CN109406155A - 基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发动机状态监测技术领域，公开了基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测装置及方法，包括设于旋转爆震发动机外壁的若干个加速度传感器，通过对振动信号的时域和频域分析，实现对发动机内部爆震波状态的识别和监测，方法简单易行，加速度传感器响应快，信号处理的计算量小，判读方便，具有良好的应用前景。

Description

基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测装置及方法

技术领域

本发明涉及发动机状态监测技术领域，尤其是涉及基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测装置及方法。

背景技术

旋转爆震作为一种新型燃烧组织技术，在火力发电和动力推进领域具有良好的应用前景，在国内外引起了广泛关注和研究。爆震，区别于传统发动机所采取的等压燃烧形式(如布莱顿循环等)，具有更高的热力循环效率和能量释放率，是一种增压燃烧(PressureGainCombustion,PGC)。

爆震发动机主要分两种，即脉冲爆震发动机(PDE)和旋转爆震发动机(RDE)。脉冲爆震发动机一般采用间歇性多次点火的工作方式，燃料进入燃烧室后起爆产生爆震波，待爆震波向发动机出口传播，燃烧室压力降低后进行燃料的二次喷注和再起爆。采用这种工作方式的脉冲发动机工作频率一般低于100Hz。与脉冲爆震发动机不同，旋转爆震发动机只需一次点火，爆震波便可在燃烧室内自持传播，工作频率>1000Hz,接近连续爆震的要求。

目前对旋转爆震发动机的监测主要通过高频动态压力传感器和火焰离子探针进行，两者均采用嵌入式安装的方法对发动机内部的压力和火焰信号进行测量。高频动态压力传感器可以清晰地捕捉到爆震波经过时的压力脉动信号幅值以及起爆时间等，对其进行频谱分析可以得到爆震波在发动机内的传播频率和传播模态；火焰离子探针利用燃烧过程中化学反应产生带电离子的原理能够判断探针附近是否有火焰经过。将火焰离子探针与高频动态压力传感器的测量结果相结合，可以判断出压力波与火焰是否耦合或已经解耦，进而判断爆震波是否处于稳定传播状态。但是，高频动态压力传感器不耐高温，只能用于短时的旋转爆震测试，即使采用水冷装置也只能耐受700-800K左右的温度，与爆震发动机内1800-2000K的温度相去甚远，而单独的火焰离子探针虽然具备在高温下工作较长时间的能力，但是其并不能表征爆震波强度等信息，即使在测得高频信号的情况下也容易混淆爆震与爆燃。为此，人们开始尝试采用声测量等非接触式测量方法，但声传感器的布置点通常距离发动机较远，声传播距离长了之后，主要特征信号容易衰减和受到其它声源的干扰。这种情况下就需要一种新的测量手段对爆震发动机的状态进行监测。

发明内容

本发明的第一目的在于提供基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测装置，避开了旋转爆震发动机内部的高温影响，同时缩短了加速度传感器与信号源的距离，提高了检测精度。

基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测装置，包括设于旋转爆震发动机外壁的若干个加速度传感器。

通过采用上述技术方案，通过在旋转爆震发动机特定位置安装加速度传感器，进而通过对振动信号的时域和频域分析，实现对发动机内部爆震波状态的识别和监测，避开了旋转爆震发动机内部的高温影响，同时缩短了加速度传感器与信号源的距离，提高了检测精度。

在一些实施方式中，所述加速度传感器通过安装座安装于所述爆震发动机外壁，所述安装座上设有磁铁，所述安装座上开设有传感器安装螺纹孔。

通过采用上述技术方案，可根旋转爆震发动机的几何结构和测量目的灵活布置加速度传感器。

在一些实施方式中，包括至少两个所述加速度传感器，且所述加速度传感器位于爆震发动机同一周向角度的不同轴向位置上，或位于爆震发动机同一轴向位置的不同角度上。

通过采用上述技术方案，将加速度传感器安装于爆震发动机同一轴向位置的不同角度上，以监测爆震波传播模态；将加速度传感器安装于爆震发动机同一周向角度的不同轴向位置上，以估算爆震波各参数。

本发明的第二目的在于提供基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测方法，实现对发动机内部爆震波状态的识别和监测。

基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测方法，包括以下步骤：

S1：选择响应频率>10kHZ、最大加速度≥1000g的加速度传感器；

S2：选择加速度传感器安装位置；

S3：对加速度传感器测得的信号进行频谱分析和时频分析。

通过采用上述技术方案，监测方法简单易行，传感器响应快，信号处理的计算量小，判读方便。

在一些实施方式中，根据频谱中的主频计算爆震波的实际传播速度V，其公式为：

V＝πDf

其中，D为燃烧室外径，f为主频；

将实际传播速度V与理论传播速度V'比较，若实际传播速度V≥60％理论传播速度V'，则认定为发生了爆震，否则为爆燃。

通过采用上述技术方案，对振动信号进行频谱分析，将实际传播速度与理论理论传播进行比较，判定是否发生了爆震。

在一些实施方式中，对于时域信号，若信号为稳定的周期性脉冲尖峰信号，则表示爆震波为稳定状态，若脉冲尖峰信号沿着时间轴出现大幅衰减或间断则表示爆震波不稳定；

对于时频域，若主频随时间基本不变，则表示爆震波为稳定状态，若主频随时间来回变化则说明爆震波不稳定。

通过采用上述技术方案，对振动信号进行时频分析，看工作时间内是否存在频率突变或间断，用于判断爆震波是否稳定。

在一些实施方式中，S2中，将加速度传感器安装于爆震发动机同一轴向位置的不同角度上，以监测爆震波传播模态。

通过采用上述技术方案，监测方法简单易行，传感器响应快，信号处理的计算量小，判读方便。

在一些实施方式中，当主频为单一频率且谐波频率谱峰较低时为单波，当主频为两倍频且两倍频谱峰高于一倍频时即为双波。

通过采用上述技术方案，监测方法简单易行，判读方便。

在一些实施方式中，S2中，将加速度传感器安装于爆震发动机同一周向角度的不同轴向位置上，以估算爆震波的高度。

通过采用上述技术方案，监测方法简单易行，传感器响应快，信号处理的计算量小，判读方便。

在一些实施方式中，估算爆震波的高度的方法为：

获取爆震波经过时同一时刻不同轴向位置上的振动幅值，设第一个峰值的位置为a，振动幅值第一次出现大幅衰减的位置为b,则ab的距离即为爆震波的高度。

通过采用上述技术方案，监测方法简单易行，判读方便。

综上所述，本发明的有益技术效果为：

1.通过在旋转爆震发动机外壁安装加速度传感器，对振动信号的时域和频域分析，实现对发动机内部爆震波状态的识别和监测，方法简单易行，加速度传感器响应快，信号处理的计算量小，判读方便，具有良好的应用前景；

2.加速度传感器采用磁吸式安装方式，可根旋转爆震发动机的几何结构和测量目的灵活布置加速度传感器，方便安装；

3.加速度传感器安装位置处于发动机外壁面，既避开了内部的高温影响，又尽可能缩短了加速度传感器与信号源的距离，响应频率高，提高了检测精度。

附图说明

图1为旋转爆震发动机的结构示意图。

图2为发明提供的基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测装置中安装座的结构示意图。

图3为本发明实施例一提供的基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测装置的安装结构示意图。

图4为本发明实施例二提供的基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测装置的安装结构示意图。

图中:1、爆震发动机；2、加速度传感器；21、安装座；211、磁铁；212、传感器安装螺纹孔；3、供气段；4、燃烧室；5、点火装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明披露了基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测装置，如图1所示，包括设于旋转爆震发动机1外壁的若干个加速度传感器2。典型的旋转爆震发动机包括供气段3和与供气段3连通的环形的燃烧室4，燃烧室4连接有点火装置5，供气段3提供所需燃料和氧化剂，点火装置5用于初始爆震波起爆，而混合物在燃烧室4中反应维持爆震波传播和发动机工作。由爆震波产生的周期性振动将由环形的燃烧室6向其它结构传递，其中燃烧室4外壁是最靠近爆震波的结构，所以将加速度传感器2安装在燃烧室4外壁上有利于降低其它振动源的干扰。

如图1和图2所示，加速度传感器2通过安装座21安装于爆震发动机1外壁，安装座21上设有磁铁211，且安装座21设有磁铁211的一侧为与爆震发动机1外壁相契合的弧面，安装座21上与弧面相背的一侧开设有传感器安装螺纹孔212，加速度传感器2旋接在传感器安装螺纹孔212内。加速度传感器2采用磁吸式安装方式，可根旋转爆震发动机的几何结构和测量目的灵活布置加速度传感器2，方便安装。

本发明还披露了基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测方法。

实施1

如图3所示，将加速度传感器2安装于爆震发动机1同一轴向位置的不同角度上，即在靠近爆震波头的燃烧室4截面上沿周向布置2个以上的加速度传感器2，以监测爆震波传播模态。在本发明此实施方式中以布置两个加速度传感器2为例加以说明。

基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测方法包括以下步骤：

S1：选择响应频率为20kHZ、最大加速度为1000g的加速度传感器2；

S2：靠近爆震波头的燃烧室4截面上沿周向布置2个加速度传感器2；

S3：对加速度传感器2测得的信号进行频谱分析和时频分析：

S31：根据频谱中的主频计算爆震波的实际传播速度V，其公式为：

V＝πDf

其中，D为燃烧室外径，f为主频；

将实际传播速度V与理论传播速度V'比较，若实际传播速度V≥60％理论传播速度V'，则认定为发生了爆震，否则为爆燃；对于时域信号，若信号为稳定的周期性脉冲尖峰信号，则表示爆震波为稳定状态，若脉冲尖峰信号沿着时间轴出现大幅衰减或间断则表示爆震波不稳定；对于时频域，若主频随时间基本不变，则表示爆震波为稳定状态，若主频随时间来回变化则说明爆震波不稳定；

S32：当主频为单一频率且谐波频率谱峰较低时为单波，当主频为两倍频且两倍频谱峰高于一倍频时即为双波。

实施例2

如图4所示，将加速度传感器2安装于爆震发动机1同一周向角度的不同轴向位置上，即沿着燃烧室4轴向方向上等距离布置若干个加速度传感器2，以进一步估算爆震波的高度。在本发明此实施方式中以布置两个加速度传感器2为例加以说明。

其估算爆震波各参数方法为：获取爆震波经过时同一时刻不同轴向位置上加速度传感器2的振动幅值，设第一个峰值的位置为a，振动幅值第一次出现大幅衰减的位置为b,则ab的距离即为爆震波的高度。

本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测装置，其特征在于，包括设于旋转爆震发动机(1)外壁的若干个加速度传感器(2)。

2.根据权利要求1所述的基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测装置，其特征在于，所述加速度传感器(2)通过安装座(21)安装于所述爆震发动机(1)外壁，所述安装座(21)上设有磁铁(211)，所述安装座(21)上开设有传感器安装螺纹孔(212)。

3.根据权利要求1所述的基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测装置，其特征在于，包括至少两个所述加速度传感器(2)，且所述加速度传感器(2)位于爆震发动机(1)同一周向角度的不同轴向位置上，或位于爆震发动机(1)同一轴向位置的不同角度上。

4.基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：选择响应频率>10kHZ、最大加速度≥1000g的加速度传感器(2)；

S2：选择加速度传感器(2)安装位置；

S3：对加速度传感器(2)测得的信号进行频谱分析和时频分析。

5.根据权利要求4所述的基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测方法，其特征在于，根据频谱中的主频计算爆震波的实际传播速度V，其公式为：

V＝πDf

其中，D为燃烧室外径，f为主频；

将实际传播速度V与理论传播速度V'比较，若实际传播速度V≥60％理论传播速度V'，则认定为发生了爆震，否则为爆燃。

6.根据权利要求5所述的基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测方法，其特征在于，

对于时域信号，若信号为稳定的周期性脉冲尖峰信号，则表示爆震波为稳定状态，若脉冲尖峰信号沿着时间轴出现大幅衰减或间断则表示爆震波不稳定；

对于时频域，若主频随时间基本不变，则表示爆震波为稳定状态，若主频随时间来回变化则说明爆震波不稳定。

7.根据权利要求5所述的基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测方法，其特征在于，S2中，将加速度传感器(2)安装于爆震发动机(1)同一轴向位置的不同角度上，以监测爆震波传播模态。

8.根据权利要求7所述的基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测方法，其特征在于，当主频为单一频率且谐波频率谱峰较低时为单波，当主频为两倍频且两倍频谱峰高于一倍频时即为双波。

9.根据权利要求4所述的基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测方法，其特征在于，S2中，将加速度传感器(2)安装于爆震发动机(1)同一周向角度的不同轴向位置上，以估算爆震波的高度。

10.根据权利要求9所述的基于振动信号的旋转爆震发动机状态监测方法，其特征在于，估算爆震波的高度的方法为：

获取爆震波经过时同一时刻不同轴向位置上的振动幅值，设第一个峰值的位置为a，振动幅值第一次出现大幅衰减的位置为b,则ab的距离即为爆震波的高度。