一种涡轮增压器离心压气机喘振识别方法

摘要

本发明公开的一种涡轮增压器离心压气机喘振识别方法，涉及基于统计时间窗内压力波动数量来识别增压器离心压气机喘振的方法，属于流体机械设备状态监测和诊断技术领域。本发明包括如下步骤：步骤1：喘振信号采集；步骤2：设计匹配滤波器滤除叠加到喘振信号上的噪声，确定移动时间窗长度ΔT；步骤3：对经过匹配滤波器滤波后的信号，统计移动时间窗长度ΔT内信号波动数量；步骤4：根据统计出的移动时间窗长度ΔT内信号波动数量Δx，确定判定阈值ΔX0；步骤5：实时判别喘振。本发明提供一种用于增压器压气机性能测试试验中喘振自动识别方法，能够避免由人工判断而导致喘振边界测量不一致的问题，具有计算量小、准确度高、易于实现的优点。

说明书

技术领域

本发明属于流体机械设备状态监测和诊断技术领域，具体涉及一种基于统计时间窗内压气机进出口温度或压力信号波动数量来识别增压器离心压气机喘振的方法。

背景技术

增压技术是改善发动机性能的一种有效措施，可以显著的增加发动机的功率密度，提高其经济性，并有利于排放性能的改善。在发动机工作过程中，由于发动机工况的大范围变化，在压气机流量减小到一定程度时，压气机会发生喘振现象,此时增压系统中会出现周期低频大幅度的气体振荡现象,使得增压器无法正常工作。同时，喘振引起的振动可能破坏增压器的轴承和密封系统，从而影响发动机的正常工作。

为保证增压器能够在增压发动机上可靠的运行，在增压器与发动机匹配前，需要通过试验测得涡轮增压器压气机性能曲线，也就是压气机的MAP 图。图1为某型涡轮增压器压气机性能曲线图。如图1所示，测试得到的压气机性能曲线标示出了压气机喘振线,当压气机运行工况点进入喘振区时将发生喘振现象。在涡轮增压器与发动机匹配时,为确保发动机与增压器的匹配运行工况点均包含在压气机正常运行工况点内,通常在测试得到压气机喘振线基础上留有一定的裕度,划定一条防喘振线，在增压发动机所有运行工况下，增压器压气机的运行工况点都在防喘振线内，来保证增压发动机的可靠运行。喘振线是增压器压气机正常运行工况和非正常运行工况的一个分界线，其准确测量对保证增压器安全，高效运行具有重要的意义。如果测量不准确，使得防喘振曲线设置的过于保守，将缩小压气机的正常运行区域，特别的，压气机喘振线在压气机高压比，高效率区域，使得压气机性能无法充分发挥；另一方面，若设置的防喘振曲线接近喘振线，在增压发动机的运行中容易造成压气机的喘振,从而影响增压发动机的性能。

涡轮增压器压气机性能测试多是由人工完成的，测试人员按照自身经验来完成对压气机喘振的判断，通常用来判断的依据包括压气机进出口压力，温度的波动，增压器发出的声音发生变化。由于每个人判断喘振的标准不同，其最终会影响测试结果中喘振边界的确定，从而造成防喘振线设置的不准确或者同一台增压器不同试验人员测出的喘振边界存在差异。

发明内容

为解决涡轮增压器压气机性能测试试验中，喘振由人工判断而导致喘振边界测量不一致的问题，本发明公开的一种涡轮增压器离心压气机喘振识别方法，要解决的技术问题是提供一种用于增压器压气机性能测试试验中喘振自动识别方法，能够避免由人工判断而导致喘振边界测量不一致的问题，具有计算量小、准确度高、易于实现的优点。

本发明的技术方案实现方法如下。

本发明公开的一种涡轮增压器离心压气机喘振识别方法，包括如下步骤：

步骤1：喘振信号采集；

在压气机进出口或进出口管道上安装用于动态温度或动态压力测量传感器，采集安装到涡轮增压器压气机进出口或进出口管道上的动态压力或动态温度信号。

步骤2：设计匹配滤波器滤除叠加到喘振信号上的噪声，确定移动时间窗长度ΔT；

根据采集到的涡轮增压器压气机喘振信号波形得到滤波器系数矢量，即完成滤除叠加到喘振信号上的噪声的匹配滤波器设计；根据滤波器系数矢量维数和设定的采样频率确定移动时间窗长度ΔT。

步骤3：对经过步骤2中匹配滤波器滤波后的信号，统计移动时间窗长度ΔT内信号波动数量。

对经过步骤2中匹配滤波器滤波后的信号依次进行一次差分、Sign函数处理、再次差分运算，对再次差分运算后的移动时间窗长度ΔT内的所有数据点进行统计处理，统计出移动时间窗长度ΔT内信号波动数量Δx。

步骤4：根据步骤3统计出的移动时间窗长度ΔT内信号波动数量Δx，确定判定阈值ΔX₀；

步骤5：实时判别喘振；

实时采集步骤1安装的动态温度或动态压力测量传感器信号，利用步骤2设计匹配滤波器滤除叠加到喘振信号上的噪声，并按照步骤3统计移动时间窗长度ΔT内信号波动数量，并将步骤3统计移动时间窗长度ΔT内信号波动数量Δx与步骤4确定的判定阈值ΔX₀实时比较，当移动时间窗长度ΔT内信号波动数量Δx小于判定阈值ΔX₀时，判断发生喘振，即实现实时判别喘振。

还步骤6：所述的一种涡轮增压器离心压气机喘振识别方法，在涡轮增压器压气机性能测试领域和涡轮增压器压气机喘振在线识别领域具有实用价值与应用前景。例如：应用于涡轮增压发动机中涡轮增压器压气机喘振的在线监测，在压气机发生喘振时及时采取措施，以保证增压发动机的运行的可靠性。

所述步骤1采集压气机进出口信号的采样频率优选为80～100Hz。

所述步骤2设计匹配滤波器滤除叠加到喘振信号上的噪声，确定移动时间窗长度ΔT，具体实现步骤如下：

步骤2.1：设计匹配滤波器滤除叠加到喘振信号上的噪声。

根据步骤1测得的压气机喘振信号，截取一个完整的喘振波形数据，定义一个完整的喘振波形数据由m个采样点组成，则构成一个m维的信号矢量

其中：s(0),s(1),…,s(m-1)分别为一个完整喘振信号波形所包含的m个采样点的值。

选取匹配滤波器系数矢量系数k 为比例系数，比例系数k根据实测喘振信号的大小自由选取，即完成设计匹配滤波器，并利用匹配滤波器滤除叠加到喘振信号上的噪声。

步骤2.2：根据滤波器系数矢量维数和设定的采样频率确定移动时间窗长度ΔT，即根据如下公式确定移动时间窗长度ΔT：

其中，f为信号采样频率，m为一个完整的喘振波形数据所包含的采样点个数。

所述步骤3中差分运算、再次差分运算的差分运算方法定义如下：

定义离散信号x在k时刻的值为x(k)，k+1时刻的值为x(k+1)，其一阶差分信号y的计算方法为：y(k)＝x(k+1)-x(k)。

所述的步骤4确定判定阈值ΔX₀优选如下方法实现：

喘振发生时刻前,取m-1个时间窗长度内波动值的平均值在喘振点后，取m-1个时间窗长度内的波动数量平均值设定阈值取两者平均值，即确定判定阈值ΔX₀。

有益效果：

1、针对涡轮增压器压气机性能测试试验中，喘振由人工判断存在对喘振边界判定不一致的问题，本发明公开的一种涡轮增压器离心压气机喘振识别方法，可以替代涡轮增压器压气机性能测试中人工判喘，保证试验测试结果的一致性。

2、已有技术中统计波动数量，通常采用排序法、冒泡法求极值，需要进行循环和判断的运算或采用频谱分析方法进行FFT运算，本发明公开的一种涡轮增压器离心压气机喘振识别方法，通过简单进行一次差分、Sign 函数处理、再次差分运算，即能统计出波动数量，因此，计算量小。

3、本发明公开的一种涡轮增压器离心压气机喘振识别方法，经过匹配滤波滤除叠加到喘振信号上的噪声，喘振信号和正常信号波动数量对比明显，因此，准确度高。

4、本发明公开的一种涡轮增压器离心压气机喘振识别方法，在涡轮增压器压气机性能测试领域具有较大的实用价值与应用前景，例如：可应用于涡轮增压发动机中涡轮增压器压气机喘振的在线监测，在压气机发生喘振时及时采取措施，以保证增压发动机的运行的可靠性。

附图说明

图1为背景技术中某型涡轮增压器压气机性能曲线。

图2为本发明公开的喘振识别算法流程图；

图3为传感器安装位置示意图；

其中：1为涡轮增压器压气机，2为涡轮增压器涡轮，3为涡轮增压器压气机出口，4为涡轮增压器压气机出口连接管道，5为压气机出口测量传感器第一安装位置，6为压气机出口测量传感器第二安装位置，7为涡轮增压器压气机进口，8为涡轮增压器压气机进口连接管道，9为压气机进口测量传感器第一安装位置，10为压气机进口测量传感器第二安装位置。

图4为增压器喘振信号图；

图5为增压器喘振信号波形图；

图6为增压器喘振信号经匹配滤波和二阶差分后信号波动数量统计结果，其中：图6(a)为增压器喘振信号经匹配滤波后结果，图6(b)为二阶差分后信号波动数量统计结果；

图7为喘振判别结果图。

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，下面结合附图和具体实施方法对本发明内容作进一步的详细说明。

实施例1：

本实施例公开的一种涡轮增压器离心压气机喘振识别方法，流程图如图2所示，包括如下步骤：

步骤1：喘振信号采集；

在JP90涡轮增压器压气机进出口或进出口管道上安装动态压力传感器，用于测量压气机进出口气体的压力；如图3所示，动态压力传感器安装位置优选下述四种安装位置：第一种安装方式：安装到涡轮增压器压气机进口连接管道8上的压气机进口测量传感器第一安装位置；第二种安装方式：安装到涡轮增压器压气机进口7上的压气机进口测量传感器第二安装位置 10；第三种安装方式：安装到涡轮增压器压气机出口连接管道4上压气机出口测量传感器第一安装位置5；第四种安装方式：安装到涡轮增压器压气机出口3上压气机出口测量传感器第二安装位置6。本实例采用第三种安装方式，安装距离L2小于压气机出口管径d2＝75mm的3倍225mm，本实例将动态压力传感器安装在压气机出口管道上距压气机出口距离为200mm。

采集动态压力传感器数据，采样频率f＝100Hz，操作试验台控制系统调节涡轮增压器转速至30000r/min，调节增压器压气机运行状态至喘振状态, 得到正常运行工况和喘振工况下压气机出口压力信号，JP90涡轮增压器正常工况和喘振工况信号图如图4所示。图4中，在4秒处，涡轮增压器压气机由正常工况进入喘振工况。

步骤2：设计匹配滤波器滤除叠加到喘振信号上的噪声，确定移动时间窗长度ΔT。

步骤2.1：设计匹配滤波器滤除叠加到喘振信号上的噪声。

在步骤1得到的喘振工况信号中，截取其中一个完整的喘振波形，所截取喘振波形如图5所示，由11个数据点组成取滤系数k＝1，得到匹配滤波器系数矢量将步骤1中得到的正常工况和喘振工况信号，经步骤2设计的匹配滤波器滤波后，滤除叠加到喘振信号上的噪声，滤波后结果如图6(a)所示。

步骤2.2：根据滤波器系数矢量维数和设定的采样频率确定移动时间窗长度ΔT。

根据步骤2.2提供的移动时间窗长度ΔT计算公式，

m＝11，f＝100Hz，计算得到移动时间窗度长度取值范围为0.22～0.33 秒，选取ΔT＝0.3秒。

步骤3：对经过步骤2中匹配滤波器滤波后的信号，统计移动时间窗长度ΔT内信号波动数量。

将步骤2采集到的动态压力传感器信号经设计的匹配滤波器滤波后，进行一阶差分运算，经Sign函数运算后，再次进行差分运算，将运算结果取绝对值后在0.3秒的移动时间窗内求和，计算结果如图6(b)所示。

根据图6(b)，喘振从4秒处开始，喘振波形信号包含11个采样点，即m＝11，喘振发生时刻前，m-1个时间窗ΔT长度，即3秒((11-1)*0.3＝3 秒)内，波动数量平均值为126，即喘振发生时刻后，m-1个时间窗ΔT长度，即3秒((11-1)*0.3＝3秒)内，波动数量平均值为36，即

步骤4：确定判定阈值ΔX₀；

根据喘振阈值计算公式，

将步骤3得到的代入公式得到判定阈值ΔX₀＝81。

步骤5：实时判别喘振；

实时采集步骤1安装的动态压力测量传感器信号，利用步骤2设计匹配滤波器滤除叠加到喘振信号上的噪声，并按照步骤3统计移动时间窗长度ΔT内信号波动数量，并将步骤3统计移动时间窗长度ΔT内信号波动数量Δx与步骤4确定的判定阈值ΔX₀实时比较，当移动时间窗长度ΔT内信号波动数量Δx小于判定阈值ΔX₀＝81时，判断发生喘振，即实现实时判别喘振。喘振判别结果如图7所示。

还步骤6：所述的涡轮增压器离心压气机喘振识别方法，应用于涡轮增压发动机中涡轮增压器压气机喘振的在线识别，能够在压气机发生0.5秒后，判断出喘振的发生。

尽管本文描述了本发明内容的一种具体实施方式，但本领域的技术人员能够构想出一些不改变实质性发明内容的实施方式的修改和变化，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案,均应落在本发明要求的保护范围内。因此，应当理解的是，所附权利要求意在涵盖在本质上与本发明实质性内容相同的这些修改和变化。