CN105222950A - 一种真假倍频压力脉动信号的区分方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真假倍频压力脉动信号的区分方法，其步骤为：查清水力机械设备的基本参数、测试压力脉动时的工况参数以及压力脉动的测量部位及测量分析方法；查找虚假倍频分量，对照压力脉动信号的波形和频谱曲线，排除各种锯齿波可能“捏造”出的虚假分量，根据倍频情况检查压力脉动波形是否会“捏造”出这些频率，列出疑似虚假倍频的频率清单；对照测量压力脉动波形的工况及水力机械设备自身的物理参数判断是否有物理因素会产生之前所列出的疑似虚假倍频分量，以确定这些倍频分量的真假。本发明有效去除了FFT“捏造”出的假倍频的影响，能更高效直接地保障机组运行的稳定安全，可以在旋转机械的振动、摆度等类似周期性信号分析领域中广泛应用。

Description

一种真假倍频压力脉动信号的区分方法

技术领域

本发明涉及一种倍频压力脉动信号区分方法，特别是关于一种基于频谱分析和时域曲线对比的真假倍频压力脉动信号的区分方法。

背景技术

在水电站、水泵站运行及水力机械试验研究中，经常为了解和检验其水力稳定性而测量其压力脉动和振动，看其幅值是否超标；分析频谱特性，发现其主要频率成分，看那些频率成分是主要影响因素，提出避振或减振措施，避免共振，降低压力脉动，减轻振动，确保运行稳定。在进行压力脉动和振动信号的频谱分析时，目前所采用的主要方法是快速傅里叶变换，简称FFT。在这一变换中，把2N个离散数据看作周期函数，用0～N-1阶的调谐波进行合成。在转换分析出各阶傅里叶系数之后，再根据其实部和虚部的大小计算出各阶调谐波的幅值及相位，完成对压力脉动信号的频谱分析。但是，压力脉动的信号很复杂，组成这些复杂信号的各阶分量多数不是调谐波，大量的是锯齿波，有对称型，也有缓升急降型，更有大量的呈现急升缓降型(如图1所示)。在涡带等空化空腔存在时，空腔在高压作用下的溃灭或收缩会非常迅速，压力上升非常快，故造成大量的压力脉动信号以急升缓降的方式呈现。

当利用FFT技术对前述锯齿波进行频谱分析时，其结果如图2所示。如果信号是频率为f的对称型三角波(又称锯齿波)，通过FFT分析的频谱由主频f和奇数倍倍频3f、5f、7f…(2i-1)f…等若干个调谐波合成(其中i为整数，i＝1，2，3，…)，其幅值依次减小(如图2.1所示)。如果锯齿波不对称，无论是缓升急降，还是急升缓降，分析的结果都是由锯齿波频率f(其幅值小于锯齿波幅值)的调谐波和2f、3f、4f…Nf…等频率(其幅值依次降低)的调谐波合成(如图2.2、图2.3所示)。

如图3所示，在实际的压力脉动和振动测量中，不仅存在如图1所示的锯齿波，还分析出了如图3.1和图3.2所示的分析结果：在分析出涡带等主频率的同时，还分析出了2倍、3倍等许多倍频成分，其分频幅值也依次降低。在国际电工委员会(IEC)和我国的全国水轮机标准化委员会制定的《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》国际标准(IEC60193：1999)和国家标准(GB/T15613.3-2008)中均引用了如图4所示的压力脉动波形及分析的频谱曲线，也存在类似的锯齿波及梯度降低倍频现象。尽管在两个标准中均没有指出倍频现象，但其引用的频谱曲线均存在所谓的倍频现象(如图4.1～图4.4所示)，并在标准中有如下一段表述(斜体)：“水轮机和水泵在转频乘以转轮或叶轮叶片数的频率(通常称之为叶片过流频率)下会产生激振。由于转轮叶片与活动导叶/固定导叶/蜗壳之间的相互作用，可产生了k倍于叶片过流频率的高频，k值对于水轮机而言通常为l到2，而对于水泵和水泵水轮机而言通常为1到4”，说明已关注到该问题。

在日常的学术交流中，也有部分专家提出了该问题，提醒关注该现象。也就是说，在得到这样的分析结果之后，很可能把这些2倍频、3倍频甚至4倍频、5倍频分量压力脉动信以为真，如果再去花很大的人力物力去查找其物理根源，则可能误入歧途，浪费大量的财力和时间的同时，还影响对真正压力脉动根源的查寻。因此，有必要发明一种方法，在利用FFT对压力脉动或振动信号进行频谱分析时，如在发现某频率有较大幅值分量的同时，还发现其有2倍、3倍甚至更多倍数频率的较突出分量，能利用该方法分辨出这些倍频分量的真假。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种真假倍频压力脉动信号的区分方法，该方法有效去除了FFT“捏造”出的假倍频的影响，集中解决了真实频率分量带来的稳定性问题，能更高效直接地保障机组运行的稳定安全。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种真假倍频压力脉动信号的区分方法，其特征在于，所述区分方法步骤如下：1)查清水力机械设备的基本参数、测试压力脉动时的工况参数以及压力脉动的测量部位和测量分析方法；2)查找虚假倍频分量：对照压力脉动信号的波形和频谱曲线，排除各种锯齿波可能“捏造”出的虚假分量，根据倍频情况检查压力脉动波形是否会“捏造”出这些频率，列出疑似虚假倍频的频率清单；3)进一步证实倍频分量真假：对照测量压力脉动波形的工况及水力机械设备自身的物理参数判断是否有物理因素会产生所述步骤2)中所列出的疑似虚假倍频分量，以确定这些倍频分量的真假。

所述步骤1)中，所述水力机械设备的基本参数包括转轮叶片数Z、活动导叶数Z₀、固定导叶数Z_V；所述测试压力脉动时的工况参数主要是水轮机或水泵转速n和工频频率；所述压力脉动的测量分析方法包括采集频率、采集及分析点数。

所述步骤2)中，所述查找方法步骤如下：(1)查找存在倍数关系的频率成分，确定基频的频率值f及幅值，并进一步查清该基频的N倍频分量的频率及幅值；N为整数，N＝2、3……；(2)对存在两个以上倍频分量的压力脉动时域曲线进行比较分析，一是判断该曲线是否为锯齿波，如果是则还需要查清该曲线是标准型、急升缓降型还是急降缓升型；(3)如果FFT分析的频谱存在基频f和其奇数倍频成分，且各倍频分量的幅值依次降低，而偶数倍频成分基本不存在，分析的压力脉动时域曲线如呈比较标准的对称锯齿波，则判断奇数倍倍频分量为虚假倍频；(4)如果FFT分析的频谱存在基频f和多个N倍频成分，且各倍频分量的幅值依次降低，分析的压力脉动时域曲线如呈急升缓降、急降缓升或急升急降锯齿波，则基本判定各倍频分量为虚假倍频；(5)如果FFT分析的频谱存在基频f和多个N倍频成分，各倍频分量的幅值依次降低，分析的压力脉动时域曲线如呈急升缓降、急降缓升或急升急降锯齿波，且个别分量的幅值比其前一个倍频的幅值还高，或幅值没有依次降低，则需进一步判断该倍频是否是真实倍频。

所述步骤(1)中，所述倍频和基频的倍数只要能满足是基频的0.99～1.01整数倍就认为是倍频分量。

所述步骤3)中，所述倍频分量真假证实方法如下：(1)如果存在倍频成分的压力脉动的基频是旋转机械的转速频率，则检查该基频是否存在较低倍数的倍频分量的可能性；如果既存在某N倍频成分压力脉动的真实可能性，又同时在该倍频时其分频幅值A_N明显凸出，则认为该N倍频是真实倍频，其余均为虚假倍频；(2)如果存在幅值比较突出的高倍数整数倍频成分，且分频幅值大幅度高于依次降低规律所对应的幅值，则都应视为真实倍频。

所述步骤(1)中，所述明显凸出表现为A_N>(A_N-1+A_N+1)/2，或A_N>A_N-1，其中A_N、A_N-1、A_N+1分别为基频f的N倍、N-1倍、N+1倍频率对应的分频幅值。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在采用FFT方法分析出压力脉动或振动信号的频率特性并发现某频率分量及其倍频分量后，去伪存真，以消除FFT“捏造”出的假倍频的影响，集中解决真实频率分量带来的稳定性问题，更高效直接地保障机组运行的稳定安全。2、本发明基于对傅里叶变换自身缺陷―可能凭空捏造虚假倍频分量这一现象的科学认识，并结合对真实倍频和虚假倍频的特点分析，确定真实存在的倍频分量，剔除虚假倍频分量，达到了去伪存真之目的。3、本发明由于采用理论和实践相结合的方式，操作步骤简单易行。本发明应用于压力脉动测量分析中虚假倍频成分的辨别和剔除；还可以在旋转机械的振动、摆度等类似周期性信号分析领域中广泛应用。

附图说明

图1是常规涡带压力脉动波形示意图；

图2是各种锯齿波及FFT分析结果示意图；其中，图2.1是对称型锯齿波及FFT分析结果示意图；图2.2是缓升急降型锯齿波及FFT分析结果示意图；图2.3是急升缓降型锯齿波及FFT分析结果示意图；

图3是水轮机压力脉动曲线分析出的倍频状况示意图；其中，图3.1是某混流式水轮机模型压力脉动曲线示意图；图3.2是某混流式水轮机模型压力脉动曲线示意图；图3.3是贯流式水轮机模型在尾水管锥段4号测压点测量的压力脉动曲线及分析结果；图3.4是贯流式水轮机模型在尾水管锥段2号测压点测量的压力脉动曲线及分析结果；在图3.3及图3.4中，Max、Min分别指最大值和最小值，Pk-Pk是指“峰峰值”，即最大值和最小值之差，Ampl是FFT分析出的最大分量幅值，Max、Min、Pk-Pk和Ampl的单位均为kPa；

图4是IEC60193等标准引用的压力脉动曲线示意图；其中，图4.1是某水泵水轮机模型在水泵工况压力脉动示意图；图4.2是某混流式水轮机模型在部分负荷时压力脉动示意图；图4.3是某混流式水轮机模型在较高负荷时压力脉动示意图；图4.4是某混流式水轮机模型在满负荷时压力脉动示意图；表示尾水管锥管下游侧压力脉动，表示尾水管锥管上游侧压力脉动，表示蜗壳进口压力脉动；

图5是贯流式水轮机模型压力脉动分析的高倍频分量示意图，图中Max、Min分别指最大值和最小值，Pk-Pk是指“峰峰值”，即最大值和最小值之差，Ampl是FFT分析出的最大分量幅值，Max、Min、Pk-Pk和Ampl的单位均为kPa；图5.1和图5.2对应的测试工况不同，在图5.1中，转速频率f_n＝16.2375Hz，而图5.2中f_n＝15.339Hz。

具体实施方式

本发明提供一种真假倍频压力脉动信号的区分方法，该压力脉动信号包括倍频压力脉动信号和振动信号，本发明基于傅里叶变换特性的分析辨别模式，区分非调谐波和调谐波的不同特点，在查清FFT技术自身缺陷的基础上，将FFT分析出的频谱曲线和压力脉动时域曲线的详细分析相结合，发现因技术原因凭空捏造的假倍频分量，确定真实存在的倍频分量，去伪存真。

在本发明的方法中，提出了“虚假倍频”这一概念。之所以通过快速傅里叶变换(FFT)会凭空捏造出所谓的“虚假倍频”，其原因在于：(1)傅里叶变换采用调谐波组成的有限级数来组成离散的非调谐波波形时，只有虚拟出多阶倍频成分的调谐波才能组合出基础频率的非调谐波；(2)在水力机械测量的压力脉动信号中，许多是非调谐波，有比较对称的锯齿波，有急升缓降的锯齿波，也有急降缓升的锯齿波，还有急升急降的平顶或平底波等，都不是标准的调谐波。因此，在用快速傅里叶变换将这些非调谐信号转换成调谐波时，可能会“捏造”出一些不存在的所谓倍频信号。为分辨出压力脉动信号的真假倍频分量，查找出真正的倍频分量产生原因，而不致被假倍频引入歧途，有必要发明一种辨别FFT频谱分析真假倍频分量的方法。

区分真假压力脉动信号分析方法在对压力脉动信号进行快速傅里叶变换(FFT)并发现倍频分量后进行。也就是说，在分析的频谱曲线中，不仅发现了某一频率f的分量幅值比较突出，还发现了该频率的其它倍频成分(如2f、3f、4f等等)也比较突出，这些比较突出的倍频成分就是所谓的倍频分量。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明的真假倍频压力脉动信号的区分方法步骤如下：

1)查清水力机械设备的基本参数、测试压力脉动时的工况参数以及压力脉动的测量部位和测量分析方法；

其中，水力机械设备的基本参数包括转轮叶片数Z、活动导叶数Z₀、固定导叶数Z_V等几何参数；如测量的是贯流式水轮机，则还需查清其支墩数量。

测试压力脉动时的工况参数主要是水轮机或水泵转速n和工频频率等。

压力脉动的测量部位主要包括蜗壳进口、尾水管锥段、尾水管肘管及水轮机转轮进口等，而测量分析方法包括采集频率、采集及分析点数等。

2)查找虚假倍频分量，对照压力脉动信号的波形(指时域曲线)和频谱曲线，排除各种锯齿波可能“捏造”出的虚假分量，可根据倍频情况检查压力脉动波形是否会“捏造”出这些频率，列出疑似虚假倍频的频率清单。

其中，查找方法步骤如下：

(1)查找存在倍数关系的频率成分，确定基频的频率值f及幅值a，并进一步查清其2倍频、3倍频等N倍频分量的频率及幅值。需要注意的是，此处的基频不一定是主频(幅值最高的分量频率)，其它倍频和基频的倍数也不一定是非常严格的整数，只要能满足是基频的(0.99～1.01)N倍即可认为是倍频分量；N为整数，N＝2、3、4……。

(2)对存在两个以上倍频分量的压力脉动时域曲线进行比较分析，一是判断该曲线是否为锯齿波，如果是则还需要查清该曲线是对称型、急升缓降型还是急降缓升型。

(3)如果FFT分析的频谱存在基频f和基频f的奇数倍频成分，且各倍频分量的幅值依次降低，而偶数倍频成分基本不存在，分析的压力脉动时域曲线如呈比较标准的对称锯齿波，则判断出3f、5f、7f等奇数倍倍频分量为虚假倍频(如图4.4所示)；前述“基本不存在”是指偶数倍频成分的幅值为0或与周围其它杂波分量幅值差别很小；

(4)如果FFT分析的频谱存在基频f和2f、3f、4f等各倍频成分，且各倍频分量的幅值依次降低，分析的压力脉动时域曲线如呈急升缓降(如图3.1、图4.3所示)、急降缓升或急升急降(如图3.2中PP_401曲线所示)锯齿波，则可基本判定2f、3f、4f等倍频分量为虚假倍频。

(5)如果FFT分析的频谱存在基频f和2f、3f、4f等各倍频成分，各倍频分量的幅值依次降低，分析的压力脉动时域曲线如呈急升缓降、急降缓升或急升急降锯齿波，且个别分量的幅值比其前一个倍频的幅值还高(如图3.3所示，幅值最高的频率f＝16.3Hz，2f和3f的幅值都比较突出，但3f的幅值大于2f幅值)，或幅值没有依次降低(如图3.4所示，幅值最高的频率f＝16.3Hz，2f比f的幅值下降较多，但3f的幅值没有比2f幅值进一步降低)，则应进入步骤3)，进一步判断该倍频是否是真实倍频。

3)进一步证实倍频分量真假，对照测量压力脉动波形的工况及水力机械设备自身的物理参数判断是否有物理因素会产生步骤2)中所列出的疑似虚假倍频分量，以确定这些倍频分量的真假。其步骤为：

(1)如果存在倍频成分的压力脉动的基频是旋转机械的转速频率，则检查该基频是否存在较低倍数的倍频分量的可能性。

例如，叶片数较少的贯流式、轴流式水轮机的叶片频率，由轴承间隙不均匀引起的间隙压力脉动或摆动等，都存在产生低倍频真实压力脉动的可能性。

如既存在某(例如N，N为整数，N＝2，3，4，…)倍频成分压力脉动的真实可能性，又同时发现在Nf频率的分频幅值A_N明显凸出，通常表现为A_N>(A_N-1+A_N+1)/2，甚至A_N>A_N-1(此处A_N、A_N-1、A_N+1分别为基频f的N倍、N-1倍、N+1倍频率对应的分频幅值)，则可认为该N倍频是真实倍频，其余没有特殊变化(通常表现为A₁>A_N-1>A_N>A_N+1)且该倍频无明确物理意义的倍频分量均为虚假倍频。例如，在图3.3中的贯流式水轮机压力脉动曲线中，转速频率f_n＝16.3Hz，是幅值最高的频率，可视为基频；该水轮机转轮叶片数Z＝3，有可能形成实际的3f_n频率；如3f_n为虚假倍频，则1f_n、2f_n和3f_n所对应的倍频分量幅值之间应存在如下关系：A₁>A₂>A₃，但实际的3f_n幅值A₃比2f_n幅值A₂稍高，说明3f_n不是虚假倍频，2f_n是虚假倍频。

与其类似，图3.4和图3.3是同一工况，f_n同样是转速频率，是基频，2f_n和3f_n所对应的倍频分量幅值也比较突出，尽管不像图3.3那样A₃明显大于A₂，但仍存在A₃>(A₂+A₄)/2这一关系，符合前述“A_N>(A_N-1+A_N+1)/2”这一要求，说明3f_n是真实倍频，2f_n是虚假倍频。

(2)如果存在比较非常突出的高倍数整数倍频成分，且分频幅值大幅度高于依次降低规律所对应的幅值，甚至可能大于基频幅值，则不管该频率是否有明确的物理意义，该频率也可能高于叶片频率或其它有明确物理意义的频率，都应视为真实倍频。

例如，如图5.1所示的贯流式水轮机压力脉动曲线中，转速频率f_n＝16.2375Hz，是幅值第三高的频率，主频为16f_n，而其导叶数Z₀＝16，说明该频率是真实倍频。

在图5.2中，转速频率f_n＝15.338Hz，分析出的压力脉动主频为23f_n，尽管23并非叶片数(3)、导叶数(16)或支墩数(2)等有明确物理意义的整数，但由于FFT对非调谐波的虚拟倍频不可能在如此高的倍频突出出来，且23f_n的幅值远大于转速频率幅值，故认为该23f_n是转速频率的真实倍频。

上述各步骤中，由于本发明主要针对的是整数倍倍频成分的真假辨别。如存在非整数倍倍频成分的分量，不管其频率高低，也不管其幅值是否比基频高，都应视为真实倍频。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别内容进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种真假倍频压力脉动信号的区分方法，其特征在于，所述区分方法步骤如下：

1)查清水力机械设备的基本参数、测试压力脉动时的工况参数以及压力脉动的测量部位和测量分析方法；

2)查找虚假倍频分量：对照压力脉动信号的波形和频谱曲线，排除各种锯齿波可能“捏造”出的虚假分量，根据倍频情况检查压力脉动波形是否会“捏造”出这些频率，列出疑似虚假倍频的频率清单；

3)进一步证实倍频分量真假：对照测量压力脉动波形的工况及水力机械设备自身的物理参数判断是否有物理因素会产生所述步骤2)中所列出的疑似虚假倍频分量，以确定这些倍频分量的真假。

2.如权利要求1所述的一种真假倍频压力脉动信号的区分方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述水力机械设备的基本参数包括转轮叶片数Z、活动导叶数Z₀、固定导叶数Z_V；所述测试压力脉动时的工况参数主要是水轮机或水泵转速n和工频频率；所述压力脉动的测量分析方法包括采集频率、采集及分析点数。

3.如权利要求1或2所述的一种真假倍频压力脉动信号的区分方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述查找方法步骤如下：

(1)查找存在倍数关系的频率成分，确定基频的频率值f及幅值，并进一步查清该基频的N倍频分量的频率及幅值；N为整数，N＝2、3……；

(2)对存在两个以上倍频分量的压力脉动时域曲线进行比较分析，一是判断该曲线是否为锯齿波，如果是则还需要查清该曲线是标准型、急升缓降型还是急降缓升型；

(3)如果FFT分析的频谱存在基频f和其奇数倍频成分，且各倍频分量的幅值依次降低，而偶数倍频成分基本不存在，分析的压力脉动时域曲线如呈比较标准的对称锯齿波，则判断奇数倍倍频分量为虚假倍频；

(4)如果FFT分析的频谱存在基频f和多个N倍频成分，且各倍频分量的幅值依次降低，分析的压力脉动时域曲线如呈急升缓降、急降缓升或急升急降锯齿波，则基本判定各倍频分量为虚假倍频；

(5)如果FFT分析的频谱存在基频f和多个N倍频成分，各倍频分量的幅值依次降低，分析的压力脉动时域曲线如呈急升缓降、急降缓升或急升急降锯齿波，且个别分量的幅值比其前一个倍频的幅值还高，或幅值没有依次降低，则需进一步判断该倍频是否是真实倍频。

4.如权利要求3所述的一种真假倍频压力脉动信号的区分方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述倍频和基频的倍数只要能满足是基频的0.99～1.01整数倍就认为是倍频分量。

5.如权利要求1或2所述的一种真假倍频压力脉动信号的区分方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述倍频分量真假证实方法如下：

(1)如果存在倍频成分的压力脉动的基频是旋转机械的转速频率，则检查该基频是否存在较低倍数的倍频分量的可能性；如果既存在某N倍频成分压力脉动的真实可能性，又同时在该倍频时其分频幅值A_N明显凸出，则认为该N倍频是真实倍频，其余均为虚假倍频；

(2)如果存在幅值比较突出的高倍数整数倍频成分，且分频幅值大幅度高于依次降低规律所对应的幅值，则都应视为真实倍频。

6.如权利要求5所述的一种真假倍频压力脉动信号的区分方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述明显凸出表现为A_N>(A_N-1+A_N+1)/2，或A_N>A_N-1，其中A_N、A_N-1、A_N+1分别为基频f的N倍、N-1倍、N+1倍频率对应的分频幅值。