为16 mm、质量为2.9 g的塑料外物弹体撞击风扇转子。通过应变测量与采集系统实时采集的风扇各叶片应变变化情况如图6所示，分析发现，风扇叶片应变测量系统能够准确地监测识别到叶片发生外物撞击事件时叶片表面应变测点的应变变化，并能准确确定发生外物撞击事件的时间与叶片编号。4颗外物弹体依次撞击风扇转子的1#、1#&2#、11#和7#叶片，在第二次外物撞击试验过程中，外物弹体先后撞击至1#和2#叶片上。通过试验测量分析得知，在风扇转子转速为2 400 r/min的状态下，第四次塑料弹体外物撞击风扇7#叶片时，叶片应变测量处的最大瞬时应力值为223.85 MPa。

图6 风扇转速2 400 r/min外物撞击时叶片应变分布

3.3 风扇叶片外物撞击试验结果分析

外物撞击风扇转子会对叶片施加一个冲击作用，叶片应变信号的特征会发生变化，通过对叶片受迫响应信号的分析来研究其变化规律。

选取风扇转子转速为2 400 r/min的状态下外物撞击前后，风扇转子1#叶片的应变数据进行分析研究。如图7所示为外物撞击前后叶片表面测点的应变信号频谱图，在叶片正常状态下的应变频谱中，风扇转子的基频与倍频(1×、2×、3×、4×、5×)占次要成分，叶片一阶动频(455 Hz，78.7 μm)占主要成分；在叶片外物撞击后的叶片应变频谱图中，叶片一阶动频下的幅值突增到607 μm，外物撞击对转子基频与倍频的影响较小。

图7 风扇转速2 400 r/min外物撞击前后1#叶片的应变频谱图

考虑到风扇转子的外物撞击过程为瞬态，采用短时傅里叶变换方法对风扇转速为2 400 r/min外物撞击前后的1#叶片表面测点的应变信号进行分析研究。如图8所示为外物撞击前后叶片表面测点应变信号的时频图，在叶片正常状态下的应变时频图中，风扇转子基频与倍频的幅值随时间变化较平稳，叶片一阶动频幅值较小且随时间变化；在外物撞击后的叶片应时频图中，风扇转子基频与倍频的幅值水平较低，且叶片一阶动频的幅值在撞击时刻凸显，从外物撞击过程中的叶片应时频图中可以准确识别外物撞击发生的时刻、撞击次数与叶片编号位置等参数。

图8 风扇转速2 400 r/min外物撞击前后1#叶片应变时频图

4 结论

通过开展发动机风扇外物撞击模拟试验，采用基于叶片应变测量的方法，研究风扇外物撞击规律与监测识别方法，得到以下主要结论。

(1)基于数值模拟与应变测量的方法获取了风扇转子叶片的结构特性图，数值模拟与试验测量结果的最大误差为0.86%。

(2)开展了基于叶片表面应变测点测量的风扇外物撞击试验，通过试验过程中的应变测点应变值监测能够识别风扇外物撞击事件。

(3)对外物撞击前后的叶片测点应变值进行详细分析研究，外物撞击使叶片的一阶动频幅值发生较大的变化，通过试验过程中的应变测点时频图可识别外物撞击事件发生的时刻、频次与叶片编号等信息。