一种叶轮机气动失稳的预警方法技术

本发明专利技术涉及一种叶轮机气动失稳的预警方法，包括：在叶轮机机匣的壁面处设置一动态压力传感器，以采集叶片产生的壁面静压并记录动态压力信号；通过当前转子周期和前一个转子周期的采样点实时计算获得当前采样点的周期性系数Rc；通过前一个转子周期和再之前一个转子周期的采样点获取当前采样点之前的周期性系数Rc，并以此类推，连续的获得周期性系数Rc；设定一阈值Rcth，并计算在当前采样点之前一个统计窗内计算周期性系数Rc小于或等于阈值Rcth的概率F(Rcth)；预设一工作裕度的预警值，比较概率F(Rcth)与预警值的大小，当概率F(Rcth)大于预警值时，产生预警信号。本发明专利技术提供的叶轮机气动失稳的预警方法能够更早的发出失速预警信号。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种叶轮机气动失稳的预警方法，尤其涉及一种基于气动声学原理的高速叶轮机气动失稳预警方法，属于叶轮机

技术介绍
现有技术中，常见的失速预警技术通常是采用压气机失速先兆探测的方式（包括modalwaves和spikes）。现有结果表明，从探测到modalwaves或spikes类的失速先兆到压气机失速，仅有0.03-1秒的时间。在这种情况下，各种主动/被动控制系统通常没有足够的时间启动。在工程实际中，导致高速叶轮机失速起始的变化因素复杂多样，任何工况的改变都将导致失速先兆的发生位置出现变化，如何实现准确可靠的失速预警，长期以来一直是研究人员关注的焦点。同时，从发现失速预警信号到气动失稳发生，时间都非常短暂，捕捉、识别失速预警信号极其困难，并且容易产生误报。
技术实现思路
综上所述，确有必要提供一种能够延长预警时间且准确度高的叶轮机气动失稳的预警方法。一种叶轮机气动失稳的预警方法，包括：在叶轮机机匣的壁面处设置一动态压力传感器，以采集叶片产生的壁面静压并记录动态压力信号；通过当前转子周期和前一个转子周期的采样点实时计算获得当前采样点的周期性系数Rc：其中，Rc(j)为Rc在第j个采样点值，j为当前采样点的编号；向量为从连续采集的动态压力信号中提取的一个计算窗口内的信号，N是一个转子周期内的采样点，为一个转子周期之前的信号；n是计算窗口内的采样点数；根据上述公式通过前一个转子周期和再之前一个转子周期的采样点获取当前采样点之前的周期性系数Rc，并以此类推，获得周期性系数Rc的时间序列；设定一阈值Rcth，并计算在当前采样点之前一个统计窗内计算周期性系数Rc小于或等于阈值Rcth的概率F(Rcth)；预设一工作裕度的预警值，比较概率F(Rcth)与预警值的大小，当概率F(Rcth)大于预警值时，产生失速预警信号。所述动态压力传感器有且仅有一个，并且所述动态压力传感器与叶轮机机匣的壁面平齐。所述动态压力传感器与叶片前缘之间的距离为5毫米至20毫米。所述阈值Rcth的选取范围为0.8-0.9。在一个统计窗内，周期性系数Rc小于阈值Rcth的概率随着稳定工作裕度的减小而增大，所述预警值的选取范围为0.6-0.7。周期性系数Rc小于或等于阈值Rcth的概率F(Rcth)为：F(Rcth)＝P(Rc≤Rcth)其中，P(Rc≤Rcth)表示概率值。n取为1个叶片通道所占的采样长度。从当前采样点时刻向前取预定一段时间，定义一个统计窗；在统计窗内计算周期性系数Rc小于或等于Rcth的概率，该概率就是当前采样点时刻F(Rcth)的值，当前采样点定义为一个统计点；经过预设的一段时间后，再一次对新的统计窗内的周期性系数Rc计算概率F(Rcth)，获得新统计点概率F(Rcth)的值，两个统计点之间的时间差定义为时间步；时间步长小于统计窗的宽度，相邻的两个统计窗之间有交叠。相对于现有技术，本专利技术提供的叶轮机气动失稳的预警方法，通过在叶轮机机匣的壁面处设置一动态压力传感器，并引入周期性系数，测试方案简单，并且数据处理便捷。另外，本专利技术采集壁面静压，便于实时实施周期性系数运算和概率统计分析，并准确可靠的进行失速预警信号判定，而且预警时间充分，足以满足工程实用。附图说明图1为本专利技术提供的失速预警方法中动态压力传感器安装位置示意图。图2为图1所示动态压力传感器采集信号的示意图。图3为本专利技术实施例中稳定工作和近失稳状态条件下传感器信号的周期性：(a)设计工作点；(b)近失速工作点。图4为本专利技术实施例中周期性系数Rc的计算方法。图5为本专利技术实施例提供的叶轮机失速预警方法技术方案的实施路径。具体实施方式下面将结合附图详细说明本专利技术实施例的基于气动声学原理的叶轮机气动失稳预警方法。叶轮机叶片通过某一固定位置是一个周期性事件，可用于获得更长的失速预警时间。这一周期性会反映在近场压力传感器所采集到的压力信号上并且会随着压气机工作点靠近失速边界而变差。这种周期性变坏的现象首先随机地发生在个别叶片通道，随着工作点逐渐靠近失速边界，这种现象逐步扩展到更多的叶片通道，发生频率也越来越高。这一现象可以看作压气机失速前的“孤立事件”。从系统演化阶段去探测失速预警信号，获得的预警时间必然是有限的。通过把注意力放在系统演化到失速之前的“孤立事件”上，能够获得更长的失速预警时间。通过在高速轮机匣壁面处设置一动态压力传感器用于采集动态压力信号，在压缩系统远离失速边界的工况下该信号是准周期信号，当工作点靠近失速边界时，由于涡脱落导致的叶片环量脉动使得这种周期性被破坏。为了量化评价这种周期性，定义周期性系数Rc，当压缩系统工作在稳定工作状态时，周期性系数Rc接近于1。而接近气动失稳边界时，周期性系数其值会迅速下降。设定一个阈值Rcth，在一个统计窗内周期性系数Rc小于阈值Rcth的概率随着稳定工作裕度的减小而增大。当工作裕度降低到一预设的预警值时，周期性系数Rc小于阈值Rcth的概率超过预警值，系统产生失速预警信号。请一并参阅图1及图2，本专利技术实施例提供的基于气动声学原理的叶轮机气动失稳的预警方法包括如下步骤。首先，在叶轮机机匣的壁面处设置一动态压力传感器，以采集叶片产生的壁面静压并记录动态压力信号。所述动态压力传感器可与叶轮机机匣的壁面平齐，从而能够避免动态压力传感器对叶轮机中叶片的影响，以准确、方便的采集壁面静压。在沿叶轮机机匣的轴向方向上，所述动态压力传感器靠近所述叶片设置。具体的，所述动态压力传感器与叶片前缘之间的距离可为5毫米至20毫米，优选的，所述动态压力传感器设置于壁面与叶片前缘之间的最短距离处，并嵌入叶轮机机匣中，从而能够更加完整的记录压力波信息。本实施中，在所述叶轮机机匣的壁面上有且仅有一个动态压力传感器。在航空发动机压缩系统（风扇/压气机）中，旋转的叶片通过某一固定位置是一个周期性事件，这一周期性现象可以通过安装于叶片靠近进气口的方向的所述动态压力传感器所采集到的动态压力信号上获得。具体的，某一个确定的叶片在通过所述动态压力传感器位置时，所述动态压力传感器记录为动态压力信号上的一个尖峰，称之为一个叶片信号。当该叶片再次通过该动态压力传感器位置时，所述动态压力传感器再次记录，并在动态压力信号的下一个转子周期内再次被记录为一个叶片信号。以此类推，同一个叶片在动态压力信号的各个转子周期内都会被记录为相应的尖峰。单个孤立叶片载荷的变化可能不足以显著影响压气机/风扇的性能，此时也无法探测到失速先兆波。但叶片载荷的变化会产生相应的压力波向外传播，并被近场传感器记录下来。由于所述动态压力传感器要记录相对完整的压力波信息，因此所述动态压力传感器应该设置在尽可能靠近转子叶片的位置。典型的相邻转子周期内的动态压力信号请参阅图3，曲线1和曲线2分别是某一选定的叶片当前转子周期和前一转子周期内的压力信号。在设计工作点，当前转子周期和前一转子周期的动态压力信号基本上是重合的，只有很细小的差异。这意味着动态压力信号是准周期性的，周期与转子周期相同。在近失速点，可以观察到两个相邻转子周期的动态压力信号存在明显的差异，动态压力信号的不规则性变强，在设计点存在的准周期性被破坏。其次，由于在压缩系统远离失速边界的工况下动态压力信号是准周期信号，当工作点靠近失本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种叶轮机气动失稳的预警方法，包括：在叶轮机机匣的壁面处设置一动态压力传感器，以采集叶片产生的壁面静压并记录动态压力信号；通过当前转子周期和前一个转子周期的采样点实时计算获得当前采样点的周期性系数Rc：其中，Rc(j)为Rc在第j个采样点值，j为当前采样点的编号；向量为从连续采集的动态压力信号中提取的一个计算窗口内的信号，N是一个转子周期内的采样点，为一个转子周期之前的信号；n是计算窗口内的采样点数；根据上述公式通过前一个转子周期和再之前一个转子周期的采样点获取当前采样点之前的周期性系数Rc，并以此类推，获得周期性系数Rc的时间序列；设定一阈值Rcth，并计算在当前采样点之前一个统计窗内计算周期性系数Rc小于或等于阈值Rcth的概率F(Rcth)；预设一工作裕度的预警值，比较概率F(Rcth)与预警值的大小，当概率F(Rcth)大于预警值时，产生失速预警信号。

【技术特征摘要】
1.一种叶轮机气动失稳的预警方法，包括：在叶轮机机匣的壁面处设置一动态压力传感器，以采集叶片产生的壁面静压并记录动态压力信号；通过当前转子周期和前一个转子周期的采样点实时计算获得当前采样点的周期性系数Rc：其中，Rc(j)为Rc在第j个采样点值，j为当前采样点的编号；向量为从连续采集的动态压力信号中提取的一个计算窗口内的信号，N是一个转子周期内的采样点，为一个转子周期之前的信号；n是计算窗口内的采样点数；根据上述公式通过前一个转子周期和再之前一个转子周期的采样点获取当前采样点之前的周期性系数Rc，并以此类推，获得周期性系数Rc的时间序列；设定一阈值Rcth，并计算在当前采样点之前一个统计窗内计算周期性系数Rc小于或等于阈值Rcth的概率F(Rcth)；预设一工作裕度的预警值，比较概率F(Rcth)与预警值的大小，当概率F(Rcth)大于预警值时，产生失速预警信号。2.如权利要求1所述的叶轮机气动失稳的预警方法，其特征在于，所述动态压力传感器有且仅有一个，并且所述动态压力传感器与叶轮机机匣的壁面平齐。3.如权利要求2所述的叶轮机气动失稳的预警方法，其特征在于，所述动态压力传感器与叶片前缘之间的距离为5毫米至20毫米。4.如权利要求1所述的叶轮机气动失稳的预警方法，其特征在于，所述阈值Rcth的选取范围为0.8-0.9。5.如权利要求1所述的叶轮机气动失稳的预警方法，其特征在于，在一个统计窗内，周期性系数Rc小于阈值Rcth的概率随着稳定工作裕度的减小而增大，所述预警值的选取范围为0.6-0.7。6.如权利要求1所述的叶轮机气动失稳的预警方法，其特征在于，周期性系数Rc小于或等于阈值Rcth的概率F(Rcth)为：F(Rcth)＝P(Rc≤Rcth)；其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙大坤，李凡玉，董旭，孙晓峰，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11