CN105298889B - 一种压气机喘振的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种压气机喘振的检测方法，包括持续采集压气机动态压力信号，连续计算傅里叶变换分析窗口内的动态压力信号功率谱，计算当前傅里叶变换分析窗口内信号的功率谱P_k与前一个傅里叶变换分析窗口内信号的功率谱P_k‑1的相关系数ρ，通过相关系数与检测阈值进行比较，判断压气机是否喘振。本发明以2个分析窗口内信号的功率谱的相关系数为检测特征参数，具有不需键相信号，计算速度快，可实时在线检测的特点。

Description

一种压气机喘振的检测方法

技术领域

本发明涉及叶轮机械防喘振技术领域，具体为一种压气机喘振的检测方法。

背景技术

喘振不仅降低了叶轮机械的性能，而且带来强烈的振动，可能引起结构的破坏而造成重大事故的发生。喘振表现为流量和压力沿轴线方向的振荡。压力较其它参数容易测量而且对气动失稳现象反应敏感，因此喘振检测通常采用压气机出口总压或者壁面静压作为输入信号。通过对动态压力特征的提取来判断压气机是否进入喘振状态。

现有采用信号时域相关的方法，计算本转子周期与上一转子周期采集的动态压力信号的相关系数。当压气机处于稳定工作状态时，相关系数接近于1，表示两个相邻转子周期内的压力波形是相似的；当压气机接近或处于喘振状态是，相关系数急剧下降，表示两个相邻转子周期内的压力波形相似性降低。因此设置一个相关系数的阈值，当相关系数低于该阈值时，判定为压气机进入喘振状态，发出报警信号。此方法，可以快速检测到压气机喘振现象，但存在以下问题：(1)要求很高的采样率；(2)要求准确的键相信号，用于相邻转子周期的信号对齐和整周期采样；(3)容易受到信号干扰的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种压气机喘振的检测方法。该方法可以结合动态压力信号功率谱分析和相关分析，无须键相信号，计算速度快，可实现实时在线检测。

本发明的技术方案为：

所述一种压气机喘振的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：持续采集压气机动态压力信号，其中动态压力信号采样率Fs大于压气机最大转子频率Rmax的20倍；

步骤2：连续计算傅里叶变换分析窗口内的动态压力信号功率谱：对于当前检测周期，截取最新采集的N点动态压力信号为当前傅里叶变换分析窗口，傅里叶变换分析窗口长度N取2的整数幂次，且至少包含一个转子周期的信号，当前傅里叶变换分析窗口的动态压力信号功率谱P_k通过以下公式得到：

$X_N\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(n\right)e^{-jn\mathrm{\ω}},P_k=\frac{1}{N}|X_N\left(\mathrm{\ω}\right){|}^2$

其中x(n)表示当前傅里叶变换分析窗口内的动态压力信号，ω为角频率；

步骤3：计算当前傅里叶变换分析窗口内信号的功率谱P_k与前一个傅里叶变换分析窗口内信号的功率谱P_k-1的相关系数ρ：

$\mathrm{\ρ}=\frac{\underset{j=1}{\overset{N/2}{\Σ}}{P}_{k-1}\left(j\right)P_k\left(j\right)}{\sqrt{\underset{j=1}{\overset{N/2}{\Σ}}{P}_{k-1}^2\left(j\right)\underset{j=1}{\overset{N/2}{\Σ}}{P}_k^2\left(j\right)}}$

其中P_k(j)表示功率谱P_k中第j个谱线幅值，P_k-1(j)表示功率谱P_k-1中第j个谱线幅值；

步骤4：若相关系数ρ＜ρ_th，则判断为喘振，发出报警信号，否则，判断为压气机稳定工作，返回步骤2，进行下一检测周期检测；其中ρ_th为检测门限。

进一步的优选方案，所述一种压气机喘振的检测方法，其特征在于：检测门限ρ_th取0.85～0.95。

有益效果

本发明提出的一种压气机喘振检测方法。具有以下特点：(1)融合了谱分析和相关分析方法；(2)不需要键相信号；(3)动态压力信号的采样率为转子频率的20倍以上即可，不需要过高的采样率；(4)可以准确可靠地快速检测出压气机喘振现象。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：本发明的检测方法原理图；

图2：压气机出口总压动态信号及检测结果；

图3：压气机出口总压动态信号及检测结果局部放大图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例中的压气机喘振的检测方法，包括以下步骤：

步骤1：持续采集压气机动态压力信号，其中动态压力信号采样率Fs大于压气机最大转子频率Rmax的20倍，典型值取30倍，本实施例中动态压力信号采样率Fs＝10kHz。

步骤2：连续计算傅里叶变换分析窗口内的动态压力信号功率谱：

对于当前检测周期(检测周期ΔT略大于检测算法一个周期计算耗时，典型值取0.005s)，截取最新采集的N点动态压力信号为当前傅里叶变换分析窗口，傅里叶变换分析窗口长度N取2的整数幂次，且至少包含一个转子周期的信号，即N≥Fs/Rmax，典型值取N＝2048，即图1中T＝0.2048s。当前傅里叶变换分析窗口的动态压力信号功率谱P_k(取单边谱)通过以下公式得到：

$X_N\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(n\right)e^{-jn\mathrm{\ω}},P_k=\frac{1}{N}|X_N\left(\mathrm{\ω}\right){|}^2$

其中x(n)表示当前傅里叶变换分析窗口内的动态压力信号，即图1中t₀-T～t₀窗口内的信号，t₀为当前时刻，ω为角频率。

步骤3：计算当前傅里叶变换分析窗口内信号的功率谱P_k与前一个傅里叶变换分析窗口内信号的功率谱P_k-1的相关系数ρ：

$\mathrm{\ρ}=\frac{\underset{j=1}{\overset{N/2}{\Σ}}{P}_{k-1}\left(j\right)P_k\left(j\right)}{\sqrt{\underset{j=1}{\overset{N/2}{\Σ}}{P}_{k-1}^2\left(j\right)\underset{j=1}{\overset{N/2}{\Σ}}{P}_k^2\left(j\right)}}$

其中P_k(j)表示功率谱P_k中第j个谱线幅值，P_k-1(j)表示功率谱P_k-1中第j个谱线幅值。如图1所示，P_k-1为其中t₀-△T-T～t₀-△T窗口内信号的功率谱。

步骤4：若相关系数ρ＜ρ_th，则判断为喘振，发出报警信号，否则，判断为压气机稳定工作，返回步骤2，进行下一检测周期检测；其中ρ_th为检测门限，通过大量历史试验数据得到其典型值取0.85～0.95，本实施例中取0.95。

检测结果见图2和图3。以出口总压急剧下降的起始时刻为开始进入喘振的时刻(即图3中9.684s时刻)，则可在其之后0.006s发出喘振报警信号(即图3中9.69时刻)。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种压气机喘振的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：持续采集压气机动态压力信号，其中动态压力信号采样率Fs大于压气机最大转子频率Rmax的20倍；

步骤2：连续计算傅里叶变换分析窗口内的动态压力信号功率谱：对于当前检测周期，截取最新采集的N点动态压力信号为当前傅里叶变换分析窗口，傅里叶变换分析窗口长度N取2的整数幂次，且至少包含一个转子周期的信号，当前傅里叶变换分析窗口的动态压力信号功率谱P_k通过以下公式得到：

$X_N\left(\mathrm{\ω}\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(n\right)e^{-jn\mathrm{\ω}},P_k=\frac{1}{N}|X_N\left(\mathrm{\ω}\right){|}^2$

其中x(n)表示当前傅里叶变换分析窗口内的动态压力信号，ω为角频率；

步骤3：计算当前傅里叶变换分析窗口内信号的功率谱P_k与前一个傅里叶变换分析窗口内信号的功率谱P_k-1的相关系数ρ：

$\mathrm{\ρ}=\frac{\underset{j=1}{\overset{N/2}{\Σ}}{P}_{k-1}\left(j\right)P_k\left(j\right)}{\sqrt{\underset{j=1}{\overset{N/2}{\Σ}}{P}_{k-1}^2\left(j\right)\underset{j=1}{\overset{N/2}{\Σ}}{P}_k^2\left(j\right)}}$

其中P_k(j)表示功率谱P_k中第j个谱线幅值，P_k-1(j)表示功率谱P_k-1中第j个谱线幅值；

步骤4：若相关系数ρ＜ρ_th，则判断为喘振，发出报警信号，否则，判断为压气机稳定工作，返回步骤2，进行下一检测周期检测；其中ρ_th为检测门限。

2.根据权利要求1所述一种压气机喘振的检测方法，其特征在于：检测门限ρ_th取0.85～0.95。