CN110005628B - 基于异位方差分析的压气机气动失稳在线辨识方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于异位方差分析的压气机气动失稳在线辨识方法，该方法包括以下步骤：(1)在压气机出口机匣周向选取两个测点，并在两个测点分别布置动态压力传感器，获取压气机出口机匣内壁面动态静压，并将获得的动态静压信号转换为电信号；(2)通过压力信号采集卡获取两个动态压力传感器的电信号，将电信号转换为数字信号；(3)计算机获得数字信号后，将其转换为压力信号，进行异位方差分析，获得两个测点在时间窗口T内的若干个异位方差；(4)根据异位方差自身大小的变化值，判断压气机是否失稳及失稳类型。本发明根据异位方差值的不同判断压气机是否即将进入或者已经进入旋转失速或者喘振状态，方便采取针对性的措施。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于监测航空发动机压气机内部气动流动状态的方法和系统，属航空系统技术领域。
背景技术
压气机是航空发动机的一个重要部件，在使用过程中，正常情况下是处于稳定工作状态，但是在某些特定情况(如飞机进行机动飞行、大攻角起飞、导弹发射等)会进入气动失稳状态，出现旋转失速和喘振，导致航空发动机推力大幅下降，同时由于内部气流处于强烈的周期性非定常扰动状态，对发动机的结构会产生很大破坏。因此，在完成压气机设计后，需要开展压气机实验，确定压气机的原始可用稳定裕度。在进行该项实验时，需要将压气机出口管道的阀门逐渐关闭，降低通过压气机的气流流量，最终获得压气机不同转速下的稳定边界。在获取稳定边界的过程中，就是压气机工作点逐渐由稳定状态向不稳定状态逼近的过程，不可避免的在最后一次阀门调节后，压气机会突然进入旋转失速和喘振状态，这个状态就是第一个失稳点，其上一个阀门位置对应的工作点就是稳定边界点，不同转速的稳定边界点连成的线就是稳定边界线。
压气机由稳定状态进入不稳定状态的过程中，气动参数会发生变化。对于某些压气机，会出现模态波或者突尖波等特征扰动信号，有些压气机则观察不到这些扰动信号，而是突然进入旋转失速和喘振状态，没有任何先兆。为防止在实验过程中不知道压气机是否已经失稳，而导致压气机较长时间处于旋转失速或者喘振状态，轻则降低寿命，重则实验件损坏、报废。为此，必须发展一种压气机气动失稳在线辨识算法和相应的系统，便于在实验过程中使用，在线预测压气机是否即将失稳或者已经进入失稳状态，以便操作人员快速、合理的操作，将压气机退出旋转失速或者喘振状态。
现有的压气机气动失稳在线辨识方法均是针对单个动态压力信号，在实验过程中无法判断压气机即将进入或者刚刚进入的气动失稳状态是旋转失速还是喘振，而由于旋转失速和喘振的流动状态存在显著差异，对于退出压气机失稳状态的要求也存在差异，往往会出现判断不及时或者操作不正确导致压气机进入旋转失速和喘振的完全发展状态、甚至是较长时间处于旋转失速和喘振的状态，极大影响了实验件的安全，因此有必要进行发展出一种新的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于异位方差分析的压气机气动失稳在线辨识方法及系统，以解决现有技术中存在的现有的压气机气动失稳在线辨识方法均是针对单个动态压力信号，在实验过程中无法判断压气机即将进入或者刚刚进入的气动失稳状态是旋转失速还是喘振的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于异位方差分析的压气机气动失稳在线辨识方法，包括以下步骤：
(1)在压气机出口机匣周向选取两个测点，并在两个测点分别布置动态压力传感器，获取压气机出口机匣内壁面动态静压，并将获得的动态静压信号转换为电信号；
(2)通过压力信号采集卡获取两个动态压力传感器的电信号，将电信号转换为数字信号；
(3)计算机获得数字信号后，将其转换为压力信号，进行异位方差分析，获得两个测点在时间窗口T内的若干个异位方差σ1 2和σ2 2；
(4)根据异位方差σ1 2和σ2 2自身大小的变化值，判断压气机是否失稳及失稳类型。
所述步骤(1)中，两个测点位于压气机出口机匣的同一轴向的不同周向，相隔90度或者180度。
所述步骤(3)中，以时间T为一个分析窗口，利用公式(1)和(2)获得异位方差：
其中，
N是数据点的个数，T为采集这些数据点所需要的时间，x和y分别是第1、2号测点的压力数据，下标i表示第i个数据点，i的取值是1至N。
所述步骤(4)中，若σ1 2与之前的σ1 2相比，差值在之前的σ1 2的2倍以上，或者若σ2 2与之前的σ2 2相比，差值在之前的σ2 2的2倍以上，则认为压气机进入失稳状态。
所述步骤(4)中，若σ1 2与σ2 2相比，差值在之前的σ1 2的200％以内，则认为压气机进入旋转失速状态；若σ1 2与σ2 2相比，差值在之前的σ1 2和σ2 2中的较小值的200％及以上，认为压气机进入喘振状态。
一种基于异位方差分析的压气机气动失稳在线辨识系统，包括两个动态压力传感器、压力信号采集卡、计算机；其中：
所述的两个动态压力传感器分别布置于压气机出口机匣的同一轴向的不同周向两个测点处，用于获取压气机出口机匣表面动态静压，并将获得的动态静压信号转换为电信号；
所述的压力信号采集卡与两个动态压力传感器相连，用于获取两个动态压力传感器的电信号，将电信号转换为数字信号，并将数字信号传输至计算机中；
所述的计算机用于从压力信号采集卡获得数字信号，将其转换为压力信号，进行异位方差分析。
所述的压力信号采集卡内置与计算机中，或者压力信号采集卡与计算机分别独立且相连。
有益效果：本发明的方法及系统用于压气机气动稳定性试验，在压气机出口机匣周向布置两个微型动态压力传感器，将传感器采集到的压力信号转换为数字信号，中央处理器根据两个动态压力传感器采集到的压力波动值计算异位方差，根据异位方差值的不同可以判断压气机是否即将进入或者已经进入旋转失速或者喘振状态，便于研究人员采取特定的方式将压气机退出失稳状态。与现有技术相比，具有以下优点：
(1)采用了周向两个动态压力测点，实现了旋转失速和喘振状态的分类快速判断，以方便采取针对性的措施；
(2)算法简单，计算速度快，可以实现在线辨识，使压气机进入旋转失速和喘振的时间很短，降低实验风险；
(3)针对具有失稳先兆信号的压气机，可以在压气机尚未进入旋转失速和喘振时即发出警报。
附图说明
图1为高速压气机级出口周向两个测点异位方差分析结果；
图2为低速压气机级出口周向两个测点异位方差分析结果；
图3为本发明的压气机气动失稳在线辨识系统的示意图；
图4为本发明进行失稳在线辨识时测点的布置情况；
图5为压气机气动失稳实验时进行失稳在线辨识的流程；
图3和图4中，1-压气机出口机匣，2-轮毂，3-转子叶片，4-静子叶片，5-测点，6-轴，7-电机，8-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图3所示，本发明的一种基于异位方差分析的压气机气动失稳在线辨识系统，包括两个动态压力传感器、压力信号采集卡、计算机；其中：
两个动态压力传感器分别布置于压气机出口机匣1的同一轴向的不同周向两个测点5处，用于获取压气机出口机匣表面动态静压，并将获得的动态静压信号转换为电信号；其中，两个测点5位于压气机出口机匣1的同一轴向的不同周向，优选的，两个测点相隔90度或者180度。
压力信号采集卡与两个动态压力传感器相连，用于获取两个动态压力传感器的电信号，将电信号转换为数字信号，并将数字信号传输至计算机8中；
计算机8用于从压力信号采集卡获得数字信号，将其转换为压力信号，进行异位方差分析。
压力信号采集卡内置与计算机8中，或者压力信号采集卡与计算机8分别独立且相连。
如图5所示，本发明的一种基于异位方差分析的压气机气动失稳在线辨识方法，包括以下步骤：
(1)在压气机出口机匣周向选取两个测点，并在两个测点分别布置动态压力传感器，获取压气机出口机匣内壁面动态静压，并将获得的动态静压信号转换为电信号；其中，两个测点位于压气机出口机匣的同一轴向的不同周向，优选的，两个测点相隔90度或者180度；
(2)通过压力信号采集卡获取两个动态压力传感器的电信号，将电信号转换为数字信号；
(3)计算机获得数字信号后，将其转换为压力信号，进行异位方差分析，获得两个测点在时间窗口T内的若干个异位方差σ1 2和σ2 2；
常规的方差分析是对单独某个点进行自身的方差分析，判断信号是否在一段时间内出现了大的波动，利用小的时间窗，对一段时间内的信号进行分析，以判断压气机是否失稳。这种方法应用于压气机判稳时，无论压气机进入旋转失速还是喘振，方差分析的结果都是在某个时刻幅值出现突增，当超过某个阀值后，就可以认为压气机失稳，然而，却无法判断压气机是进入的旋转失速，还是进入的喘振状态。本发明根据压气机失稳后旋转失速和喘振流动状态的不同，提出了一种异位方差分析。利用周向布置的两个测点，对这两个测点获得的动态信号，以时间T为一个分析窗口，利用公式(1)和(2)获得异位方差：
其中：
N是数据点的个数，T为采集这些数据点所需要的时间，x和y分别是第1、2号测点的压力数据，下标i表示第i个数据点，i的取值是1至N。
(4)根据异位方差σ1 2和σ2 2自身大小的变化值，判断压气机是否失稳及失稳类型；
若σ1 2与之前的σ1 2相比，差值在之前的σ1 2的2倍以上，或者若σ2 2与之前的σ2 2相比，差值在之前的σ2 2的2倍以上，则认为压气机进入失稳状态；
其中，若σ1 2与σ2 2相比，差值在之前的σ1 2的200％以内，则认为压气机进入旋转失速状态；若σ1 2与σ2 2相比，差值在之前的σ1 2和σ2 2中的较小值的200％及以上，认为压气机进入喘振状态。
对于压气机失稳后进入喘振状态，由于喘振是一种周向均匀，低能团轴向来回震荡的流动状态，因此同一个轴向位置不同周向角的测点应该感受到近似相等的压力变化，因此σ1 2和σ2 2会有明显地差异，一般σ1 2近似等于零，而σ2 2会很大。而如果是旋转失速，由于两个测点是周向分布，而失速团是以一定的转速沿周向旋转，因此，σ1 2和σ2 2差别很小。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例
(1)电机带动压气机旋转，调节压气机流量，逐渐将压气机工作点向稳定边界；
(2)两个动态压力传感器布置在压气机出口机匣，获取出口机匣表面动态静压，将压力信号转换为电信号；
(3)动态压力传感器连接至压力信号采集卡，将电信号转换为数字信号；
(4)计算机获得数字信号后，将其转换为压力信号，以10个转子周期采集的数据作为时间窗口、0.5个转子周期作为滑移窗口，进行异位方差分析，获得σ1 2和σ2 2随采集时间的变化情况；
(5)若σ1 2与之前的σ1 2相比，差值在之前的σ1 2的2倍以上，或者若σ2 2与之前的σ2 2相比，差值在之前的σ2 2的2倍以上，则认为压气机进入失稳状态；
(6)若σ1 2与σ2 2相比，差值在之前的σ1 2的200％以内，则认为压气机进入旋转失速状态；若σ1 2与σ2 2相比，差值在之前的σ1 2和σ2 2中的较小值的200％及以上，认为压气机进入喘振状态。
(7)判断出压气机进入旋转失速或者喘振后，需要快速打开阀门，减小电机功率；
(8)由于压气机的旋转失速多数是突变式，从旋转失速状态恢复至稳定状态存在一个滞后环，即阀门需要打开较大程度，压气机才会退出旋转失速状态，所以，一旦判断压气机进入旋转失速，需要尽可能将压气机出口阀门快速调节至全打开状态。
图1给出了本发明的一个实施例中，某高速压气机出口静压周向两个测点异位方差分析结果，可以看出σ1 2与σ2 2相比，在压气机没有失稳时，基本重合，约等于零，在5.38S时刻以后，两个值都开始增大，但是σ1 2比σ2 2小了很多，在5.74S时，σ1 2等于355，σ2 2等于21715，后者是前者的61倍。根据这两个值的明显差异，就可以判断出，压气机进入的是喘振状态。
在本发明的另一个实施例中，某低速轴流压气机失稳后进入了旋转失速状态，在压气机出口周向布置了2个测点，测点的周向角分别是0度和180度。对测点1和测点2进行了异位方差分析，结果如图2所示。可以看出σ1 2和σ2 2的值相差不大，按照10000作为判稳阀值，σ1 2可以更早的判断出压气机失稳，压气机在8.16S时刻失稳，进入旋转失速，此时σ1 2等于10157，σ2 2等于5974，前者比后者大了74％。
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 (6)
1.一种基于异位方差分析的压气机气动失稳在线辨识方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在压气机出口机匣周向选取两个测点，并在两个测点分别布置动态压力传感器，获取压气机出口机匣内壁面动态静压，并将获得的动态静压信号转换为电信号；
(2)通过压力信号采集卡获取两个动态压力传感器的电信号，将电信号转换为数字信号；
(3)计算机获得数字信号后，将其转换为压力信号，进行异位方差分析，获得两个测点在时间窗口T内的若干个异位方差σ1 2和σ2 2；以时间T为一个分析窗口，利用公式(1)和(2)获得异位方差：
其中，
N是数据点的个数，T为采集这些数据点所需要的时间，x和y分别是第1、2号测点的压力数据，下标i表示第i个数据点，i的取值是1至N；
(4)根据异位方差σ1 2和σ2 2自身大小的变化值，判断压气机是否失稳及失稳类型。
2.根据权利要求1所述的基于异位方差分析的压气机气动失稳在线辨识方法，其特征在于：所述步骤(1)中，两个测点位于压气机出口机匣的同一轴向的不同周向，相隔90度或者180度。
3.根据权利要求1所述的基于异位方差分析的压气机气动失稳在线辨识方法，其特征在于：所述步骤(4)中，若σ1 2与之前的σ1 2相比，差值在之前的σ1 2的2倍以上，或者若σ2 2与之前的σ2 2相比，差值在之前的σ2 2的2倍以上，则认为压气机进入失稳状态。
4.根据权利要求3所述的基于异位方差分析的压气机气动失稳在线辨识方法，其特征在于：所述步骤(4)中，若σ1 2与σ2 2相比，差值在之前的σ1 2的200％以内，则认为压气机进入旋转失速状态；若σ1 2与σ2 2相比，差值在之前的σ1 2和σ2 2中的较小值的200％及以上，认为压气机进入喘振状态。
5.一种基于权利要求1所述方法的压气机气动失稳在线辨识系统，其特征在于：包括两个动态压力传感器、压力信号采集卡、计算机；其中：
所述的两个动态压力传感器分别布置于压气机出口机匣的同一轴向的不同周向两个测点处，用于获取压气机出口机匣表面动态静压，并将获得的动态静压信号转换为电信号；
所述的压力信号采集卡与两个动态压力传感器相连，用于获取两个动态压力传感器的电信号，将电信号转换为数字信号，并将数字信号传输至计算机中；
所述的计算机用于从压力信号采集卡获得数字信号，将其转换为压力信号，进行异位方差分析。
6.根据权利要求5所述的压气机气动失稳在线辨识系统，其特征在于：所述的压力信号采集卡内置于 计算机中，或者压力信号采集卡与计算机分别独立且相连。
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