基于机匣响应的航空发动机碰摩特征分析与辨识技术研究

摘要

现代航空发动机追求高推重比及低的耗油率，转速越来越高，而各种间隙越来越小，工作时极易发生转子与静子之间的碰摩。及时、正确地对碰摩故障作出诊断，确定碰摩位置，避免由于碰摩故障而造成的严重事故，对于发现碰摩原因和改进设计提高发动机的工作安全性，防止重大事故的发生，有着重要的工程应用价值。鉴于此，本文研究内容主要包括以下方面：
　　（1）利用带机匣的航空发动机转子实验器，进行了各种转速下的单点碰摩和局部偏摩实验，测取了涡轮机匣的振动加速度信号及应变信号，获取了大量不同碰摩部位的实验数据，其中单点碰摩的部位包括涡轮机匣上、下、左、右，偏摩包括偏左和偏右，并进行了不同厚度涡轮机匣的比较实验，为论文研究提供了大量实验数据。
　　（2）提出基于机匣加速度信号的航空发动机转静碰摩部位识别方法。考虑航空发动机多采用加速度传感器来进行振动状态的监测，提出：1)直接提取加速度信号均方值特征；2)利用小波包提取加速度信号的归一化能量特征；3)利用小波极大模能量方法提取加速度信号的小波局部极大模能量特征。最后将三种方法提取的特征输入至支持向量机中，进行转静碰摩部位的识别。三种方法对训练样本及测试样本的平均识别率均达到了99％以上，对未知样本的平均识别率分别在65%、85%及98%以上。
　　（3）鉴于目前航空发动机多采用薄壁结构，在碰摩力作用下产生一定的变形，同时应变测试技术方法成熟，灵敏度高，简单可靠，提出基于机匣应变信号的航空发动机转静碰摩部位识别方法。分析了不同碰摩部位下、不同测点的应变均值特征，发现了相同碰摩部位下各测点应变值有相同的变化规律。最后提取各测点的应变均值作为特征量，利用SVM进行碰摩部位识别。该方法对训练样本、测试样本及未知样本的识别率均达到了100%。
　　（4）提出基于倒频谱分析方法的航空发动机转静碰摩部位识别方法。利用倒频谱对边频成分的“概括”能力，直接对机匣测点的振动加速度信号进行倒频谱分析，分离出反映碰摩部位的传递特征信息，进而提取出用于进行碰摩部位识别的特征量。利用支持向量机进行碰摩部位识别，该方法对训练样本、测试样本及未知样本的识别率均达到了100%。
　　（5）利用Weka软件，对基于机匣应变信号及基于机匣加速度信号碰摩部位识别中提取的特征值形成的样本库进行数据挖掘，提取和挖掘出易于理解和解释的诊断规则，为碰摩部位识别方法的工程应用提供了途径。
　　（6）对不同转速、不同厚度机匣、不同碰摩部位的机匣测点加速度信号进行了特征分析，发现单点碰摩引起了叶片通过机匣的冲击频率及其倍频成分，其冲击的大小受到不平衡力的调制，因此在叶片通过频率及其倍频处，出现了以旋转频率为边频的调制边频带。在倒频谱中，明显观察出转频及其倍频的倒频率成分。最后，利用实际航空发动机试车数据对该碰摩特征进行了验证。
　　（7）利用Hilbert包络谱对不同碰摩状态下的加速度信号进行了特征分析。利用Hilbert变换对实验器正常运转、单点碰摩及偏摩状态下的加速度信号比较分析，并通过改变机匣厚度研究了机匣厚度在低频段对加速度特征的影响。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 问题提出

1.4本文研究内容

第二章 航空发动机转静碰摩实验

2.1引言

2.2 带机匣的航空发动机转子实验器简介

2.3 碰摩实验

2.4 测试系统

2.5实验方案

2.6实验数据统计

2.7 小结

第三章 基于机匣加速度信号的径向碰摩部位识别

3.1 引言

3.2 传感器布置

3.3基于加速度信号均方值特征的转静碰摩识别

3.4基于小波包能量特征的识别

3.5 基于小波极大模能量特征的碰摩部位识别

3.6 小结

第四章 基于机匣应变信号的径向碰摩部位识别

4.1 引言

4.2电阻应变片

4.3 基于应变测试的碰摩部位识别实验方法

4.4 基于应变测试的碰摩部位识别实验方案

4.4基于应变测试的碰摩部位识别

4.5 小结

第五章 基于倒频谱分析的转静碰摩部位识别

5.1 引言

5.2 基于倒频谱分析的转静碰摩部位识别的原理

5.3 碰摩实验

5.4 径向碰摩圆周部位识别

5.5碰摩部位识别

5.6 结论

第六章 基于数据挖掘的碰摩部位诊断知识规则提取

6.1 引言

6.2 数据预处理

6.3 基于Weka平台的碰摩部位识别知识规则自动获取

6.4 小结

第七章 转子叶尖—机匣碰摩特性分析

7.1 引言

7.2. 基于航空发动机转子试验器的碰摩特征分析

7.3实际航空发动机碰摩故障数据验证

7.4 小结

第八章 基于Hilbert包络谱的转子叶尖—机匣碰摩特征分析

8.1 引言

8.2薄壁机匣机匣测点Hilbert包络谱分析

8.3厚壁机匣机匣测点Hilbert包络谱分析

8.4小结

第九章 结论

9.1 总结

9.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文：