压气机气动失稳信号的模拟方法
【专利摘要】本发明提出一种压气机气动失稳信号的模拟方法，其属于叶轮机械防喘振【技术领域】。其步骤为(1)构建基本信号集{fi(t)}，由(a)通过试验、CFD数值模拟或解析数值模拟获得的少量气动失稳信号{si(t)}，(b)衰减正弦信号{gi(t)}，(c)半正弦脉冲{hi(t)}，(d)噪声{ni(t)}等4个子集构成；(2)选择基本信号；(3)波形变换和叠加，采用数乘变换、展缩变换、平移变换和时域叠加等运算。此方法可以用极小的成本产生大量的涵盖不同频率、幅值、失速先兆模式等特征的气动失稳信号，可用于压气机气动失稳检测/控制装置的考核和评估。
【专利说明】压气机气动失稳信号的模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及叶轮机械防喘振技术，具体为一种压气机气动失稳信号的模拟方法。
【背景技术】
[0002] 压气机气动失稳主要包括失速和喘振两种现象。气动失稳不仅降低了叶轮机械的 性能，而且带来强烈的振动，可能引起结构的破坏而造成重大事故的发生。在气动失稳检测 /控制装置的考核和评估中，气动失稳信号具有十分重要的作用。总是期望获得尽可能多的 样本，用以考核检测/控制装置的准确性和可靠性。
[0003] -般而言，获得压气机气动失稳信号的途径有三种：（1)压气机试验测量获得； (2)基于计算流体力学（CFD)的数值模拟获得；(3)基于压气机解析模型的数值计算获得。
[0004] 试验是获得压气机气动失稳特性的最直接、最真实的手段之一。试验时，将压气机 稳定在某一转速，采用调节压气机出口节气阀或增加压气机进口气流畸变等方式，迫使压 气机进入气动失稳状态。通过安装在压气机上的高频响传感器，拾取气动失稳过程中的信 号，通过并行高速数据采集系统将其记录和存储下来。压气机气动失稳试验不仅是一种高 能耗、高风险和长周期的试验项目，并且试验参数调整困难，获得的气动失稳信号特征较为 单一。
[0005] 基于CFD的数值模拟方法，首先将压气机气路进行网格划分，然后在计算机上通 过专业软件进行非定常空气动力学计算。可以通过虚拟的数字传感器获得气动失稳过程中 的信号。CFD是详细分析流场特征，研究气动失稳机理的重要手段之一。其计算复杂程度与 网格划分、模型复杂度等相关。通常计算量庞大，对于压气机的一个状态，需要数小时到数 周的计算机时。通过调整压气机模型、状态条件等参数，可以获得具有不同特征的气动失稳 信号。
[0006] 基于解析模型的压气机气动失稳分析，对气体的流动和压缩过程进行了大量简 化，表达为较为简单的非线性偏微分方程组。常用的解析模型有Moore-Greitzer模型等。 通过对解析方程组的求解，可以获得气动失稳的动态信号。通过模型中参数的更改，可以获 得具有不同特征的气动失稳信号。
[0007] 上述三种方法是获得真实压气机气动失稳特性和信号的重要手段。由于同一型号 压气机不同工作状态下气动失稳特征不同；不同型号的压气机气动失稳特征不同。在压气 机气动失稳装置的研制和考核中，通常需要大量的气动失稳信号来反映不同型号的压气机 在不同状态下的气动失稳特征。采用上述方法获得大样本的气动失稳信号，需要耗费大量 的人力、财力和时间，不仅是没有必要的，而且特征覆盖面窄，难以满足全面考核气动失稳 检测装置的要求。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供压气机气动失稳信号的一种模拟方法。该方法可以避免或减 少压气机逼喘试验或基于CFD或解析方法的数值模拟计算，模拟的压气机气动失稳信号可 以覆盖广泛的频率、幅值、失速先兆模式等特征，为压气机气动失稳检测/控制装置的考核 和评估提供充足的样本。
[0009] 本发明的技术方案为：
[0010] 所述一种压气机气动失稳信号的模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0011] 步骤1 :构建基本信号集:基本信号集由以下4个信号子集组成：（1)通过 试验、CFD数值模拟或解析数值模拟获得的少量气动失稳信号{ Si(t)} ; (2)衰减正弦信号 {gi(t)} ;(3)半正弦脉冲{hjt)} ;(4) P喿声{ni(t)};
[0012] 衰减正弦信号{gi⑴}表示为：
[0013]
【权利要求】
1. 一种压气机气动失稳信号的模拟方法，其特征在于：包括以下步骤： 步骤1:构建基本信号集:基本信号集由以下4个信号子集组成：（1)通过试 验、CFD数值模拟或解析数值模拟获得的少量气动失稳信号Isi(t)} ; (2)衰减正弦信号 {gi(t)} ;(3)半正弦脉冲{hjt)} ;(4)P喿声{ni(t)}; 衰减正弦信号{gi(t)}表示为：
式中ζi为阻尼比，fi为频率，的为初始相位； 半正弦脉冲Ihi (t)}表示为：
式中Ti为半正弦脉冲的宽度； 步骤2:取f(t)为要生成的气动失稳信号，并设定f(t)的特征参数；按照以下过程选 择生成f(t)所需的基本信号： 1) 、若f(t)波形与Isi (t)}中某一信号S1 (t)相似、仅频率或幅值不同时，则从Isi (t)} 中选取该信号作为基本信号； 2) 、若Isi(t)}中无信号的波形与f(t)相似时，选取以下信号为基本信号： (1) 衰减正弦信号gi⑴，其中ζi= 0, =信号f(t)的转子频率，灼=〇; (2) 衰减正弦信号g2(t)，其中= 〇, =信号f(t)的叶片通过频率，朽=〇; (3) 衰减正弦信号g3(t)，其中43取值范围[-1 0)，f3=信号f(t)的失速频率，％ =0; (4) 衰减正弦信号g4(t)，其中（4取值范围[-1 0)，f4=信号f(t)的喘振频率，％ = π/2； (5) 若信号f(t)的失速先兆段为突尖波，则选择半正弦脉冲Ihi (t)}，其中Ti取值范围 [0.1 20]ms;若信号f(t)的失速先兆段为模态波，则选择衰减正弦信号&(〇,其中ζ5 = 〇,f5 =信号f⑴的转子频率的0. 1?0. 9倍，朽=〇; (6) 噪声信号Ill (t)，幅值为1; 步骤3 :由基本信号波形变换和叠加得到信号f(t): 1) 、若步骤2中基本信号为S1 (t)，则采用数乘变换改变信号幅值；展缩变换改变频率， 得到信号f(t): f(t) =As1 (t/b) 其中A为数乘系数，b为展缩系数； 2) 、若步骤2中基本信号不为S1 (t)，则进行如下波形变换： 若信号f(t)的失速先兆段为突尖波，则
若信号f(t)的失速先兆段为模态波，则
其中Th为突尖波出现的周期，N为出现突尖波的个数，Tn为失速先兆段开始时刻，Tk 为失速段开始时刻，Tt3为喘振段开始时刻，A4为喘振段的信号幅值，A3为失速段的信号幅 值，A1为稳定段的信号幅值的1/2,Ah为突尖波的信号幅值，An为噪声信号的幅值，A5为模 态波的信号幅值；U(t)是阶跃函数，函数表达式为：
步骤4 :重复步骤2?步骤3生成其它特征参数的气动失稳模拟信号。
【文档编号】G06F17/50GK104239614SQ201410440610
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月1日 优先权日:2014年9月1日
【发明者】李长征, 许思琦, 胡智琦 申请人:西北工业大学