基于单路传感器信号的压气机失速先兆信号重构与识别方法

摘要

本发明提供了一种基于单路传感器信号的压气机失速先兆信号重构与识别方法。首先通过安装在压气机前级机匣周向上的单路传感器获得压力信号；然后根据压气机失速先兆信号的旋转特性,采用信号平移法模拟沿周向的多路传感器输出，实现压气机多路失速先兆信号重构。对重构的多路失速先兆信号以向量形式表示为环面平均值与周向压力扰动的叠加，对其中的周向压力扰动向量进行空间傅立叶变换，分解为多阶模态波的叠加；其中将第一阶模态幅值与设定的阀值比较，超过该阀值时认为即将发生失速，实现失速先兆信号的识别。本发明可实现用单个传感器代替多个传感器，避免了安装多个传感器的不足，具有较大的工程应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及航空涡轮发动机技术领域，具体涉及一种基于单路传感器信号的压气机失速先兆信号重构与识别方法。

背景技术

作为现代飞机的动力，航空涡轮发动机为了提高推重比、扩展稳定工作范围，要求其压气机部件具有更高的增压比和更宽的稳定工作范围。然而根据压气机工作原理，随着增压比提高，进入压气机的空气流量减少，气流将产生失速，进而引发喘振，使压气机进入不稳定区域，影响压气机甚至整个发动机的工作安全。

航空涡轮发动机工作时需要对压气机失速与喘振进行控制，其中在失速即将发生时，压气机处于不稳定工况，其环腔内压力早期信号(即失速先兆)的变化，可预示压气机失速行为。在技术上,进行失速和喘振控制的前提是需通过传感器测量信号,并准确识别失速先兆。

目前，关于压气机失速先兆信号识别的典型方法有：

(1)沿压气机周向均布多个压力传感器，在失速过程中同步测取各传感器的信号，然后对获取的多路失速信号进行空间傅立叶变换，根据空间信号的幅值斜率信息，实现失速先兆识别。典型如专利申请公布号CN103198193A所公开的，该方法的局限性在于需在压气机周向上安装多个传感器，在工程实际应用时，特别是受发动机结构限制，传感器安装困难，且成本高。

(2)通过压气机周向的多个传感器检测压力信号，根据测取的压气机完整失速工作过程数据，然后采用小波变换法对所测信号进行滤波，并通过在一个转子周期内滤波前后信号的互相关系数变化实现失速先兆信号识别。典型如专利申请公布号CN103216461A所公开的，该方法的局限性在于数据量大、耗时长，无法满足工程上失速与喘振控制时对失速信号识别的实时性要求。

发明内容

要解决的技术问题

针对现有技术关于压气机失速先兆信号获取与识别方法的不足，本发明根据压气机失速信号的旋转特性，提出一种基于采用单路传感器信号的压气机失速先兆信号重构与识别方法，为压气机稳定控制提供依据。

技术方案

一种基于单路传感器信号的压气机失速先兆信号重构与识别方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：通过安装在压气机前级机匣周向上的单路压力传感器，采集压力信号其中θ₀定义为传感器安装的周向位置，θ表示沿周向的角度，下标0表示初始位置，t表示时间，为在周向位置θ₀处失速先兆压力信号随时间t的变化；

步骤2：以步骤1单路传感器获取的压力信号作为原始信号，根据压气机失速先兆信号的旋转特性，采用信号平移法，将原始信号在时间方向上平移，重构周向位置θ_m处的压力信号以模拟沿周向的第m路传感器输出，重构获得的第m路压力信号随时间的变化关系为：

其中：

T代表信号重构时，压力信号在时间方向平移的步长；为了使重构信号不失真地恢复失速先兆信号信息，根据香农采样定理，T的取值应为T＜0.5T_signal，其中T_signal为失速先兆信号周向旋转的最小周期；

步骤3：将单路传感器获取的原始信号以及由此信号按上述步骤2重构的2N路信号，共2N+1路信号转换为向量形式表示，具体方法如下：

原始信号以及重构的2N路信号每一路信号均可表示为环面平均值Ψ(t)与周向压力扰动叠加的形式，即：

其中：

2N+1路压力信号m＝0,1,2,……,2N的向量表示为：

2N+1路周向压力扰动m＝0,1,2,……,2N的向量表示为：

步骤4：对向量表示的2N+1路周向压力扰动信号进行空间傅立叶变换，分解为N阶模态的叠加，具体方法为：

取N阶模态，通过空间傅立叶变换矩阵计算向量形式的模态系数

其中：

a₀为常数；a_n、b_n即为第n阶模态的实部和虚部，n＝1,2,……,N；

G为傅立叶矩阵：

由此，将2N+1路周向压力扰动m＝0,1,2,……,2N分解为N阶模态的叠加：

步骤5：计算一阶模态幅值设定阀值为一阶模态稳定幅值经验值的e％，将一阶模态幅值与阀值比较：当一阶模态幅值超过设定的阀值时，即认为失速即将发生。

有益效果

本发明提出的一种基于单路传感器信号的压气机失速先兆信号重构与识别方法，特点如下：

1.采用单路传感器代替多路传感器；

2.通过信号平移法对单路传感器获得的原始信号进行处理，重构出多路失速先兆信号；

3.通过空间傅里叶变换的方法对重构的压气机信号进行处理，分解为多阶模态波的叠加；

4.通过一阶模态的幅值与阀值的比较，对是否发生失速进行判断。

本发明的有益效果是：

根据压气机失速信号的旋转特性，通过单路传感器信号重构出压气机周向多路失速先兆信号，并用于失速先兆识别，避免了安装大量传感器的不足，具有较大的工程应用价值。

附图说明

图1是本发明一种基于单路传感器信号的压气机失速先兆信号重构与识别方法的流程框图

图2是根据压气机理论及实验获得的压气机沿周向均布位置失速先兆压力扰动随时间变化图

图3是本发明实施例中由单路失速信号及重构出的周向位置多路失速先兆信号随时间变化图

图4是本发明实施例中基于重构信号空间傅里叶变换得到的各阶模态幅值随时间变化图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本实施例中的一种基于单路传感器信号的压气机失速先兆信号重构与识别方法，包括以下步骤：

步骤1：在压气机前级机匣周向安装单路压力传感器以获得压气机在θ₀位置的压力信号

步骤2：以上述单路传感器获取的压力信号作为原始信号，取2N＝14，T＝0.25T_signal，通过信号平移法重构出θ₁……θ₁₄处的信号原始信号及重构获得的周向多路失速先兆信号随时间变化如附图3(作为示意，图中画出其中θ₃，θ₆，θ₉，θ₁₂处的信号)。

步骤3：将原始信号与重构获得的14路信号共15路信号分别表示为环

面平均值Ψ(t)与周向压力扰动叠加的形式，即：

其中：

15路压力信号m＝0,1,2……,14的向量表示为：

15路周向压力扰动m＝0,1,2……,14的向量表示为：

步骤4：对向量表示的15路周向压力扰动信号进行空间傅立叶变换，取N＝7，分解为7阶模态波的叠加，具体方法为：

通过空间傅立叶变换矩阵计算向量形式的模态系数

其中：

a₀为常数；a_n、b_n即为第n阶模态的实部和虚部，n＝1,2,…,7；

G为傅立叶矩阵：

由此，将15路周向压力扰动m＝0,1,2……,14分解为7阶模态的叠加：

步骤5：各阶模态幅值为n＝1,2,…,7，其中第一阶模态幅值反映了失速先兆信号的强度，取第一阶模态幅值Ω₁的e％为阀值，其中e＝45，将第一阶模态幅值与该阀值比较，当第一阶模态幅值Ω₁超过该阀值时，即认为失速即将发生。

图4是将重构的失速先兆信号分解得到的7阶模态波(由于高级模态幅值更小，失速识别可忽略，因此图中只画出了前4阶)的发展过程。从图中可以看出，压气机失速发展过程中，低阶模态扰动占主导作用，当第一阶模态幅值大于阀值时，压气机发生旋转失速。

为了评估本方法——基于单路传感器信号重构压气机周向多路失速先兆信号，并对压气机失速先兆进行识别的方法有效性，将本方法步骤2通过信号平移法，由单路失速先兆信号及重构出的周向位置多路失速先兆信号图3，与周向各位置传感器实测信号波形图2对比：图2各路信号起始略有不同，但各信号后续的幅值、频率、相位一致，压气机失速过程沿周向位置的压力信号具有明显的旋转特性；图3中各路信号为图2的θ₀处信号移位生成，虽然与图2中各周向对应位置信号的细节不同，但幅值、频率、相位一致，能够反映失速先兆信号的发展过程。