本發明涉及葉輪機械擴穩
技術領域：
：，具體地說，涉及一種基于頻域駝峰識別的軸流壓氣機旋轉失速預警方法。
背景技術：
：：旋轉失速是壓氣機中常見的氣動失穩現象，輕則造成壓氣機性能急劇惡化，重則導致葉片斷裂而造成整臺壓氣機毀壞。傳統的失速控制方法屬于被動控制技術，其核心是確保壓氣機的工作點與失速邊界之間有足夠的裕度，使壓氣機在遠離失速邊界點的地方工作。然而，失速邊界常常受到工作狀態、以及進口流場畸變等因素的影響而難以準確給定，失速點又往往出現在壓氣機特性線的最高壓比和效率點附近，失速裕度的給出嚴重制約了壓氣機性能。為了拓寬壓氣機的穩定工作范圍、充分發揮壓氣機的壓比和效率潛力，失速主動控制技術應運而生。“主動控制”是通過及時對失速先兆做出預警，以便提早采取措施來抑制失速現象的形成和發展。在主動控制思想的影響下，研究人員對壓氣機的失速起始過程進行了大量的試驗研究。day等人在文獻“stallinceptionandtheprospectsforactivecontrolinfourhigh-speedcompressors”(asmejournalofturbomachinery,1999,121(1):18-27.)中總結了四臺壓氣機失速起始過程的實驗研究結果，發現:在高轉速工況下，失速起始過程短暫，失速先兆出現到壓氣機進入失速之間僅僅只有幾轉的時間。這種情況使得作動系統很難有足夠的時間做出響應，導致基于失速先兆預測的穩定性主動控制技術很難在航空發動機中得到實際應用。2014年，吳艷輝等人在文獻“experimentalandnumericalinvestigationofflowcharacteristicsnearcasinginanaxialflowcompressorrotoratstableandstallinceptionconditions”(journaloffluidsengineering,2014,136(11):1491-1503.)中分析了某軸流壓氣機試驗臺的實驗和數值模擬結果，發現:在近失速穩定工況和失速起始工況失速先兆浮現之前，機匣動態壓力信號的頻譜圖上存在一個低于葉片通過頻率的特征駝峰。因此，通過檢測低于葉片通過頻率的頻域駝峰，可以判斷壓氣機是否靠近壓氣機失速邊界，實現對旋轉失速的提前預警，進而得到一種滿足主動控制要求的軸流壓氣機旋轉失速預警方法。技術實現要素：為了避免現有技術存在的不足，本發明提出一種基于頻域駝峰識別的軸流壓氣機旋轉失速預警方法；該軸流壓氣機旋轉失速預警方法定義了一種特征駝峰的判別因子，識別頻域駝峰，其只需要單一信號傳感器；采用快速傅里葉變換，中間過程少，計算速度快；特征駝峰判別因子具有明確的物理意義，由于頻域駝峰先于失速先兆出現，通過識別頻域駝峰，為主動控制提供充足的響應時間，實現頻域駝峰的實時在線檢測。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種基于頻域駝峰識別的軸流壓氣機旋轉失速預警方法，其特征在于包括以下步驟:步驟1.持續采集壓氣機動態壓力信號，其中動態壓力傳感器垂直安裝于壁面孔內，且采樣頻率fs大于葉片通過頻率bpf的15～25倍；步驟2.每間隔一個旋轉周期計算一次動態壓力信號的頻譜:存儲采集的n點動態壓力信號，并利用快速傅里葉變換的得到其頻譜；其中，窗口長度n至少包含一個轉子周期的信號；信號快速傅里葉變換由以下公式實現:其中，x(n)表示當前窗口內的動態壓力信號，x(k)表示信號的離散頻譜，k為離散頻率的序號，f為信號的實際頻率；步驟3.利用步驟2得到的頻譜，計算當前窗口內的特征駝峰判別因子ch:其中，x(f)為信號的連續頻譜，x(k)為離散頻譜，f為頻率，m為頻域分段因子，0～mbpf為特征駝峰出現的頻段；k1是bpf對應的離散頻率序號；k2是mbpf對應的離散頻率序號；由parseval定理可知，ch表示信號在0～mbpf和0～bpf頻段所具有的能量之比；一旦特征駝峰出現，0～mbpf頻段的信號能量升高，使得ch增大；步驟4.利用檢測閾值chstall判斷壓氣機工作狀態；若某一時刻計算出的ch>chstall，則證明頻域駝峰出現，發出失速警報；否則，判定壓氣機穩定工作；在不同壓氣機轉速下，選取不同的檢測閾值chstall和頻域分段因子m。有益效果本發明提出的一種基于頻域駝峰識別的軸流壓氣機旋轉失速預警方法，該方法通過持續動態壓力信號采集，利用快速傅里葉變換持續計算一個壓氣機旋轉周期內的壓力信號的頻譜，計算頻譜對應的特征駝峰判別因子ch，通過將特征駝峰判別因子ch與檢測閾值chstall進行比較，判斷壓氣機是否靠近旋轉失速邊界。軸流壓氣機旋轉失速預警方法所定義的特征駝峰判別因子ch具有明確的物理意義，用于實時在線檢測先于旋轉失速出現的頻域駝峰，從而在壓氣機工作狀況接近旋轉失速邊界時就發出預警，比基于失速先兆預測的失速預警方法更加可靠。本發明基于頻域駝峰識別的軸流壓氣機旋轉失速預警方法只需要單一的信號傳感器，采用快速傅里葉變換，中間過程少且計算速度快，并為主動控制提供充足的響應時間。附圖說明下面結合附圖和實施方式對本發明一種基于頻域駝峰識別的軸流壓氣機旋轉失速預警方法作進一步詳細說明。圖1為本發明基于頻域駝峰識別的軸流壓氣機旋轉失速預警方法的流程圖。圖2為某轉速下的壓氣機特性圖。圖3為動態壓力傳感器的安裝位置示意圖。圖4為某轉速下，不同流量下的機匣壁動態壓力信號。圖5為某轉速下，不同流量下的信號頻譜圖。圖6為某轉速下，不同流量下的瞬態特征駝峰判別因子。具體實施方式本實施例是一種基于頻域駝峰識別的軸流壓氣機旋轉失速預警方法。該方法通過持續動態壓力信號采集，利用快速傅里葉變換持續計算一個壓氣機旋轉周期內的壓力信號的頻譜，計算頻譜對應的特征駝峰判別因子ch，通過將特征駝峰判別因子ch與檢測閾值chstall進行比較，判斷壓氣機是否靠近旋轉失速邊界。軸流壓氣機旋轉失速預警方法只需要單一信號傳感器；特征駝峰判別因子ch具有明確的物理意義，由于頻域駝峰先于失速先兆出現，通過識別頻域駝峰，為主動控制提供充足的響應時間，實現頻域駝峰的實時在線檢測。參閱圖1～圖6，本實施例基于頻域駝峰識別的軸流壓氣機旋轉失速預警方法，針對某壓氣機孤立轉子，其特性線如圖2所示，其中，pe為峰值效率工況；ns、ns1為近失速工況；s為失速邊界。下面應用軸流壓氣機旋轉失速預警方法針對某型壓氣機孤立轉子進行分析,具體步驟如下:第一步,持續采集壓氣機動態壓力信號，其中動態壓力傳感器垂直安裝于壁面孔內，且采樣頻率fs大于葉片通過頻率bpf的15～25倍。如圖3所示，本實施例中的動態壓力傳感器安裝在轉子葉片前緣的機匣壁面孔內，且采樣頻率fs為100khz。圖4給出了本實施例峰值效率工況pe、ns和ns1工況的動態壓力信號。第二步,每間隔一個旋轉周期計算一次動態壓力信號的頻譜。存儲最新采集的n點動態壓力信號，并利用快速傅里葉變換得到其頻譜。對于本實施例，n包含5個轉子周期，對應圖4中的t＝0.0369s。信號的快速傅里葉變換由以下公式實現:其中，x(n)表示當前窗口內的動態壓力信號，x(k)表示信號的離散頻譜，k為離散頻率的序號，f為信號的實際頻率。圖5給出了本實施例pe、ns和ns1工況下某段信號的頻譜圖；可以看出，在ns1工況的頻譜圖上存在低于葉片通過頻率的特征駝峰；而在pe和ns工況的頻譜圖中則沒有出現特征駝峰。第三步,根據當前的壓氣機轉速計算葉片通過頻率bpf和設置頻域分段因子m。利用第二步得到的頻譜，計算當前窗口內的特征駝峰判別因子ch:其中，x(f)為信號的連續頻譜；x(k)為離散頻譜；f為頻率；m為頻域分段因子，本實施例給定為0.5；k1是bpf對應的離散頻率序號；k2是mbpf對應的離散頻率序號。第四步,根據當前壓氣機的轉速設置檢測閾值chstall，本實施例取chstall為0.5。若某一時刻計算出的ch>0.5，則證明頻域駝峰出現，發出失速警報；否則，判定壓氣機穩定工作，返回第二步。圖6給出了本實施例pe、ns和ns1工況下的瞬態特征駝峰判別因子。對于頻譜圖中沒有出現駝峰的pe和ns工況，其瞬時特征駝峰判別因子ch始終小于0.5，判定壓氣機穩定工作。對于頻譜圖中出現駝峰的ns1工況，壓氣機已經非常靠近失速邊界，特征駝峰判別因子大于0.5。可以看出:對于本實施例，利用該方法在壓氣機工作狀況接近失速邊界時就發出預警，比基于失速先兆預測的失速預警方法更加可靠，并為主動控制系統提供了充分的準備時間。當前第1頁12當前第1頁12