本發(fā)明屬于流體機械設備狀態(tài)監(jiān)測和診斷技術領域，具體涉及一種基于統(tǒng)計時間窗內壓氣機進出口溫度或壓力信號波動數(shù)量來識別增壓器離心壓氣機喘振的方法。

背景技術：

增壓技術是改善發(fā)動機性能的一種有效措施，可以顯著的增加發(fā)動機的功率密度，提高其經(jīng)濟性，并有利于排放性能的改善。在發(fā)動機工作過程中，由于發(fā)動機工況的大范圍變化，在壓氣機流量減小到一定程度時，壓氣機會發(fā)生喘振現(xiàn)象,此時增壓系統(tǒng)中會出現(xiàn)周期低頻大幅度的氣體振蕩現(xiàn)象,使得增壓器無法正常工作。同時，喘振引起的振動可能破壞增壓器的軸承和密封系統(tǒng)，從而影響發(fā)動機的正常工作。

為保證增壓器能夠在增壓發(fā)動機上可靠的運行，在增壓器與發(fā)動機匹配前，需要通過試驗測得渦輪增壓器壓氣機性能曲線，也就是壓氣機的map圖。圖1為某型渦輪增壓器壓氣機性能曲線圖。如圖1所示，測試得到的壓氣機性能曲線標示出了壓氣機喘振線,當壓氣機運行工況點進入喘振區(qū)時將發(fā)生喘振現(xiàn)象。在渦輪增壓器與發(fā)動機匹配時,為確保發(fā)動機與增壓器的匹配運行工況點均包含在壓氣機正常運行工況點內,通常在測試得到壓氣機喘振線基礎上留有一定的裕度,劃定一條防喘振線，在增壓發(fā)動機所有運行工況下，增壓器壓氣機的運行工況點都在防喘振線內，來保證增壓發(fā)動機的可靠運行。喘振線是增壓器壓氣機正常運行工況和非正常運行工況的一個分界線，其準確測量對保證增壓器安全，高效運行具有重要的意義。如果測量不準確，使得防喘振曲線設置的過于保守，將縮小壓氣機的正常運行區(qū)域，特別的，壓氣機喘振線在壓氣機高壓比，高效率區(qū)域，使得壓氣機性能無法充分發(fā)揮；另一方面，若設置的防喘振曲線接近喘振線，在增壓發(fā)動機的運行中容易造成壓氣機的喘振,從而影響增壓發(fā)動機的性能。

渦輪增壓器壓氣機性能測試多是由人工完成的，測試人員按照自身經(jīng)驗來完成對壓氣機喘振的判斷，通常用來判斷的依據(jù)包括壓氣機進出口壓力，溫度的波動，增壓器發(fā)出的聲音發(fā)生變化。由于每個人判斷喘振的標準不同，其最終會影響測試結果中喘振邊界的確定，從而造成防喘振線設置的不準確或者同一臺增壓器不同試驗人員測出的喘振邊界存在差異。

技術實現(xiàn)要素：

為解決渦輪增壓器壓氣機性能測試試驗中，喘振由人工判斷而導致喘振邊界測量不一致的問題，本發(fā)明公開的一種渦輪增壓器離心壓氣機喘振識別方法，要解決的技術問題是提供一種用于增壓器壓氣機性能測試試驗中喘振自動識別方法，能夠避免由人工判斷而導致喘振邊界測量不一致的問題，具有計算量小、準確度高、易于實現(xiàn)的優(yōu)點。

本發(fā)明的技術方案實現(xiàn)方法如下。

本發(fā)明公開的一種渦輪增壓器離心壓氣機喘振識別方法，包括如下步驟：

步驟1：喘振信號采集；

在壓氣機進出口或進出口管道上安裝用于動態(tài)溫度或動態(tài)壓力測量傳感器，采集安裝到渦輪增壓器壓氣機進出口或進出口管道上的動態(tài)壓力或動態(tài)溫度信號。

步驟2：設計匹配濾波器濾除疊加到喘振信號上的噪聲，確定移動時間窗長度δt；

根據(jù)采集到的渦輪增壓器壓氣機喘振信號波形得到濾波器系數(shù)矢量，即完成濾除疊加到喘振信號上的噪聲的匹配濾波器設計；根據(jù)濾波器系數(shù)矢量維數(shù)和設定的采樣頻率確定移動時間窗長度δt。

步驟3：對經(jīng)過步驟2中匹配濾波器濾波后的信號，統(tǒng)計移動時間窗長度δt內信號波動數(shù)量。

對經(jīng)過步驟2中匹配濾波器濾波后的信號依次進行一次差分、sign函數(shù)處理、再次差分運算，對再次差分運算后的移動時間窗長度δt內的所有數(shù)據(jù)點進行統(tǒng)計處理，統(tǒng)計出移動時間窗長度δt內信號波動數(shù)量δx。

步驟4：根據(jù)步驟3統(tǒng)計出的移動時間窗長度δt內信號波動數(shù)量δx，確定判定閾值δx0；

步驟5：實時判別喘振；

實時采集步驟1安裝的動態(tài)溫度或動態(tài)壓力測量傳感器信號，利用步驟2設計匹配濾波器濾除疊加到喘振信號上的噪聲，并按照步驟3統(tǒng)計移動時間窗長度δt內信號波動數(shù)量，并將步驟3統(tǒng)計移動時間窗長度δt內信號波動數(shù)量δx與步驟4確定的判定閾值δx0實時比較，當移動時間窗長度δt內信號波動數(shù)量δx小于判定閾值δx0時，判斷發(fā)生喘振，即實現(xiàn)實時判別喘振。

還步驟6：所述的一種渦輪增壓器離心壓氣機喘振識別方法，在渦輪增壓器壓氣機性能測試領域和渦輪增壓器壓氣機喘振在線識別領域具有實用價值與應用前景。例如：應用于渦輪增壓發(fā)動機中渦輪增壓器壓氣機喘振的在線監(jiān)測，在壓氣機發(fā)生喘振時及時采取措施，以保證增壓發(fā)動機的運行的可靠性。

所述步驟1采集壓氣機進出口信號的采樣頻率優(yōu)選為80～100hz。

所述步驟2設計匹配濾波器濾除疊加到喘振信號上的噪聲，確定移動時間窗長度δt，具體實現(xiàn)步驟如下：

步驟2.1：設計匹配濾波器濾除疊加到喘振信號上的噪聲。

根據(jù)步驟1測得的壓氣機喘振信號，截取一個完整的喘振波形數(shù)據(jù)，定義一個完整的喘振波形數(shù)據(jù)由m個采樣點組成，則構成一個m維的信號矢量

其中：s(0),s(1),…,s(m-1)分別為一個完整喘振信號波形所包含的m個采樣點的值。

選取匹配濾波器系數(shù)矢量系數(shù)k為比例系數(shù)，比例系數(shù)k根據(jù)實測喘振信號的大小自由選取，即完成設計匹配濾波器，并利用匹配濾波器濾除疊加到喘振信號上的噪聲。

步驟2.2：根據(jù)濾波器系數(shù)矢量維數(shù)和設定的采樣頻率確定移動時間窗長度δt，即根據(jù)如下公式確定移動時間窗長度δt：

其中，f為信號采樣頻率，m為一個完整的喘振波形數(shù)據(jù)所包含的采樣點個數(shù)。

所述步驟3中差分運算、再次差分運算的差分運算方法定義如下：

定義離散信號x在k時刻的值為x(k)，k+1時刻的值為x(k+1)，其一階差分信號y的計算方法為：y(k)＝x(k+1)-x(k)。

所述的步驟4確定判定閾值δx0優(yōu)選如下方法實現(xiàn)：

喘振發(fā)生時刻前,取m-1個時間窗長度內波動值的平均值在喘振點后，取m-1個時間窗長度內的波動數(shù)量平均值設定閾值取兩者平均值，即確定判定閾值δx0。

有益效果：

1、針對渦輪增壓器壓氣機性能測試試驗中，喘振由人工判斷存在對喘振邊界判定不一致的問題，本發(fā)明公開的一種渦輪增壓器離心壓氣機喘振識別方法，可以替代渦輪增壓器壓氣機性能測試中人工判喘，保證試驗測試結果的一致性。

2、已有技術中統(tǒng)計波動數(shù)量，通常采用排序法、冒泡法求極值，需要進行循環(huán)和判斷的運算或采用頻譜分析方法進行fft運算，本發(fā)明公開的一種渦輪增壓器離心壓氣機喘振識別方法，通過簡單進行一次差分、sign函數(shù)處理、再次差分運算，即能統(tǒng)計出波動數(shù)量，因此，計算量小。

3、本發(fā)明公開的一種渦輪增壓器離心壓氣機喘振識別方法，經(jīng)過匹配濾波濾除疊加到喘振信號上的噪聲，喘振信號和正常信號波動數(shù)量對比明顯，因此，準確度高。

4、本發(fā)明公開的一種渦輪增壓器離心壓氣機喘振識別方法，在渦輪增壓器壓氣機性能測試領域具有較大的實用價值與應用前景，例如：可應用于渦輪增壓發(fā)動機中渦輪增壓器壓氣機喘振的在線監(jiān)測，在壓氣機發(fā)生喘振時及時采取措施，以保證增壓發(fā)動機的運行的可靠性。

附圖說明

圖1為背景技術中某型渦輪增壓器壓氣機性能曲線。

圖2為本發(fā)明公開的喘振識別算法流程圖；

圖3為傳感器安裝位置示意圖；

其中：1為渦輪增壓器壓氣機，2為渦輪增壓器渦輪，3為渦輪增壓器壓氣機出口，4為渦輪增壓器壓氣機出口連接管道，5為壓氣機出口測量傳感器第一安裝位置，6為壓氣機出口測量傳感器第二安裝位置，7為渦輪增壓器壓氣機進口，8為渦輪增壓器壓氣機進口連接管道，9為壓氣機進口測量傳感器第一安裝位置，10為壓氣機進口測量傳感器第二安裝位置。

圖4為增壓器喘振信號圖；

圖5為增壓器喘振信號波形圖；

圖6為增壓器喘振信號經(jīng)匹配濾波和二階差分后信號波動數(shù)量統(tǒng)計結果，其中：圖6(a)為增壓器喘振信號經(jīng)匹配濾波后結果，圖6(b)為二階差分后信號波動數(shù)量統(tǒng)計結果；

圖7為喘振判別結果圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結合附圖和具體實施方法對本發(fā)明內容作進一步的詳細說明。

實施例1：

本實施例公開的一種渦輪增壓器離心壓氣機喘振識別方法，流程圖如圖2所示，包括如下步驟：

步驟1：喘振信號采集；

在jp90渦輪增壓器壓氣機進出口或進出口管道上安裝動態(tài)壓力傳感器，用于測量壓氣機進出口氣體的壓力；如圖3所示，動態(tài)壓力傳感器安裝位置優(yōu)選下述四種安裝位置：第一種安裝方式：安裝到渦輪增壓器壓氣機進口連接管道8上的壓氣機進口測量傳感器第一安裝位置；第二種安裝方式：安裝到渦輪增壓器壓氣機進口7上的壓氣機進口測量傳感器第二安裝位置10；第三種安裝方式：安裝到渦輪增壓器壓氣機出口連接管道4上壓氣機出口測量傳感器第一安裝位置5；第四種安裝方式：安裝到渦輪增壓器壓氣機出口3上壓氣機出口測量傳感器第二安裝位置6。本實例采用第三種安裝方式，安裝距離l2小于壓氣機出口管徑d2＝75mm的3倍225mm，本實例將動態(tài)壓力傳感器安裝在壓氣機出口管道上距壓氣機出口距離為200mm。

采集動態(tài)壓力傳感器數(shù)據(jù)，采樣頻率f＝100hz，操作試驗臺控制系統(tǒng)調節(jié)渦輪增壓器轉速至30000r/min，調節(jié)增壓器壓氣機運行狀態(tài)至喘振狀態(tài),得到正常運行工況和喘振工況下壓氣機出口壓力信號，jp90渦輪增壓器正常工況和喘振工況信號圖如圖4所示。圖4中，在4秒處，渦輪增壓器壓氣機由正常工況進入喘振工況。

步驟2：設計匹配濾波器濾除疊加到喘振信號上的噪聲，確定移動時間窗長度δt。

步驟2.1：設計匹配濾波器濾除疊加到喘振信號上的噪聲。

在步驟1得到的喘振工況信號中，截取其中一個完整的喘振波形，所截取喘振波形如圖5所示，由11個數(shù)據(jù)點組成取濾系數(shù)k＝1，得到匹配濾波器系數(shù)矢量將步驟1中得到的正常工況和喘振工況信號，經(jīng)步驟2設計的匹配濾波器濾波后，濾除疊加到喘振信號上的噪聲，濾波后結果如圖6(a)所示。

步驟2.2：根據(jù)濾波器系數(shù)矢量維數(shù)和設定的采樣頻率確定移動時間窗長度δt。

根據(jù)步驟2.2提供的移動時間窗長度δt計算公式，

m＝11，f＝100hz，計算得到移動時間窗度長度取值范圍為0.22～0.33秒，選取δt＝0.3秒。

步驟3：對經(jīng)過步驟2中匹配濾波器濾波后的信號，統(tǒng)計移動時間窗長度δt內信號波動數(shù)量。

將步驟2采集到的動態(tài)壓力傳感器信號經(jīng)設計的匹配濾波器濾波后，進行一階差分運算，經(jīng)sign函數(shù)運算后，再次進行差分運算，將運算結果取絕對值后在0.3秒的移動時間窗內求和，計算結果如圖6(b)所示。

根據(jù)圖6(b)，喘振從4秒處開始，喘振波形信號包含11個采樣點，即m＝11，喘振發(fā)生時刻前，m-1個時間窗δt長度，即3秒((11-1)*0.3＝3秒)內，波動數(shù)量平均值為126，即喘振發(fā)生時刻后，m-1個時間窗δt長度，即3秒((11-1)*0.3＝3秒)內，波動數(shù)量平均值為36，即

步驟4：確定判定閾值δx0；

根據(jù)喘振閾值計算公式，

將步驟3得到的代入公式得到判定閾值δx0＝81。

步驟5：實時判別喘振；

實時采集步驟1安裝的動態(tài)壓力測量傳感器信號，利用步驟2設計匹配濾波器濾除疊加到喘振信號上的噪聲，并按照步驟3統(tǒng)計移動時間窗長度δt內信號波動數(shù)量，并將步驟3統(tǒng)計移動時間窗長度δt內信號波動數(shù)量δx與步驟4確定的判定閾值δx0實時比較，當移動時間窗長度δt內信號波動數(shù)量δx小于判定閾值δx0＝81時，判斷發(fā)生喘振，即實現(xiàn)實時判別喘振。喘振判別結果如圖7所示。

還步驟6：所述的渦輪增壓器離心壓氣機喘振識別方法，應用于渦輪增壓發(fā)動機中渦輪增壓器壓氣機喘振的在線識別，能夠在壓氣機發(fā)生0.5秒后，判斷出喘振的發(fā)生。

盡管本文描述了本發(fā)明內容的一種具體實施方式，但本領域的技術人員能夠構想出一些不改變實質性發(fā)明內容的實施方式的修改和變化，凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案,均應落在本發(fā)明要求的保護范圍內。因此，應當理解的是，所附權利要求意在涵蓋在本質上與本發(fā)明實質性內容相同的這些修改和變化。