CN111140532A - 一种航空压气机转子叶片健康监测方法 - Google Patents

一种航空压气机转子叶片健康监测方法 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种畸变来流条件下航空压气机系统稳定性在线监测方法，在压气机机匣壁面周向均匀布置若干动态压力传感器，采集叶片压力信号，对每一动态压力传感器所采集的相邻两个转子周期的压力信号进行相似性分析,得到相似性系数SC；采用畸变度DC对压气机内流动的畸变程度进行量化评估；将若干所述动态压力传感器分别计算得到的SC进行平均，并将平均相似性系数SCall和畸变度DC相乘进行修正，得到压气机转子叶片整环的相似性系数的修正值SCf；设置一统计窗，统计在当前采样点之前一段时间内SCf的平均值SCT，建立SCT与压气机工作裕度之间一一对应的单调变化关系；从而通过SCT的值实时监控压气机工作状态。

Description

一种航空压气机转子叶片健康监测方法
技术领域
本公开涉及叶轮机的技术领域，尤其涉及一种畸变来流条件下航空压气机系统稳定性在线监测方法。
背景技术
现有的对压气机气动工作状态进行监测的技术中，通常是采用傅里叶分析以及小波分析的方法对压气机失速先兆波(包括模态波和突尖波)进行探测和捕捉。现有的实验结果表明，从失速先兆波的出现到压气机的完全失速状态，往往只有数个毫秒的时间，并且由于先兆波的空间分布特性，使其及其难以被准确捕捉，无法为压气机的稳定工作状态提供准确有效的判据。
在压气机的实际工作状态中，还经常会面临多种多样的工作状态，高速压气机内部的流动结构更加多变，导致高速压气机失速的因素也更加复杂多变，任何工况的改变都会导致压气机内流场发生相应的变化，这使得传统方法对失速先兆波的捕捉更加困难，极易产生误报。
发明内容
为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种畸变来流条件下航空压气机系统稳定性在线监测方法。
根据本公开的一个方面，一种畸变来流条件下航空压气机系统稳定性在线监测方法，包括以下步骤：
步骤一、在压气机机匣壁面周向均匀布置若干动态压力传感器，所述动态压力传感器实时采集压气机转子叶片的壁面压力信号；在压气机转子轴上安装一脉冲信号发生器，在每一个转子周期相同位置所述脉冲信号发生器发出脉冲信号，用于确定转子位置，相邻两次脉冲信号之间采集的动态压力信号即为一个转子周期的叶片压力信号；对每一所述动态压力传感器所采集的相邻两个转子周期的压力信号进行相似性分析，得到每个周向位置转子叶片信号的相似性系数SC，相似性分析计算公式如下：
Figure BDA0002354423970000021
其中，SCi(t)为t时刻的第i支动态压力采集信号的相似性系数SC的值，p(t)为t时刻的转子周期的叶片压力信号，p(t-T)为上一个转子周期的叶片信号，T为一个转子周期的时间，wnd为计算相似性系数Sc的一个窗口长度，将wnd设为与一个转子周期的时间相同，如此，SC(t)就反应了相邻两个转子周期整环叶片信号的相似性系数；
步骤二、利用若干所述动态压力传感器，实时测出压气机周向若干个位置的壁面静压分布情况，当压气机遇到进气畸变的工作条件，则会导致若干所述压力传感器测量的静压发生变化，采用畸变度DC对压气机内流动的畸变程度进行量化评估：
Figure BDA0002354423970000022
其中，P为动态压力传感器所测得的壁面静压，处理时每一动态压力传感器会将窗口长度wnd内所有测得的动态压力数据进行平均，得到该位置的壁面静压；Pmax为若干所述动态压力传感器中所测的最大静压值，Pmin为若干所述动态压力传感器传感器所测的最小静压值；
Figure BDA0002354423970000023
为若干所述动态压力传感器所测得的静压平均值；
步骤三、将若干所述动态压力传感器分别计算得到的相似性系数进行平均，得到SCall，并将平均相似性系数和畸变度相乘进行修正，得到压气机转子叶片整环的相似性系数的修正值SCf：
SCf=SCall·(1-DC)
步骤四、设置一统计窗，统计在当前采样点之前一段时间内SCf的平均值SCT，随着压气机逐渐靠近失速边界，工作裕度逐渐降低，压气机整环的相似性系数SCT会逐渐降低，建立SCT与压气机工作裕度之间一一对应的单调变化关系，从而通过SCT的值实时监控压气机工作状态，反应压气机的实时工作裕度，同时设置一个SCT的阈值，当SCT小于此阈值时，说明压气机工作裕度不足，从而触发预警信号。
根据本公开的至少一个实施方式，所述步骤一中，在压气机机匣壁面周向均匀布置4-10支动态压力传感器。
根据本公开的至少一个实施方式，所述步骤一中，在压气机机匣壁面周向均匀布置4支动态压力传感器。
根据本公开的至少一个实施方式，所述步骤一中，所述动态压力传感器设于转子叶片顶端四分之一弦长处，且根据需要调整在转子叶片顶端前缘到尾缘之间的任意位置。
根据本公开的至少一个实施方式，所述步骤一中，所述脉冲发生器为霍尔传感器、反射式光电传感器或接近开关的一种。
根据本公开的至少一个实施方式，所述步骤三中，运用畸变度对相似性系数进行修正，根据实际情况乘以相似系数的n次幂：SCf＝SCall·(1-DC)n。
根据本公开的至少一个实施方式，所述步骤四中，所述统计窗时长取0.1秒-0.5秒。
根据本公开的至少一个实施方式，所述步骤四中，所述统计窗时长取0.2秒。
根据本公开的至少一个实施方式，所述步骤五中，对统计时间窗内相似系数SCf的平均值SCT，替换为统计时间窗内相似系数SCf的方差或标准差统计量，建立相似系数方差或标准差和压气机工作裕度之间的对应关系，进行压气机工作状态监测和预警。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是根据本公开的至少一个实施方式的结构示意图。
图2是根据本公开的至少一个实施方式的在压气机的实际操作结果。
图3是根据本公开的至少一个实施方式的当压气机运行在设计工作点附近时的气流分布情况。
图4是根据本公开的至少一个实施方式的当压气机工作于失速边界附近时的气流分布情况。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
本公开揭示了一种畸变来流条件下航空压气机系统稳定性在线监测方法，包括以下步骤：
步骤一、如图1b所示，在压气机机匣壁1面周向均匀布置4支动态压力传感器2，当然，也可以布置其它数量的动态压力传感器，例如，同样可以布置5-10支动态压力传感器，本实施例优选布置4支动态压力传感器；4支所述动态压力传感器设于转子叶片3顶端四分之一弦长处，且可以根据需要调整在转子叶片顶端前缘到尾缘之间的任意位置，如图1a所示，转子叶片3布置在气流进口端5的后方；所述动态压力传感器实时采集压气机转子叶片的壁面动态压力信号；在压气机转子轴上安装一霍尔传感器4，在每一个转子周期相同位置所述脉冲信号发生器发出脉冲信号，记录每两次脉冲信号之间的压力信号为一个转子周期的动态压力信号；此时得到压气机周向4个不同位置的动态压力信号；对每个传感器测得的转子周期压力信号，与同一传感器采集的上一个转子周期压力信号进行相似性分析，得到每个周向位置转子叶片信号的相似性系数SC，相似性分析计算公式如下：
Figure BDA0002354423970000051
其中，SCi(t)为t时刻的第i支动态压力采集信号的相似性系数SC的值，p(t)为t时刻的转子周期的叶片压力信号，p(t-T)为上一个转子周期的叶片信号，T为一个转子周期的时间，wnd为计算相似性系数Sc的一个窗口长度，将wnd设为与一个转子周期的时间相同，如此，SC(t)就反应了相邻两个转子周期整环叶片信号的相似性系数；
步骤二、利用4支所述动态压力传感器，实时测出压气机周向四个位置的壁面静压分布情况，当压气机遇到进气畸变的工作条件，则会导致若干所述压力传感器测量的静压发生变化，采用畸变度DC对压气机内流动的畸变程度进行量化评估：
Figure BDA0002354423970000052
其中，P为动态压力传感器所测得的壁面静压，处理时每一动态压力传感器会将窗口长度wnd内所有测得的动态压力数据进行平均，得到该位置的壁面静压；Pmax为若干所述动态压力传感器中所测的最大静压值，Pmin为若干所述动态压力传感器传感器所测的最小静压值；
Figure BDA0002354423970000053
为若干所述动态压力传感器所测得的静压平均值；
步骤三、将若干所述动态压力传感器分别计算得到的相似性系数进行平均，得到SCall，并将平均相似性系数和畸变度相乘进行修正，得到压气机转子叶片整环的相似性系数的修正值SCf：
SCf=SCall·(1-DC)
步骤四、设置一统计窗，时间为0.2秒，当然，也可以根据需要在0.1-0.5秒之间进行调整，为保证监控的实时性，统计窗时间不宜过长，优选0.1秒-0.3秒时长；统计在当前采样点之前一段时间内SCf的平均值SCT，评估一定时间内的非定常流动强度，用于判断压气机的稳定裕度；随着压气机逐渐靠近失速边界，工作裕度逐渐降低，压气机整环的相似性系数SCT会逐渐降低，建立SCT与压气机工作裕度之间一一对应的单调变化关系，从而通过SCT的值实时监控压气机工作状态，反应压气机的实时工作裕度，同时设置一个SCT的阈值，当SCT小于此阈值时，说明压气机工作裕度不足，从而触发预警信号。
如图2所示，为本公开在某型压气机的实际操作结果，可以看出随着压气机稳定性工作裕度不断降低，压气机壁面压力信号的相似性系数，并且存在一定波动，对其进行统计平均之后，SCT随着裕度的减少基本也同时单调减少，即SCT与压气机工作裕度成一一对应关系，可以通过SCT实时反映压气机工作裕度由此可进行压气机的稳定工作状态监测，并可以根据所需裕度设立一个阈值，例如，可以设定阈值为0.85，当SCT小于该阈值的时候，说明压气机工作裕度不足，进行预警。
根据本公开的至少一个实施方式，所述步骤一中，所提到的霍尔传感器在每个转子周期发射一个脉冲信号，所述霍尔传感器也可用反射式光电传感器或接近开关等其它脉冲发生器，在每个转子周期同一位置感受到反射信号从而触发一个脉冲信号。
根据本公开的至少一个实施方式，所述步骤三中，所提到的运用畸变度对相似性系数进行修正，可以根据实际情况乘以相似系数的n次幂或类似形式：SCf＝SCall·(1-DC)n。
根据本公开的至少一个实施方式，所述步骤五中，所提到的对统计时间窗内相似系数SCf的平均值SCT，也可以替换为求统计时间窗内相似系数SCf的方差或标准差等统计量，建立相似系数方差或标准差等统计量和压气机工作裕度之间的对应关系，进行压气机工作状态监测和预警。
对于一台正在工作的航空压气机，如图3所示，当其运行在设计工作点附近，压气机内部的流动相对稳定，各种非定常流动，包括叶尖泄漏涡，叶片分离脱落涡的强度都非常微弱，此时位于转子叶片顶端机匣壁面的动态压力传感器所采集到的主要为定常的叶片信号，是一个周期等于转子周期的周期信号，其余非定常流动对应的信号能量十分微弱。如图4所示，当压气机工作于失速边界附近时，其内部的流场变得十分复杂，非定常流动显著增强，有明显的叶尖泄漏涡和叶片分离脱落涡出现，这些非定常流动的增强也会反映在动态压力传感器所采集的压力信号中。因此本公开用相似性系数来分析动态压力传感器所采集的压力信号中定常叶片信号的能量和非定常流动的信号能量。
Figure BDA0002354423970000071
由于一个转子周期的时间非常短暂，所以可以将一个转子周期的信号看成一段稳定信号并进行傅里叶展开。因此
Figure BDA0002354423970000072
Figure BDA0002354423970000073
将这两个傅里叶展开式带入相似性分析的公式可得
Figure BDA0002354423970000074
由于三角函数的正交性，上公式可以进行以下简化：
Figure BDA0002354423970000081
由于传感器采集的动态压力信号可以分解为定常叶片信号和非定常流动信号的和。
对于定常叶片信号Pb(t)，其周期等于压气机转子周期T
Figure BDA0002354423970000083
非定常流动信号为Pd(t),为完全非定常信号，其自身相似性可视为0。
因此，整个动态压力信号的相似性系数可化为：
Figure BDA0002354423970000082
因为压力传感器采集的信号为实域信号，因此傅里叶级数的系数an等于a-n，此时相似性系数SC可视为压气机定常叶片信号的能量与总压力信号能量的比值。当压气机工作点逐渐靠近失速边界时，非定常流动能量逐渐增强，与此同时压气机的叶片定常信号能量所占的比值就会降低，此时反应为信号的相似性系数SC随裕度的降低，可将此特性用于压气机的实时工作状态监测。同时考虑畸变的影响，考虑畸变带来的工作条件恶化和失速边界退化，引入畸变度对相似性系数进行修正，同时由于参数具有一定波动性，为增加监测系统的稳定性与准确性，取一定时间对修正的相似系数进行统计平均。以此参数进行压气机的实时工作状态监测，达到预警失稳的目的。
本公开引入了压气机内压力信号的相似性系数参数，并且建立了相似性系数与裕度之间一一对应的关系，通过动态压力信号实时计算得到的相似性系数可以实现对压气机稳定工作状态的在线监测，得到了每个时刻压气机的工作裕度，可以在裕度不足时发出预警信号，大幅提高了预警的时间。另外本公开运用了统计的方法减少了相似性系数的波动，提高了稳定性监测的准确性和稳定性。
本公开主要用于高速、低速航空压气机的稳定工作状态监测，也可用于其它旋转叶轮机设备的稳定性在线监测和预警。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (9)

1.一种畸变来流条件下航空压气机系统稳定性在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在压气机机匣壁面周向均匀布置若干动态压力传感器，所述动态压力传感器实时采集压气机转子叶片的壁面压力信号；在压气机转子轴上安装一脉冲信号发生器，在每一个转子周期相同位置所述脉冲信号发生器发出脉冲信号，用于确定转子位置，相邻两次脉冲信号之间采集的动态压力信号即为一个转子周期的叶片压力信号；对每一所述动态压力传感器所采集的相邻两个转子周期的压力信号进行相似性分析，得到每个周向位置转子叶片信号的相似性系数SC，相似性分析计算公式如下：
Figure FDA0002354423960000011
其中，SCi(t)为t时刻的第i支动态压力采集信号的相似性系数SC的值，p(t)为t时刻的转子周期的叶片压力信号，p(t-T)为上一个转子周期的叶片信号，T为一个转子周期的时间，wnd为计算相似性系数Sc的一个窗口长度，将wnd设为与一个转子周期的时间相同，如此，SC(t)就反应了相邻两个转子周期整环叶片信号的相似性系数；
步骤二、利用若干所述动态压力传感器，实时测出压气机周向若干个位置的壁面静压分布情况，当压气机遇到进气畸变的工作条件，则会导致若干所述压力传感器测量的静压发生变化，采用畸变度DC对压气机内流动的畸变程度进行量化评估：
Figure FDA0002354423960000012
其中，P为动态压力传感器所测得的壁面静压，处理时每一动态压力传感器会将窗口长度wnd内所有测得的动态压力数据进行平均，得到该位置的壁面静压；Pmax为若干所述动态压力传感器中所测的最大静压值，Pmin为若干所述动态压力传感器传感器所测的最小静压值；
Figure FDA0002354423960000021
为若干所述动态压力传感器所测得的静压平均值；
步骤三、将若干所述动态压力传感器分别计算得到的相似性系数进行平均，得到SCall，并将平均相似性系数和畸变度相乘进行修正，得到压气机转子叶片整环的相似性系数的修正值SCf：
SCf＝SCall.(1-DC)
步骤四、设置一统计窗，统计在当前采样点之前一段时间内SCf的平均值SCT，随着压气机逐渐靠近失速边界，工作裕度逐渐降低，压气机整环的相似性系数SCT会逐渐降低，建立SCT与压气机工作裕度之间一一对应的单调变化关系，从而通过SCT的值实时监控压气机工作状态，反应压气机的实时工作裕度，同时设置一个SCT的阈值，当SCT小于此阈值时，说明压气机工作裕度不足，从而触发预警信号。
2.如权利要求1所述的在线监测方法，其特征在于，所述步骤一中，在压气机机匣壁面周向均匀布置4-10支动态压力传感器。
3.如权利要求2所述的在线监测方法，其特征在于，所述步骤一中，在压气机机匣壁面周向均匀布置4支动态压力传感器。
4.如权利要求1所述的在线监测方法，其特征在于，所述步骤一中，所述动态压力传感器设于转子叶片顶端四分之一弦长处，且根据需要调整在转子叶片顶端前缘到尾缘之间的任意位置。
5.如权利要求1所述的在线监测方法，其特征在于，所述步骤一中，所述脉冲发生器为霍尔传感器、反射式光电传感器或接近开关的一种。
6.如权利要求1所述的在线监测方法，其特征在于，所述步骤三中，运用畸变度对相似性系数进行修正，根据实际情况乘以相似系数的n次幂：SCf＝SCall.(1-DC)n。
7.如权利要求1所述的在线监测方法，其特征在于，所述步骤四中，所述统计窗时长取0.1秒-0.5秒。
8.如权利要求7所述的在线监测方法，其特征在于，所述步骤四中，所述统计窗时长取0.2秒。
9.如权利要求1所述的在线监测方法，其特征在于，所述步骤五中，对统计时间窗内相似系数SCf的平均值SCT，替换为统计时间窗内相似系数SCf的方差或标准差统计量，建立相似系数方差或标准差和压气机工作裕度之间的对应关系，进行压气机工作状态监测和预警。
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