CN114719731B - 一种叶尖间隙峰峰值提取方法及叶片转速计算方法和装置 - Google Patents

一种叶尖间隙峰峰值提取方法及叶片转速计算方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于信号处理领域，涉及转子叶片间隙测量技术领域，提供了一种叶尖间隙峰峰值提取方法及叶片转速计算方法和装置，叶尖间隙峰峰值提取方法包括获取叶尖间隙原始电压信号；提取叶尖间隙原始电压信号波形的上升沿和下降沿；基于叶尖形貌、上升沿、下降沿，计算叶尖间隙峰峰值。叶片转速采用上升沿或下降沿计算。本发明设计的方法能够解决多种叶尖形貌的叶尖间隙信号提取困难的问题，可以广泛应用于多种叶尖形貌的叶片的叶尖间隙峰峰值提取，同时还可以计算叶片转速和叶尖间隙值，具有良好的经济效益和极大的实际工程应用价值。

Description

一种叶尖间隙峰峰值提取方法及叶片转速计算方法和装置
技术领域
本发明属于信号处理领域，涉及转子叶片间隙测量技术领域，具体涉及一种叶尖间隙峰峰值提取方法及叶片转速计算方法和装置。
背景技术
叶尖间隙是指发动机/燃气轮机等旋转机械转子叶片与机匣内壁之间的距离，它是发动机/燃气轮机设计中一个非常关键的参数，对流场结构、能量传递、旋转失速先兆及损失的生成有着决定性影响，对效率、耗油率和可靠性有很大影响。经研究表明，叶尖间隙减小能够提高发动机/燃气轮机效率（如当叶尖间隙减小0.0254mm，效率可以提高1%），因此在保证发动机全包线内转子叶尖与机匣不发生碰磨，避免危及发动机的安全的情况下，要求叶尖间隙设计得尽可能小。
英﹑美﹑俄等航空技术发达国家对航空发动机间隙测试技术十分重视，国家和各大航空企业投入了大量的人力物力用于开发和完善间隙测试新技术新仪器，并有充足的发动机资源可供试验验证，叶尖间隙测试方法包括放电探针法、电涡流法、高能X射线照相法、超声波测量方法、微波测量方法、电容法、光学法（光学内窥原理法和光学三角法）等，测试人员可以根据不同情况选择适合的测试手段即可实现对压气机﹑涡轮叶尖间隙实施准确测量，在发动机研制试验过程中得到广泛应用并发挥重要作用。
目前，由于航空发动机或燃气轮机转子的叶尖形貌有多种，且转子处于高速旋转状态，如何从采集到的叶尖间隙原始电压中准确提取多种叶尖形貌的叶尖间隙峰峰值是急需解决的问题。
发明内容
为了解决如何从叶尖间隙原始电压中对多种叶尖形貌的叶尖间隙信号准确提取问题，本发明公开了一种叶尖间隙峰峰值提取方法及叶片转速计算方法和装置，本发明设计的方法能够适用多种叶形的叶尖间隙峰峰值提取，还可以实现叶片的转速的计算。
实现发明目的的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种叶尖间隙峰峰值提取方法，包括以下步骤：
获取叶尖间隙原始电压信号；
提取叶尖间隙原始电压信号波形的上升沿和下降沿；
基于叶尖形貌、上升沿、下降沿，计算叶尖间隙峰峰值。
本发明通过对叶尖间隙原始电压信号进行分析，提取出波形的上升沿和下降沿，然后结合不同叶尖形貌实现对叶尖间隙峰峰值的计算，本发明设计的叶尖间隙峰峰值提取方法可以广泛应用于多种叶尖形貌的叶片的叶尖间隙峰峰值提取，具有良好的经济效益和极大的实际工程应用价值。
进一步的，基于叶尖形貌、上升沿、下降沿，计算叶尖间隙峰峰值的方法，包括：
基于叶尖形貌、上升沿、下降沿，提取叶尖波形并计算叶尖峰值；
基于上升沿、下降沿，提取波谷波形并计算波谷谷值；
计算叶尖峰值和波谷谷值的差值，获得叶尖间隙峰峰值。
进一步的，叶尖波形曲线提取以及叶尖峰值计算的方法，包括：
根据叶尖形貌，并结合上升沿与其下游相邻下降沿提取叶尖波形；
对叶尖波形进行多项式拟合，获得叶尖波形拟合曲线；
对叶尖波形拟合曲线求解，计算峰值电压，即得叶尖峰值。
进一步的，叶尖形貌包括单峰叶尖形貌、浅凹腔双峰叶尖形貌、深凹腔双峰叶尖形貌、前峰高双峰叶尖形貌、后峰高双峰叶尖形貌，且单峰叶尖形貌、前峰高双峰叶尖形貌、后峰高双峰叶尖形貌均包括一个叶尖波形，浅凹腔双峰叶尖形貌、深凹腔双峰叶尖形貌均包括两个叶尖波形。
更进一步的，单峰叶尖形貌、浅凹腔双峰叶尖形貌、深凹腔双峰叶尖形貌的叶尖波形的提取方法为：选取上升沿与其下游相邻下降沿之间的电压波形作为叶尖波形；
前峰高双峰叶尖形貌的叶尖波形的提取方法为：将下降沿向其上游相邻上升沿方向偏移k个点形成偏移下降沿，选取偏移下降沿与其上游相邻上升沿之间的电压波形作为叶尖波形；
后峰高双峰叶尖形貌的叶尖波形的提取方法为：将上升沿向其下游相邻下降沿方向偏移k个点形成偏移上升沿，选取偏移上升沿与其下游相邻下降沿之间的电压波形作为叶尖波形。
优选的，k的取值范围为上升沿与其下游相邻下降沿之间总点数的0.1~0.5倍。
更进一步的，波谷波形提取及波谷谷值计算的方法，包括：
提取下降沿与其下游相邻上升沿之间的电压波形作为波谷波形；
对波谷波形进行多项式拟合，获得波谷波形拟合曲线；
对波谷波形拟合曲线求解，计算谷值电压，即得波谷谷值。
进一步的，叶尖间隙原始电压信号波形的上升沿和下降沿的提取方法，包括：
对叶尖间隙原始电压信号进行中值滤波处理；
对中值滤波处理后波形进行周期性检测，并判断其是否含有周期性信号；
若波形不具有周期性信号，则结束叶尖间隙峰峰值提取过程；
若波形具有周期性信号，则从波形中提取上升沿和下降沿。
第二方面，本发明还提供了一种叶片转速计算方法，采用第一方面中所述的叶尖间隙峰峰值提取方法的上升沿或下降沿计算叶片转速，叶片转速的计算方法为：计算叶尖间隙原始电压信号波形中上升沿之间或下降沿之间的时间差即可获得叶尖通过频率，叶尖通过频率除以叶片数即为叶片转速。
第三方面，本发明还提供了一种叶尖间隙峰峰值提取装置，提取装置包括判断模块、提取模块、峰值计算模块、谷值计算模块、峰峰值计算模块；
所述判断模块用于对接收的叶尖间隙原始电压信号中叶尖形貌进行判断；
所述提取模块用于提取叶尖间隙原始电压信号的上升沿和下降沿；
所述峰值计算模块与所述判断模块及所述提取模块电连接，用于接收所述判断模块输出的叶尖形貌，接收所述提取模块输出的上升沿和下降沿，并依据叶尖形貌、上升沿、下降沿提取叶尖波形并计算叶尖峰值；
所述谷值计算模块与所述提取模块电连接，用于所述提取模块输出的上升沿和下降沿，并依据上升沿、下降沿提取波谷波形并计算波谷谷值；
所述峰峰值计算模块与所述峰值计算模块及所述谷值计算模块电连接，用于依据叶尖峰值和波谷谷值计算叶尖间隙峰峰值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过对叶尖间隙原始电压信号进行分析，提取出波形的上升沿和下降沿，然后结合不同叶尖形貌实现对叶尖间隙峰峰值的计算，同时也可以采用上升沿或下降沿实现叶片转速的计算，本发明设计的方法可以广泛应用于多种叶尖形貌的叶片的叶尖间隙峰峰值提取，具有良好的经济效益和极大的实际工程应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为具体实施方式中叶尖间隙峰峰值提取方法和叶片转速计算方法的流程图；
图2为具体实施方式中叶尖间隙原始电压信号波形的上升沿和下降沿的提取方法的流程图；
图3为具体实施方式中叶尖间隙原始电压信号的示意图；
图4为具体实施方式中叶尖间隙原始电压信号经滤波、整形后的波形图，以及从滤波、整形后的波形图提取的上升沿和下降沿的示意图；
图5为具体实施方式中基于叶尖形貌、上升沿、下降沿，计算叶尖间隙峰峰值的方法的流程图；
图6为具体实施方式中叶尖波形曲线提取以及叶尖峰值计算的方法的流程图；
图7为具体实施方式中波谷波形提取及波谷谷值计算的方法的流程图；
图8为具体实施方式中单峰叶尖形貌的叶尖波形拟合曲线和波谷波形拟合曲线的示意图；
图9为具体实施方式中浅凹腔双峰叶尖形貌的叶尖波形拟合曲线和波谷波形拟合曲线的示意图；
图10为具体实施方式中深凹腔双峰叶尖形貌的叶尖波形拟合曲线和波谷波形拟合曲线的示意图；
图11为具体实施方式中前峰高双峰叶尖形貌的叶尖波形拟合曲线和波谷波形拟合曲线的示意图；
图12为具体实施方式中后峰高双峰叶尖形貌的叶尖波形拟合曲线和波谷波形拟合曲线的示意图；
其中，1.叶尖间隙原始电压信号；2.中值滤波处理后波形；3.高低电平信号；4.上升沿；5.下降沿；6.叶尖波形拟合曲线；7.波谷波形拟合曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
本具体实施的第一个实施例，提供了一种叶尖间隙峰峰值提取方法，如图1所示，叶尖间隙峰峰值提取方法包括以下步骤：
S1、获取叶尖间隙原始电压信号。
S2、提取叶尖间隙原始电压信号波形的上升沿和下降沿。
S31、基于叶尖形貌、上升沿、下降沿，计算叶尖间隙峰峰值。
进一步的，上述步骤S2 中叶尖间隙原始电压信号波形的上升沿和下降沿的提取方法，如图2~图4所示，包括：
S21、对叶尖间隙原始电压信号进行中值滤波处理。
S22、对中值滤波处理后波形进行周期性检测，并判断其是否含有周期性信号。
S221、若波形不具有周期性信号，则结束叶尖间隙峰峰值提取过程。
S222、若波形具有周期性信号，则从波形中提取上升沿和下降沿。
具体的，当中值滤波处理后波形2具有周期性信号后，首先，通过预设阈值进行整形得到高电平信号和低电平信号（设定大于预设阈值的点为高电平信号，小于预设阈值的点为低电平信号）；然后，计算整形后的高电平信号和低电平信号的差分信号，通过差分信号的正、负值所在索引即可找到对应叶尖间隙原始电压信号的上升沿和下降沿所在索引位置。
本步骤中，如图3和图4所示，对叶尖间隙原始电压信号1进行中值滤波处理，获得比较光滑的中值滤波处理后波形2，能够提高上升沿和下降沿提取的准确度，保证叶尖间隙峰峰值和叶片转速计算结果的精度。同时，将中值滤波处理后波形2进行二值化处理后得到高低电平信号3，通过高低电平信号3可以区分出上升沿4和下降沿5。
进一步的，上述步骤S31中基于叶尖形貌、上升沿、下降沿，计算叶尖间隙峰峰值的方法，如图5所示，包括：
S311、基于叶尖形貌、上升沿、下降沿，提取叶尖波形并计算叶尖峰值。
S312、基于上升沿、下降沿，提取波谷波形并计算波谷谷值。
S313、计算叶尖峰值和波谷谷值的差值，获得叶尖间隙峰峰值。
更进一步的，上述步骤S311中叶尖波形曲线提取以及叶尖峰值计算的方法，如图6所示，包括：
S3111、根据叶尖形貌，并结合上升沿与其下游相邻下降沿提取叶尖波形。
其中，叶尖形貌包括单峰叶尖形貌（如图7所示）、浅凹腔双峰叶尖形貌（如图9所示）、深凹腔双峰叶尖形貌（如图10所示）、前峰高双峰叶尖形貌（如图11所示）、后峰高双峰叶尖形貌（如图12所示），且单峰叶尖形貌、前峰高双峰叶尖形貌、后峰高双峰叶尖形貌均包括一个叶尖波形，浅凹腔双峰叶尖形貌、深凹腔双峰叶尖形貌均包括两个叶尖波形。
具体的，单峰叶尖形貌、浅凹腔双峰叶尖形貌、深凹腔双峰叶尖形貌的叶尖波形的提取方法为：选取上升沿与其下游相邻下降沿之间的电压波形作为叶尖波形。
前峰高双峰叶尖形貌的叶尖波形的提取方法为：将下降沿向其上游相邻上升沿方向偏移k个点形成偏移下降沿，选取偏移下降沿与其上游相邻上升沿之间的电压波形作为叶尖波形。优选的，k的取值范围为上升沿与其下游相邻下降沿之间总点数的0.1~0.5倍。
后峰高双峰叶尖形貌的叶尖波形的提取方法为：将上升沿向其下游相邻下降沿方向偏移k个点形成偏移上升沿，选取偏移上升沿与其下游相邻下降沿之间的电压波形作为叶尖波形。优选的，k的取值范围为上升沿与其下游相邻下降沿之间总点数的0.1~0.5倍。
S3112、对叶尖波形进行多项式拟合，获得叶尖波形拟合曲线；
具体的，对单峰叶尖形貌的叶尖波形进行n阶多项式拟合，即可获得单峰叶尖形貌的叶尖波形拟合曲线6（如图8所示），获得一个叶尖峰值。
对浅凹腔双峰叶尖形貌和深凹腔双峰叶尖形貌的分别进行m阶多项式拟合，即可分别获得浅凹腔双峰叶尖形貌和深凹腔双峰叶尖形貌的叶尖波形拟合曲线6（如图9和图10所示），获得两个叶尖峰值。
对前峰高双峰叶尖形貌和后峰高双峰叶尖形貌的分别进行p阶多项式拟合，即可分别获得前峰高双峰叶尖形貌和后峰高双峰叶尖形貌的叶尖波形拟合曲线6（如图11和12所示），获得一个叶尖峰值。
S3113、对叶尖波形拟合曲线求解，计算峰值电压，即得叶尖峰值。
具体的，通过计算叶尖波形拟合曲线在拟合数据范围内的最大值，即为叶尖峰值。
更进一步的，上述步骤S312中波谷波形提取及波谷谷值计算的方法，如图7所示，包括：
S3121、提取下降沿与其下游相邻上升沿之间的电压波形作为波谷波形；
S3122、对波谷波形进行多项式拟合，获得波谷波形拟合曲线。
具体的，计算波谷波形拟合曲线和谷值电压时，对波谷波形进行2阶多项式拟合，获得如图8~图12所示的波谷波形拟合曲线7。
S3123、对波谷波形拟合曲线求解，计算谷值电压，即得波谷谷值。
更进一步的，上述步骤S313中计算叶尖峰值和波谷谷值的差值，获得叶尖间隙峰峰值。
本具体实施方式的第二个实施例中，提供了一种叶片转速计算方法，采用第一个实施例中所述的叶尖间隙峰峰值提取方法中上升沿或下降沿计算叶片转速，具体的，参见如图1中所示，S32、基于上升沿或下降沿计算叶片转速。具体的上述步骤S32中，叶片转速的计算方法为：计算叶尖间隙原始电压信号波形中上升沿之间或下降沿之间的时间差即可获得叶尖通过频率，叶尖通过频率除以叶片数即可获得叶片转速。具体的，可以通过计算相邻上升沿或者相邻下降沿之间的时间差，即可获得叶尖通过频率，进而除以叶片数得到叶片转速；也可以计算不相邻上升沿或者不相邻下降沿之间的时间差，用时间差除以不相邻上升沿间隔数量即可获得叶尖通过频率，进而除以叶片数得到叶片转速，或者用时间差除以不相邻下降沿间隔数量即可获得叶尖通过频率，叶尖通过频率除以叶片数即为叶片转速。
在上述方法的一个改进实施例中，还包括步骤S33，根据叶尖间隙峰峰值和校准系数，计算出每个叶片的叶尖间隙值，具体的，校准系数是通过现有的叶尖间隙静态校准方法或动态校准方法获取的。
本发明通过对叶尖间隙原始电压信号进行分析，提取出波形的上升沿和下降沿，然后结合不同叶尖形貌实现对叶尖间隙峰峰值的计算，同时也可以采用上升沿或下降沿实现叶片转速的计算，本发明设计的方法可以广泛应用于多种叶尖形貌的叶片的叶尖间隙峰峰值提取，具有良好的经济效益和极大的实际工程应用价值。
本具体实施的第三个实施例，提供了一种叶尖间隙峰峰值提取装置，提取装置包括判断模块、提取模块、峰值计算模块、谷值计算模块、峰峰值计算模块。
所述判断模块用于对接收的叶尖间隙原始电压信号中叶尖形貌进行判断。
所述提取模块用于提取叶尖间隙原始电压信号的上升沿和下降沿。
所述峰值计算模块与所述判断模块及所述提取模块电连接，用于接收所述判断模块输出的叶尖形貌，接收所述提取模块输出的上升沿和下降沿，并依据叶尖形貌、上升沿、下降沿提取叶尖波形并计算叶尖峰值。
所述谷值计算模块与所述提取模块电连接，用于所述提取模块输出的上升沿和下降沿，并依据上升沿、下降沿提取波谷波形并计算波谷谷值；
所述峰峰值计算模块与所述峰值计算模块及所述谷值计算模块电连接，用于依据叶尖峰值和波谷谷值计算叶尖间隙峰峰值。
本具体实施的第四个实施例，提供了一种电子设备，包括处理器、存储器，存储器用于存储在处理器上运行的计算机程序，处理器用于执行计算机程序时实现叶尖间隙峰峰值提取方法和叶片转速计算方法。
本具体实施的第五个实施例，提供了一种计算机存储介质，存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于执行上述叶尖间隙峰峰值提取方法和叶片转速计算方法。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种叶尖间隙峰峰值提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取叶尖间隙原始电压信号；
提取叶尖间隙原始电压信号波形的上升沿和下降沿；
其中，通过预设阈值进行整形得到高电平信号和低电平信号；设定大于预设阈值的点为高电平信号，小于预设阈值的点为低电平信号；计算整形后的高电平信号和低电平信号的差分信号，通过差分信号的正、负值所在索引即可找到对应叶尖间隙原始电压信号的上升沿和下降沿位置；
基于叶尖形貌、上升沿、下降沿，计算叶尖间隙峰峰值；
其中，基于叶尖形貌、上升沿、下降沿，计算叶尖间隙峰峰值的方法，包括：
基于叶尖形貌、上升沿、下降沿，提取叶尖波形并计算叶尖峰值，叶尖形貌包括单峰叶尖形貌、浅凹腔双峰叶尖形貌、深凹腔双峰叶尖形貌、前峰高双峰叶尖形貌、后峰高双峰叶尖形貌；
所述前峰高双峰叶尖形貌的叶尖波形的提取方法为：将下降沿向其上游相邻上升沿方向偏移k个点形成偏移下降沿，选取偏移下降沿与其上游相邻上升沿之间的电压波形作为叶尖波形；
所述后峰高双峰叶尖形貌的叶尖波形的提取方法为：将上升沿向其下游相邻下降沿方向偏移k个点形成偏移上升沿，选取偏移上升沿与其下游相邻下降沿之间的电压波形作为叶尖波形； 。
基于上升沿、下降沿，提取波谷波形并计算波谷谷值；
计算叶尖峰值和波谷谷值的差值，获得叶尖间隙峰峰值。
2.根据权利要求1所述的叶尖间隙峰峰值提取方法，其特征在于：叶尖波形曲线提取以及叶尖峰值计算的方法，包括：
根据叶尖形貌，并结合上升沿与其下游相邻下降沿提取叶尖波形；
对叶尖波形进行多项式拟合，获得叶尖波形拟合曲线；
对叶尖波形拟合曲线求解，计算峰值电压，即得叶尖峰值。
3.根据权利要求2所述的叶尖间隙峰峰值提取方法，其特征在于：单峰叶尖形貌、前峰高双峰叶尖形貌、后峰高双峰叶尖形貌均包括一个叶尖波形，浅凹腔双峰叶尖形貌、深凹腔双峰叶尖形貌均包括两个叶尖波形。
4.根据权利要求3所述的叶尖间隙峰峰值提取方法，其特征在于：单峰叶尖形貌、浅凹腔双峰叶尖形貌、深凹腔双峰叶尖形貌的叶尖波形的提取方法为：选取上升沿与其下游相邻下降沿之间的电压波形作为叶尖波形。
5.根据权利要求4所述的叶尖间隙峰峰值提取方法，其特征在于：k的取值范围为上升沿与其下游相邻下降沿之间总点数的0.1~0.5倍。
6.根据权利要求1所述的叶尖间隙峰峰值提取方法，其特征在于：波谷波形提取及波谷谷值计算的方法，包括：
提取下降沿与其下游相邻上升沿之间的电压波形作为波谷波形；
对波谷波形进行多项式拟合，获得波谷波形拟合曲线；
对波谷波形拟合曲线求解，计算谷值电压，即得波谷谷值。
7.根据权利要求1所述的叶尖间隙峰峰值提取方法，其特征在于：叶尖间隙原始电压信号波形的上升沿和下降沿的提取方法，包括：
对叶尖间隙原始电压信号进行中值滤波处理；
对中值滤波处理后波形进行周期性检测，并判断其是否含有周期性信号；
若波形不具有周期性信号，则结束叶尖间隙峰峰值提取过程；
若波形具有周期性信号，则从波形中提取上升沿和下降沿。
8.一种叶片转速计算方法，其特征在于：采用权利要求1所述的叶尖间隙峰峰值提取方法中上升沿或下降沿计算叶片转速，叶片转速的计算方法为：计算叶尖间隙原始电压信号波形中上升沿之间或下降沿之间的时间差即可获得叶尖通过频率，叶尖通过频率除以叶片数即为叶片转速。
9.一种叶尖间隙峰峰值提取装置，其特征在于：包括判断模块、提取模块、峰值计算模块、谷值计算模块、峰峰值计算模块；
所述判断模块用于对接收的叶尖间隙原始电压信号中叶尖形貌进行判断；
所述提取模块用于提取叶尖间隙原始电压信号的上升沿和下降沿；
所述峰值计算模块与所述判断模块及所述提取模块电连接，用于接收所述判断模块输出的叶尖形貌，接收所述提取模块输出的上升沿和下降沿，并依据叶尖形貌、上升沿、下降沿提取叶尖波形并计算叶尖峰值；
所述谷值计算模块与所述提取模块电连接，用于所述提取模块输出的上升沿和下降沿，并依据上升沿、下降沿提取波谷波形并计算波谷谷值；
所述峰峰值计算模块与所述峰值计算模块及所述谷值计算模块电连接，用于依据叶尖峰值和波谷谷值计算叶尖间隙峰峰值。
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