CN113915156A - 一种基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法 - Google Patents
一种基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，包括：构建增压器的压气机本体模型；构建压气机转轴模型，计算增压器瞬时对应的转速；构建等效管路模型，获取压气机的出口质量流量与压气机出口的温度；构建稳压室模型，计算稳压室出口的流量以及稳压室出口的压力；构建等效阀模型，计算阀门流量；构建增压器涡轮端模型，计算涡轮端的流量，并计算涡轮的扭矩；构建频率检测模型，采用傅里叶变化处理压气机出口的压力变化信号，通过观测频率和振幅进行分析与对比；在不同因素下，进行压气机的喘振故障检测。本发明可以研究增压器喘振故障、分析故障原因、为船舶柴油机的喘振故障预测及防止事故发生提供理论模型的支持。
Description
技术领域
本发明涉及大型船舶柴油机故障模拟与诊断技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法。
背景技术
目前内燃机的废气涡轮增压技术已被公认为内燃机的主要发展方向之一，废气涡轮增压技术已被证明是改善内燃机动力性和经济性的最有效措施，也是提高内燃机性能的必然途径。然而，增压器是柴油机运行中经常会出现故障的部件之一，喘振将导致柴油机的效率下降甚至会危及整个柴油机的运行。
在增压器的发生故障中，喘振是最常见的故障之一，故研究压气机的喘振是具有非常大的意义。压气机运行的状态会受到内部的气体压力和流量的影响，在高背压，低流量的情况下会造成喘振以及旋转失速，喘振与旋转失速不仅会造成压气机的增压效率下降，而且还会对压气机的叶片等关键部件造成损害，进而造成不可逆的损害。所以对压气机的喘振的模拟及预测有着非常重要的意义。
开展柴油机增压器的瞬态模型的建立，不仅能够帮助研究增压器的故障，为预防故障的发生进行理论的研究，同时也能协助柴油机的制造商进行增压器的发展与设计。也为增压器的故障预测与诊断提供了基础数据与理论模型，极大地减轻了人力与财力成本。
发明内容
根据上述提出的技术问题，提供一种基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法。本发明将压缩系统分为转轴模型、压气机本体、等效管路、稳压室以及等效阀模型，在Moore-Greitzer模型的基础上通过Simulink对压气机各模块以及涡轮端建模。为了能够判断以及检测喘振的发生，采用了Simulink中自带的傅里叶转换Powergui模块对压气机的出口压力进行傅里叶转换，并对压气机各性能参数进行分析。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，包括如下步骤：
构建增压器的压气机本体模型；
构建压气机转轴模型，计算增压器瞬时对应的转速；
构建等效管路模型，获取压气机的出口质量流量与压气机出口的温度；
构建稳压室模型，计算稳压室出口的流量以及稳压室出口的压力；
构建等效阀模型，计算阀门流量；
构建增压器涡轮端模型，计算涡轮端的流量，并计算涡轮的扭矩；
采用傅里叶变化处理压气机出口的压力变化信号，通过观测频率和振幅进行分析与对比；
运用控制变量法，在不同因素下，进行压气机的喘振故障检测。
进一步地，所述构建增压器的压气机本体模型，并获取压气机本体模型提供的扭矩以及涡轮端提供的扭矩，包括：
采用三次多项式，对压气机图谱中的喘振线左侧到零流量区域进行拟合；
采用二次多项式，对压气机的流量为负时的压气机图谱进行拟合，得到压气机的拟合补全图谱；
利用压气机的拟合补全图谱，计算压气机出口压力、压气机出口温度以及压气机扭矩。
进一步地，所述构建压气机转轴模型，计算增压器瞬时对应的转速，包括：
计算涡轮端提供的扭矩；
基于压气机扭矩和涡轮端提供的扭矩，计算增压器瞬时对应的转速。
进一步地，所述构建等效管路模型，获取压气机的出口质量流量与压气机出口的温度，包括：
将压气机的叶轮，蜗壳以及出口管道等效成管道；
基于等效的管道，计算气机的出口质量流量与压气机出口的温度。
进一步地，所述构建稳压室模型，计算稳压室出口的流量以及稳压室出口的压力，包括：
遵循能量守恒方程，建立稳压室模型；
采用充满排空法，计算稳压室出口的流量以及稳压室出口的压力。
进一步地，所述构建等效阀模型，计算阀门流量，包括：
构建等效阀模型时，将等效阀看成一个节流孔，忽略阀的入口侧的流速；
将入口与出口侧流量分为亚音速和超音速两种情况进行分类计算，计算阀门流量。
进一步地，所述构建增压器涡轮端模型，计算涡轮端的流量，并计算涡轮的扭矩，包括：
对于涡轮端，计算涡轮发动机的功率与流量；
将涡轮简化为一个节流阀，将气体流速分为亚音速与超音速两个状态来计算涡轮端的流量；
通过得到的流量进一步计算涡轮的扭矩。
进一步地，所述构建频率检测模型，采用傅里叶变化处理压气机出口的压力变化信号，通过观测频率和振幅进行分析与对比，包括：
采用Matlab/Simulink里的模块化处理工具Powergui模块对压气机的各种性能信号进行傅里叶变换，通过观测频率和振幅进行分析与对比。
进一步地，所述在不同因素下，进行压气机的喘振故障检测，包括：
在不同因素下，通过控制稳压室的容积和等效阀门开度来观察压气机的性能参数变化以及压气机的转动惯量，进行压气机的喘振故障检测。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其动态模型的瞬态响应仿真效果和调节性准确且高效，可以有效地进行压气机喘振模拟，可以方便地通过傅里叶转换模块观察到压气机的波动频率随各种不同因素的变化的情况。因此该模型可以作为压气机喘振的研究模型。
2、本发明提供的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其构建的增压器的压气机本体模型利用MATLAB根据已有的正常工况的压气机图谱进行图像补全，该补全图可以根据实时的压气机转速与压气机的流量得到压比，可以更加准确且实时地得到压气机的压比，比传统方法更加有说服力。
3、本发明提供的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其构建的等效管路模型近似将压气机整个系统内部的气体看作不可压缩气体，将整个压缩系统的管道部分等效为一个等效管，可以更加简便且有效地排除一些不必要部件的影响，也能更好地研究压气机的瞬态性能。
4、本发明提供的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其构建的等效阀模型分类讨论了当气体流速是超音速还是亚音速的不同情况，可以更加准确有效地得到等效阀出口的流量，且符合实际。
5、本发明提供的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其构建的增压器涡轮端模型主要模拟压气机的喘振且研究压气机部分，近似地将涡轮端简化为一个喷嘴，既满足了模型要求，也减小了不必要的工作，降低了任务难度。
6、本发明提供的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，采用观测出口压力的波动来进行检测与分析压气机的喘振，在检测压力波动信号方面选择快速傅里叶变换来进行信号的处理，采用这种方法既准确高效又降低了成本，采用Simulink里自带的傅里叶模块更加方便高效。
基于上述理由本发明可在大型船舶柴油机故障模拟与诊断等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为压缩系统瞬态仿真模型示意图。
图2为压气机拟合拓展图。
图3为压气机本体模型流程图。
图4为压气机转轴模型流程图。
图5为等效管路模型流程图。
图6为压气机稳压室模型流程图。
图7为压气机等效阀模型流程图。
图8为压气机Simulink模型示意图。
图9为涡轮端Simulink模型示意图。
图10为不同等效阀门开度下的压气机性能参数。
图11为改变稳压室容积后压气机各性能参数瞬态变化图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明提供了一种基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，包括如下步骤：
构建增压器的压气机本体模型；
构建压气机转轴模型，计算增压器瞬时对应的转速；
构建等效管路模型，获取压气机的出口质量流量与压气机出口的温度；
构建稳压室模型，计算稳压室出口的流量以及稳压室出口的压力；
构建等效阀模型，计算阀门流量；
构建增压器涡轮端模型，计算涡轮端的流量，并计算涡轮的扭矩；
采用傅里叶变化处理压气机出口的压力变化信号，通过观测频率和振幅进行分析与对比；
运用控制变量法，在不同因素下，进行压气机的喘振故障检测。研究哪些因素的改变可以影响压气机的喘振的发生。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述构建增压器的压气机模型如图8所示，包括获取压气机本体模型提供的扭矩以及涡轮端提供的扭矩，如图3所示，包括：
采用三次多项式，对压气机图谱中的喘振线左侧到零流量区域进行拟合；
采用二次多项式，对压气机的流量为负时的压气机图谱进行拟合，得到压气机的拟合补全图谱；如图2所示。
利用压气机的拟合补全图谱，计算压气机出口压力、压气机出口温度以及压气机扭矩。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述构建压气机转轴模型，计算增压器瞬时对应的转速，如图4所示，包括：
计算涡轮端提供的扭矩；
基于压气机扭矩和涡轮端提供的扭矩，计算增压器瞬时对应的转速。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述构建等效管路模型，获取压气机的出口质量流量与压气机出口的温度，如图5所示，包括：
将压气机的叶轮，蜗壳以及出口管道等效成管道；
基于等效的管道，计算气机的出口质量流量与压气机出口的温度。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述构建稳压室模型，计算稳压室出口的流量以及稳压室出口的压力，如图6所示，包括：
遵循能量守恒方程，建立稳压室模型；
采用充满排空法，计算稳压室出口的流量以及稳压室出口的压力。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述构建等效阀模型，计算阀门流量，如图7所示，包括：
构建等效阀模型时，将等效阀看成一个节流孔，忽略阀的入口侧的流速；
将入口与出口侧流量分为亚音速和超音速两种情况进行分类计算，计算阀门流量。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述构建增压器涡轮端模型，计算涡轮端的流量，并计算涡轮的扭矩，如图9所示，包括：
对于涡轮端，计算涡轮发动机的功率与流量；
将涡轮简化为一个节流阀，将气体流速分为亚音速与超音速两个状态来计算涡轮端的流量；
通过得到的流量进一步计算涡轮的扭矩。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述采用傅里叶变化处理压气机出口的压力变化信号，通过观测频率和振幅进行分析与对比，包括：
采用Matlab/Simulink里的模块化处理工具Powergui模块对压气机的各种性能信号进行傅里叶变换，通过观测频率和振幅进行分析与对比。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述在不同因素下，进行压气机的喘振故障检测，包括：
在不同因素下，通过控制稳压室的容积和等效阀门开度来观察压气机的性能参数变化(压力振幅、压力偏差、压力波动频率)以及压气机的转动惯量，进行压气机的喘振故障检测。
综上所述，本发明的主要目的是为了模拟与研究增压器喘振的故障，因此搭建一个增压器的瞬态模型，该模型可以从数学机理上进行喘振的模拟，为喘振的故障诊断以及预防进行理论模型的建立。将柴油机增压器的压气机端分成五部分分别进行搭建，每一部分都进行详细的数学机理的模型的搭建，然后完成增压器瞬态数学模型的建立，为后续喘振的模拟提供模型基础；搭建好的模型分为压气机本体，等效管模型，稳压室，等效阀门，转轴，频率检测以及涡轮端7个模块。其中，频率检测模型对压气机出口以及稳压室的内部压力的变化信号进行提取并进行处理，通过坐标图进行呈现。并通过控制不同的变量探索对压气机喘振的影响。
实施例1
结合图10，通过控制不同的等效阀门的开度来观测压气机各性能参数的变化，并模拟喘振的故障。
当等效阀门开度为100％，压气机的各性能参数，在模型刚开始运行阶段压气机会出现一段时间的不稳定状态，这是由于该模型设置的初始变量导致压气机出现不稳定工况，当经过一段时间的运行各参数趋于平稳，说明该状态下压气机正常运行。
当等效阀门开度在90％时，压气机在稳定运行一段时间后出现了不稳定的情况，一段时间后又恢复稳定；
当等效阀门开度变为80％时，压气机也出现不稳定情况，与开度为90％相比，压气机的不稳定工况的持续时间以及震荡幅度都发生了比较大的变化，但是后期又恢复到稳定状态；
当等效阀门的开度为70％时候，压气机出现了急剧变化的不稳定工况，各参数持续大幅度波动，压气机发生了持续喘振的不稳定工况。
故等效阀门的开度变化会影响压气机的喘振。
实施例2
结合图11，通过控制稳压室容积的变化来观测压气机各性能参数的变化，可知：
初始阶段模型设置的初始参数会导致压气机运行不稳，压气机的流量、增压压力、出口温度和转速会出现一段时间的不稳定工况，不过经过一定时间就会进入稳定工况，说明在100％的负荷下是符合实际情况的。
把稳压室的容积调到0.3m3和0.2m3的时候发现稳压室容积的改变不会造成压气机的性能参数的变化。接下来将之前的模型运行，等到达稳定状态下将稳压室容积变为0.1m3，其中红色圆圈标记的点是将稳压室容积改变为0.1m3的时间点。
当稳压室的容积突然变小时稳压室的压力、压气机的出口压力、压气机流量以及压气机出口温度等参数发生了明显的震荡，出现了极其不稳定的状态。
从以上的分析可以得出：稳压室的容积减小会造成压气机出现喘振等不稳定状态，由于整个压缩系统每个部分都是密切相关的，当稳压室容积变大时，整个压缩系统对压力变化不敏感，所以压缩系统可以更加稳定地运行；当容积变小的时候，压缩系统对压力变化变得敏感。稳压室容积的大小会对压气机的动态响应有至关重要的影响。这也为压气机防止喘振提供了一条方案，就是增大稳压室的容积来避免喘振的发生。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
构建增压器的压气机本体模型；
构建压气机转轴模型，计算增压器瞬时对应的转速；
构建等效管路模型，获取压气机的出口质量流量与压气机出口的温度；
构建稳压室模型，计算稳压室出口的流量以及稳压室出口的压力；
构建等效阀模型，计算阀门流量；
构建增压器涡轮端模型，计算涡轮端的流量，并计算涡轮的扭矩；
构建频率检测模型，采用傅里叶变化处理压气机出口的压力变化信号，通过观测频率和振幅进行分析与对比；
运用控制变量法，在不同因素下，进行压气机的喘振故障检测。
2.根据权利要求1所述的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其特征在于，所述构建增压器的压气机本体模型，并获取压气机本体模型提供的扭矩以及涡轮端提供的扭矩，包括：
采用三次多项式，对压气机图谱中的喘振线左侧到零流量区域进行拟合；
采用二次多项式，对压气机的流量为负时的压气机图谱进行拟合，得到压气机的拟合补全图谱；
利用压气机的拟合补全图谱，计算压气机出口压力、压气机出口温度以及压气机扭矩。
3.根据权利要求1所述的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其特征在于，所述构建压气机转轴模型，计算增压器瞬时对应的转速，包括：
计算涡轮端提供的扭矩；
基于压气机扭矩和涡轮端提供的扭矩，计算增压器瞬时对应的转速。
4.根据权利要求1所述的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其特征在于，所述构建等效管路模型，获取压气机的出口质量流量与压气机出口的温度，包括：
将压气机的叶轮，蜗壳以及出口管道等效成管道；
基于等效的管道，计算气机的出口质量流量与压气机出口的温度。
5.根据权利要求1所述的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其特征在于，所述构建稳压室模型，计算稳压室出口的流量以及稳压室出口的压力，包括：
遵循能量守恒方程，建立稳压室模型；
采用充满排空法，计算稳压室出口的流量以及稳压室出口的压力。
6.根据权利要求1所述的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其特征在于，所述构建等效阀模型，计算阀门流量，包括：
构建等效阀模型时，将等效阀看成一个节流孔，忽略阀的入口侧的流速；
将入口与出口侧流量分为亚音速和超音速两种情况进行分类计算，计算阀门流量。
7.根据权利要求1所述的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其特征在于，所述构建增压器涡轮端模型，计算涡轮端的流量，并计算涡轮的扭矩，包括：
对于涡轮端，计算涡轮发动机的功率与流量；
将涡轮简化为一个节流阀，将气体流速分为亚音速与超音速两个状态来计算涡轮端的流量；
通过得到的流量进一步计算涡轮的扭矩。
8.根据权利要求1所述的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其特征在于，所述构建频率检测模型，采用傅里叶变化处理压气机出口的压力变化信号，通过观测频率和振幅进行分析与对比，包括：
采用Matlab/Simulink里的模块化处理工具Powergui模块对压气机的各种性能信号进行傅里叶变换，通过观测频率和振幅进行分析与对比。
9.根据权利要求1所述的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其特征在于，所述在不同因素下，进行压气机的喘振故障检测，包括：
在不同因素下，通过控制稳压室的容积和等效阀门开度来观察压气机的性能参数变化以及压气机的转动惯量，进行压气机的喘振故障检测。
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