一种真假倍频压力脉动信号的区分方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种倍频压力脉动信号区分方法，特别是关于一种基于频谱分析和时 域曲线对比的真假倍频压力脉动信号的区分方法。
【背景技术】
[0002] 在水电站、水栗站运行及水力机械试验研究中，经常为了解和检验其水力稳定性 而测量其压力脉动和振动，看其幅值是否超标；分析频谱特性，发现其主要频率成分，看那 些频率成分是主要影响因素，提出避振或减振措施，避免共振，降低压力脉动，减轻振动，确 保运行稳定。在进行压力脉动和振动信号的频谱分析时，目前所采用的主要方法是快速傅 里叶变换，简称FFT。在这一变换中，把2N个离散数据看作周期函数，用0~N-I阶的调 谐波进行合成。在转换分析出各阶傅里叶系数之后，再根据其实部和虚部的大小计算出各 阶调谐波的幅值及相位，完成对压力脉动信号的频谱分析。但是，压力脉动的信号很复杂， 组成这些复杂信号的各阶分量多数不是调谐波，大量的是锯齿波，有对称型，也有缓升急降 型，更有大量的呈现急升缓降型（如图1所示）。在涡带等空化空腔存在时，空腔在高压作 用下的溃灭或收缩会非常迅速，压力上升非常快，故造成大量的压力脉动信号以急升缓降 的方式呈现。
[0003] 当利用FFT技术对前述锯齿波进行频谱分析时，其结果如图2所示。如果信号是 频率为f的对称型三角波（又称锯齿波），通过FFT分析的频谱由主频f和奇数倍倍频3f、 5f、7f…（2i-l)f…等若干个调谐波合成（其中i为整数，i= 1，2,3，…），其幅值依次减 小（如图2. 1所示）。如果锯齿波不对称，无论是缓升急降，还是急升缓降，分析的结果都是 由锯齿波频率f(其幅值小于锯齿波幅值）的调谐波和2f、3f、4f?…Nf?…等频率（其幅值依 次降低）的调谐波合成（如图2. 2、图2. 3所示）。
[0004] 如图3所不，在实际的压力脉动和振动测量中，不仅存在如图1所不的锯齿波， 还分析出了如图3. 1和图3. 2所示的分析结果：在分析出涡带等主频率的同时，还分析出 了 2倍、3倍等许多倍频成分，其分频幅值也依次降低。在国际电工委员会（IEC)和我国的 全国水轮机标准化委员会制定的《水轮机、蓄能栗和水栗水轮机模型验收试验》国际标准 (IEC60193 :1999)和国家标准（GB/T15613.3-2008)中均引用了如图4所示的压力脉动波 形及分析的频谱曲线，也存在类似的锯齿波及梯度降低倍频现象。尽管在两个标准中均没 有指出倍频现象，但其引用的频谱曲线均存在所谓的倍频现象（如图4. 1~图4. 4所示）， 并在标准中有如下一段表述（斜体）水轮机和水栗在转频乘以转轮或叶轮叶片数的频率 (通常称之为叶片过流频率）下会产生激振。由于转轮叶片与活动导叶/固定导叶/蜗壳 之间的相互作用，可产生了k倍于叶片过流频率的高频，k值对于水轮机而言通常为1到2， 而对于水栗和水栗水轮机而言通常为1到4"，说明已关注到该问题。
[0005] 在日常的学术交流中，也有部分专家提出了该问题，提醒关注该现象。也就是说， 在得到这样的分析结果之后，很可能把这些2倍频、3倍频甚至4倍频、5倍频分量压力脉动 信以为真，如果再去花很大的人力物力去查找其物理根源，则可能误入歧途，浪费大量的财 力和时间的同时，还影响对真正压力脉动根源的查寻。因此，有必要发明一种方法，在利用FFT对压力脉动或振动信号进行频谱分析时，如在发现某频率有较大幅值分量的同时，还发 现其有2倍、3倍甚至更多倍数频率的较突出分量，能利用该方法分辨出这些倍频分量的真 假。
【发明内容】
[0006] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种真假倍频压力脉动信号的区分方法，该 方法有效去除了FFT"捏造"出的假倍频的影响，集中解决了真实频率分量带来的稳定性问 题，能更高效直接地保障机组运行的稳定安全。
[0007] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种真假倍频压力脉动信号的区分 方法，其特征在于，所述区分方法步骤如下：1)查清水力机械设备的基本参数、测试压力脉 动时的工况参数以及压力脉动的测量部位和测量分析方法；2)查找虚假倍频分量：对照压 力脉动信号的波形和频谱曲线，排除各种锯齿波可能"捏造"出的虚假分量，根据倍频情况 检查压力脉动波形是否会"捏造"出这些频率，列出疑似虚假倍频的频率清单；3)进一步证 实倍频分量真假：对照测量压力脉动波形的工况及水力机械设备自身的物理参数判断是否 有物理因素会产生所述步骤2)中所列出的疑似虚假倍频分量，以确定这些倍频分量的真 假。
[0008] 所述步骤1)中，所述水力机械设备的基本参数包括转轮叶片数Z、活动导叶数Z。、 固定导叶数Zv;所述测试压力脉动时的工况参数主要是水轮机或水栗转速n和工频频率； 所述压力脉动的测量分析方法包括采集频率、采集及分析点数。
[0009] 所述步骤2)中，所述查找方法步骤如下：（1)查找存在倍数关系的频率成分，确定 基频的频率值f及幅值，并进一步查清该基频的N倍频分量的频率及幅值；N为整数，N= 2、 3……；（2)对存在两个以上倍频分量的压力脉动时域曲线进行比较分析，一是判断该曲线 是否为锯齿波，如果是则还需要查清该曲线是标准型、急升缓降型还是急降缓升型；（3)如 果FFT分析的频谱存在基频f?和其奇数倍频成分，且各倍频分量的幅值依次降低，而偶数倍 频成分基本不存在，分析的压力脉动时域曲线如呈比较标准的对称锯齿波，则判断奇数倍 倍频分量为虚假倍频；(4)如果FFT分析的频谱存在基频f和多个N倍频成分，且各倍频分 量的幅值依次降低，分析的压力脉动时域曲线如呈急升缓降、急降缓升或急升急降锯齿波， 则基本判定各倍频分量为虚假倍频；（5)如果FFT分析的频谱存在基频f和多个N倍频成 分，各倍频分量的幅值依次降低，分析的压力脉动时域曲线如呈急升缓降、急降缓升或急升 急降锯齿波，且个别分量的幅值比其前一个倍频的幅值还高，或幅值没有依次降低，则需进 一步判断该倍频是否是真实倍频。
[0010] 所述步骤（1)中，所述倍频和基频的倍数只要能满足是基频的0. 99~I. 01整数 倍就认为是倍频分量。
[0011] 所述步骤3)中，所述倍频分量真假证实方法如下：（1)如果存在倍频成分的压力 脉动的基频是旋转机械的转速频率，则检查该基频是否存在较低倍数的倍频分量的可能 性；如果既存在某N倍频成分压力脉动的真实可能性，又同时在该倍频时其分频幅值4明 显凸出，则认为该N倍频是真实倍频，其余均为虚假倍频；（2)如果存在幅值比较突出的高 倍数整数倍频成分，且分频幅值大幅度高于依次降低规律所对应的幅值，则都应视为真实 倍频。
[0012] 所述步骤⑴中，所述明显凸出表现为AN> (Ani+An+1)/2,或AN>AN :，其中AN、ANi、AN+1 分别为基频f的N倍、N-I倍、N+1倍频率对应的分频幅值。
[0013] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在采用FFT方法分析 出压力脉动或振动信号的频率特性并发现某频率分量及其倍频分量后，去伪存真，以消除 FFT"捏造"出的假倍频的影响，集中解决真实频率分量带来的稳定性问题，更高效直接地保 障机组运行的稳定安全。2、本发明基于对傅里叶变换自身缺陷一可能凭空捏造虚假倍频分 量这一现象的科学认识，并结合对真实