CN103216461B - 轴流式压气机的失速先兆识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一个轴流式压气机失速先兆识别方法，首先使用平稳小波变换对轴流压气机的脉冲压力信号进行选带滤波，然后比较滤波后的脉冲压力信号在一个转子周期与该信号前一个转子周期的相关性并计算其互相关系数。通过监测互相关系数的变化，能有效识别和监测失速先兆特征，达到失速预警目的。

Description

轴流式压气机的失速先兆识别方法

技术领域

本发明属于轴流式压气机的技术领域，尤其是涉及一种轴流式压气机的失速先兆识别方法。

背景技术

失速和喘振是限制高性能燃气涡轮压气机设计的严重问题。因为失速和喘振不仅使压气机性能大为恶化，而且更为严重的是造成压气机叶片剧烈振动以致叶片断裂而造成部件损坏。

压气机的失速先兆，是指在压气机完全进入失速前所表现出来的与失速有关的气流扰动现象。这种扰动有别于压气机稳态工作时和失速时的气流流动情况，一般的表现是压力和幅值增大，频率成分变化。

轴流式压气机在试验中有两种典型的失速先兆类型：长波形的模态波失速和短波形的突尖波失速。前者以二维的形式在较低的转子转速下旋转，模态波失速有一确定频率的动态压力的脉动幅值逐渐增大的过程；后者则是突发性的，不容易监测，所以对突尖波失速的监测更是研究的重点和难点。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种轴流式压气机的失速先兆识别方法，以达到失速预警的效果。

本发明的轴流式压气机的失速先兆识别方法包括以下步骤：

1）获取所述压气机的脉冲压力信号；

2）对所述脉冲压力信号进行SWT选带滤波，并据此计算压气机的转子周期；

3）计算相邻转子周期的所述脉冲压力信号的互相关系数R：

$R=\frac{\∫(P\left(t\right)-P_{\mathrm{av},n})(P(t-\mathrm{\τ})-P_{\mathrm{av},n-1})\mathrm{dt}}{\sqrt{{\∫(P\left(t\right)-P_{\mathrm{av},n})}^2\mathrm{dt}}\sqrt{\∫{(P(t-\mathrm{\τ})-P_{\mathrm{av},n-1})}^2\mathrm{dt}}}$

其中，P(t)是压气机的管壁静压信号，τ是转子周期，P(t-τ)是前一转子周期静压信号，P_av是静压信号P(t)的平均值；

4）当所述互相关系数在压气机工作中下降时，预测失速的发生。

较佳地，步骤1中通过设置在压气机内的多个传感器分别检测脉冲压力信号。

较佳地，所述压力传感器设置在所述压气机的第一级套管壁上。

较佳地，所述转子周期取相邻两个所述脉冲压力信号之间的时间差。

本发明的有益效果是：计算简单且可以有效地排除噪声的干扰，能有效地指示失速发生。

附图说明

图1是本发明较佳实施例的流程图；

图2是压气机在一段时间内的同步脉冲信号时域图；

图3、图4是第一组测试信号的时域图及其互相关系数图；

图5、图6是第二组测试信号的时域图及其互相关系数图；

图7至图9是第三组测试信号的时域图及其互相关系数图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

本发明是轴流式压气机的失速先兆识别方法，通过在压气机的叶轮周向设置一个或多个传感器来探测个别位置处的脉冲压力信号，并分析所得信号获得压气机转子的相邻周期的相关系数变化情况，从而准确地反映出失速先兆。

以下结合图1对本发明的实施方法的具体步骤进行详细说明，该方法包括以下步骤：

一、对压气机中设置的一个传感器或多个传感器中的一个所测得的脉冲压力信号进行SWT（StationaryWaveletTransform；平稳小波变换）选带滤波

由于SWT在进行信号分解时不进行下采样，是一种冗余变换。因此，SWT在信号的特征提取、显著特征识别和消噪方面具有很大的优势。此即是选择SWT对同一传感器测得的相邻转子周期信号进行选带滤波的原因。

脉冲压力信号经SWT选带滤波后，信噪比会大大提高，周期性也会更加显著，失速前后所计算的相关系数的差别也会更明显，进而更有效地预测并监测失速先兆。

二、根据传感器测得的同步脉冲信号计算转子周期τ

如图2所示，由于前述同步脉冲信号是由放置在转子某一几何位置的传感器所测得的转子旋转一周的信号，所以其在时域图上形成一个一个脉冲的形式，相邻脉冲之间的时间差就是转子周期τ。

三、根据转子周期τ，计算经由SWT选带滤波后的脉冲压力信号在相邻周期的互相关系数

为了得到不同状态下脉冲压力变化的准确计算，设压气机管壁静压信号为P(t)。如前所述，由于压气机的转子周期为τ，那么P(t-τ)即为同一传感器测得的前一转子周期静压信号，P_av是静压信号P(t)的平均值。比较脉冲压力信号的一个转子周期与该信号前一个转子周期的相关性，并计算其互相关系数：

$R=\frac{\∫(P\left(t\right)-P_{\mathrm{av},n})(P(t-\mathrm{\τ})-P_{\mathrm{av},n-1})\mathrm{dt}}{\sqrt{{\∫(P\left(t\right)-P_{\mathrm{av},n})}^2\mathrm{dt}}\sqrt{\∫{(P(t-\mathrm{\τ})-P_{\mathrm{av},n-1})}^2\mathrm{dt}}}$

在压气机工作过程中，不断地计算相邻周期之间的互相关系数，可以得到互相关系数图。正如下面将要说明的一样，该互相关系数图可以有效地作为失速警告的指标。

为验证本实施方法，以下取三组不同的实验数据进行仿真，其中：图3、图4是用普通的正弦信号进行验证，图5、图6是在第一组信号基础上加了白噪声干扰进行验证，图7至图9中是对某型号压气机在突尖波类型失稳实验中的实际数据用于分析。以上三组信号的验证结果表明，本专利方法在检测失速先兆中的有效性。

图3是一组正弦信号sin(t)的时域图，其中t为0～160S，采样率是32Hz；图4是利用图3中的信号获得的互相关系数图。从图4可以看出，互相关系数值在0.965和1之间，说明在没有任何干扰的情况下，同组信号相邻周期的信号间的互相关性非常高。

图5中的信号是在图3信号的基础上添加一组随机信号得到的，图6示出了对本组信号进行互相关系数分析的结果。由图6可以看出，在含有随机噪声的情况下，互相关系数值依然在0.96和1之间，说明即使加入了噪声干扰，计算的结果也不会产生太大的影响，即同组信号相邻周期的信号相关性高。

图7至图9是采用一组现场信号及其对应的验证结果的图示。这组数据包括5个通道，通道1为时间，通道2为同步信号，通道3～5分别是安装在压气机的第一级套管壁的传感器测得的脉动压力信号。

从图7～9的时域图可以看出，压气机在7S之后出现脉动压力下降的特征，说明压气机开始进入失速；而图7～9的互相关系数趋势图可以看出通道3～5在时间0～7S时相关系数比较稳定，并且维持在0.6～0.9之间，说明这段时间同组信号间的相关性很高，压气机处在相对稳定的状态。互相关系数趋势图在7S之后出现互相关系数下降，其数值很不稳定，说明这段时间同组信号间的相关性很差，信号开始进入失速阶段，但在进入失速阶段前从相关系数图看出有0.2～0.3S的缓慢下降时间，预测失速效果很好。

由图7～9可以看出，相关系数从稳定到下降再到不稳定的趋势很明显。实验结果证明，使用平稳小波变换与相关系数相结合的方法识别轴流压气机失速先兆是有效的，能够准确检测出失速的发生。

综上所述，相关系数可以作为一个独特的失速预警特征参量，如果能够在失速前很好的监测到相关系数的下降，甚至在线地计算每组数据并分析相关系数的变化，那么对于预警失速将会有非常重要的意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种轴流式压气机的失速先兆识别方法，其特征是包括以下步骤：

1)获取所述压气机的脉冲压力信号；

2)对所述脉冲压力信号进行平稳小波变换选带滤波，并据此计算压气机的转子周期；

3)计算相邻转子周期的所述脉冲压力信号的互相关系数R：

$R=\frac{\∫\left(P\right(t)-P_{av,n})\left(P\right(t-\mathrm{\τ})-P_{av,n-1})dt}{\sqrt{\∫{\left(P\right(t)-P_{av,n})}^{2}dt}\sqrt{\∫{\left(P\right(t-\mathrm{\τ})-P_{av,n-1})}^{2}dt}}$

其中，P(t)是压气机的管壁静压信号，τ是转子周期，P(t-τ)是前一转子周期静压信号，P_av是静压信号P(t)的平均值；

4)当所述互相关系数在压气机工作中下降时，预测失速的发生。

2.根据权利要求1所述的轴流式压气机的失速先兆识别方法，其特征是，步骤1中通过设置在压气机内的多个传感器分别检测脉冲压力信号。

3.根据权利要求2所述的轴流式压气机的失速先兆识别方法，其特征是，所述多个传感器设置在所述压气机的第一级套管壁上。

4.根据权利要求1所述的轴流式压气机的失速先兆识别方法，其特征是，所述转子周期取相邻两个所述脉冲压力信号之间的时间差。