一种无叶扩压器气动力分析方法与流程

1.本发明属于机械动力学技术领域，具体涉及一种无叶扩压器气动力分析方法。


背景技术：

2.在离心压缩机中，为了使从叶轮中出来的具有较大速度的气流减速，使动能有效地转化为压力能，在叶轮出口往往设有扩压器结构。而无叶扩压器变工况性能较好，而且加工简单，但流动损失较大。但是，为了满足现场宽工况的运行要求，压缩机会不可避免的处在某一级小流量区运行，使得该级的无叶扩压器内形成气流旋转脱离现象，发生旋转失速。严重的旋转失速会导致转子振动增加，影响压缩机的安全运行。以往对旋转失速导致的转子振动只能从流场角度分析，无法量化到转子振动响应分析中，其中一个最重要的原因就是无法准确计算由旋转失速导致的气动力。
3.目前，常用的计算方法是基于一个简单的力与压力的公式，再辅以经验系数的修正。这样的计算方法有时候会混有其他故障频率成分，很难准确识别出旋转失速频率，很难真实反映无叶扩压器旋转失速所产生的影响。


技术实现要素：

4.为了解决上述现有技术中的计算方法很难准确识别出旋转失速频率，很难真实反映无叶扩压器旋转失速所产生的影响等问题，本发明提供一种无叶扩压器气动力分析方法，通过在扩压器入口截面的圆周方向选取压力脉动信号，再依次对压力脉动信号进行处理、分析，可以得到准确的旋转失速频率、失速团个数以及气动力等结果，真实反映无叶扩压器旋转失速所产生的影响。其具体技术方案为：
5.一种无叶扩压器气动力分析方法，无叶扩压器气动力分析方法包括：选取信号源的压力脉动信号；处理压力脉动信号；分析压力脉动信号；计算失速频率和失速团个数；确定周向压力分布；计算径向气动力。
6.另外，本发明提供的上述技术方案中的一种无叶扩压器气动力分析方法还可以具有如下附加技术特征：
7.可选的，选取两个信号源的压力脉动信号。
8.可选的，选取信号源的压力脉动信号还包括：其中一个压力脉动信号用来建立压力场的时域波形，另外一个压力脉动信号用来计算压力的相位。
9.可选的，处理压力脉动信号还包括：去掉压力脉动信号的直流分量；过滤压力脉动信号。
10.可选的，采用低通滤波法过滤压力脉动信号。
11.可选的，处理压力脉动信号还包括：过滤掉高于压力脉动信号1倍转频的频率成分。
12.可选的，分析压力脉动信号还包括：对压力脉动信号进行自相关分析和互相关分析。
13.可选的，分析压力脉动信号还包括：取自相关分析结果中，两个峰值的时间差为δt1，取互相关分析结果中，正向第一个峰值与0的时间差为δt2，计算失速频率和失速团个数。
14.可选的，无叶扩压器气动力分析方法还包括：选取至少两个脉动信号作为测点用于验算。
15.可选的，相邻的两个测点之间的圆周角不大于90
°
。
16.本发明的一种无叶扩压器气动力分析方法，与现有技术相比，有益效果为：
17.本发明提出的分析方法只需较少的测点压力脉动信号，即可实现对旋转失速频率识别、失速团个数确定、周向压力分布确定以及气动力的计算，计算量较少，计算效率高，同时适用于数值仿真和试验测试所得到的压力脉动数据，对压缩机结构和传感器数量要求较低，适用范围广。在扩压器截面的圆周方向选取压力脉动信号，再依次对压力脉动信号进行处理、分析，可以得到准确的旋转失速频率、失速团个数以及气动力等结果；再对径向气动力作用区域的周向压力分布做积分，即对扩压器人口处周向压力分布进行积分，计算出径向气动力，真实反映无叶扩压器旋转失速所产生的影响。
附图说明
18.图1为本发明一个实施例的一种无叶扩压器气动力分析方法的流程图；
19.图2为本发明一个实施例的一种无叶扩压器气动力分析方法的信号自相关分析示意图；
20.图3为本发明一个实施例的一种无叶扩压器气动力分析方法的信号互相关分析示意图；
21.图4为本发明一个实施例的一种无叶扩压器气动力分析方法的信号圆周方向的压力分布图；
22.图5为本发明另一个实施例的一种无叶扩压器气动力分析方法的流程图；
23.图6为引用的参考文献中的测点布置位置示意图；
24.图7为测点1滤波前后时域信号图；
25.图8为测点2滤波前后时域信号图；
26.图9为测点1滤波前后频谱图；
27.图10为测点2滤波前后频谱图；
28.图11为测点1滤波前后频谱图；
29.图12为测点2滤波前后频谱图；
30.图13为引用的参考文献中的信号圆周方向的压力分布图；
31.图14为本发明再一个实施例的一种无叶扩压器气动力分析方法的流程图。
具体实施方式
32.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特
定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
33.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
34.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
35.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
36.结合参见图1所示，根据本技术的实施例，一种无叶扩压器气动力分析方法，无叶扩压器气动力分析方法包括：选取信号源的压力脉动信号；处理压力脉动信号；分析压力脉动信号；计算失速频率和失速团个数；确定周向压力分布；计算径向气动力。通过在扩压器截面的圆周方向选取压力脉动信号，再依次对压力脉动信号进行处理、分析，可以得到准确的旋转失速频率、失速团个数以及气动力等结果；再对径向气动力作用区域的周向压力分布做积分，即对扩压器人口处周向压力分布进行积分，计算出径向气动力，真实反映无叶扩压器旋转失速所产生的影响。该分析方法只需较少的测点压力脉动信号，即可实现对旋转失速频率识别、失速团个数确定、周向压力分布确定以及气动力的计算，计算量较少，计算效率高，同时适用于数值仿真和试验测试所得到的压力脉动数据，适用范围广。
37.需要说明的是，气动力的产生主要是由于无叶扩压器内部发生旋转失速，致使扩压器入口和叶轮出口出现周向压力不均，进而产生一个径向的气动力。如图4所示，扩压器入口处的周向压力分布可用极坐标图表示，将压力分布叠加在一个参考压力水平上，改善图形外观，清楚地显示了出失速的单瓣特性，便于验证和对照。
38.作为一种实施例，选取两个信号源的压力脉动信号。通过选取两个信号源的压力脉动信号数据，再通过两个测点压力脉动时域信号间的相位关系，即可确定失速团个数，计算出径向气动力，减少了计算量，提高了计算效率。
39.需要说明的是，可以选取多个信号源的压力脉动信号，只对其中两个信号源的压力脉动信号进行分析，计算径向气动力；其余的信号可用来验证分析方法的准确性和适用性。
40.其中一个压力脉动信号用来建立压力场的时域波形，另外一个压力脉动信号用来计算压力的相位。通过建立压力场和时域波形并计算压力的相位，得到压力脉动时域信号间的相位关系，以便于确定失速团的个数。
41.作为另一种实施例，如图5所示，去掉压力脉动信号的直流分量；过滤压力脉动信号。通过去掉脉动信号的直流分量并对压力脉动信号进行过滤，避免直流分量和产生不必要的电磁场，对其他信号造成干扰。
42.采用低通滤波法过滤压力脉动信号。通过采用低通滤波法减少频率高于截止频率的信号的通过，容许低频信号通过，保证滤波效果。
vibration analysis for an unshrouded industrial centrifugal compressor》中的结果。测点布置如图6所示，通过对各测点压力脉动信号的分析，得到失速团的个数为5，失速频率为21.9hz。
60.如图14所示，按照本专利中的方法对参考文献中的数据重新进行分析和验算，选取两个测点的压力脉动信号，以测点1和测点2为例，首先对信号进行滤波处理，滤波前后时域信号对比，如图7和图8所示。实验台转速为5610r/min，即频率为93.5hz。因此，对信号进行低通滤波，滤掉大于93.5hz的频率成分，如图9和图10所示。然后，对其进行自相关和互相关的分析，如图11和图12所示。
61.再根据公式1和公式2计算失速频率和失速团个数。同时，还选取了不同的测点信号进行验算，结果如表1所示。采用本技术提出的方法计算出失速频率约为22hz，失速团个数为5，与参考文献结果一致。而且，从表中结果发现，当两个测点间的夹角过大(大于90
°
)，会导致结果异常，因此设置监测点时，两个测点之间的夹角应小于等于90
°
。
62.表一：
[0063][0064]
表1为采用本技术分析方法获得的数据，从表1可以看出，当测点4和测点5之间所夹的圆周角大于90度时，失速团个数出现异常，与其他几组结果不一致，与压力轴向分布图不匹配。绘制扩压器入口处的周向压力分布，如图13所示，选取参考压力为10000pa。从图中可以清楚看到周向压力分布成“5瓣”分布，清晰的表示了5个失速团的影响。
[0065]
根据公式(4)得到径向气动力为-6.19n，再根据公式5和公式6，计算得到水平方向和垂直方向的气动力分别为1.33n和-1.6n。
[0066]
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
[0067]
以上仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。以上仅是本技术的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本技术的保护范围。