一种轴流压气机旋转失速监测和预警方法

本发明涉及压气机稳定性主动控制领域，尤其涉及一种轴流压气机旋转失速监测和预警方法。

背景技术：

1、随着高性能航空发动机和燃气轮机技术的发展，对压气机提出了高压比、高效率、高可靠性的要求。但这三项要求存在制约的关系，更高的压比和效率通常意味着压气机更容易进入不稳定状态。目前针对压气机失稳问题，现有调控策略主要包括主动控制和被动控制技术。其中主动控制技术的主要思想为在失稳发生前从信号上捕捉到失速先兆和前失速先兆并施加反向扰动来抑制失稳的发生，拓宽稳定工作范围。失速先兆可分为模态型失速先兆和突尖型失速先兆，前失速先兆指在失速先兆出现前发生的微小扰动先兆。

2、目前失速先兆和前失速先兆的检测技术主要有相关性分析和小波变换等。相关性分析方法仅从时域上分析压力信号，相关系数结果容易受到随机干扰的影响。小波变换方法可以在时频域上对信号进行多分辨分析，但其效果依赖小波基函数的选择，无法对信号进行自适应分解。

技术实现思路

1、基于现有技术存在的不足，本发明提出一种基于变分模态分解(variationalmode decomposition，vmd)的轴流压气机旋转失速监测和预警方法。本发明所采用的具体技术方案为：

2、步骤1：通过动态数据采集系统中的动态压力传感器，采集压气机壁面周向和轴向不同位置从稳态至失速过程的压力脉动信号。

3、步骤2：对采集的信号进行vmd分解，获得本征模态函数分量imf1、imf2、…imfk，其中k为要分解的分量个数。

4、步骤3：选择频带范围内包含失速先兆及前失速先兆特征频率的imf分量，记为imfs、imfsp。

5、步骤4：分别计算分量信号imfs、imfsp的能量es和esp。同时在频域计算原始信号(指分解前的信号)0至叶片通过频率(blade pass frequency，bpf)频带内的能量ebpf。

6、步骤5：计算能量占比ks、ksp：

7、

8、

9、步骤6：通过箱线图法计算各时刻ks、ksp分布的异常阈值，若ks超出上限阈值uls，或ksp超出上限阈值ulsp，则对压气机旋转失速进行预警。

10、在上述步骤1中，为避免产生频率混叠及信号幅值失真，采样频率应大于10倍bpf。

11、可选地，在上述步骤1中，脉动压力周向测点布置在压气机机匣壁面，在转子进口截面或叶顶距离前缘15％截面处周向均布。脉动压力轴向测点沿弦长方向布置在转子上方机匣壁面，测点总长度覆盖转子叶片叶顶弦长。

12、在上述步骤3中，失速先兆特征频率一般为低于转子旋转频率fr的某段特征频率；前失速先兆特征频率一般为低于bpf的某段特征频率。

13、在上述步骤3中，如无法找到合适的imf分量，改变vmd算法中的分量数k和惩罚因子α，重新对信号进行分解。

14、在上述步骤6中，上限阈值uls、ulsp通过以下公式确定：

15、ul＝q3+1.5iqr

16、式中q3为正常状态下ks、ksp分布的上四分位数；q1为正常状态下ks、ksp分布的下四分位数；iqr为四分位距，计算公式为：

17、iqr＝q3-q1。

18、本发明能够带来的有益效果为：

19、1)采用本发明提供的技术方案可以对轴流压气机旋转失速进行监测和预警。

20、2)本发明提供的技术方案能够对压气机动态压力信号进行自适应分解。

21、3)通过对压力脉动信号进行vmd分解，分别对包含失速先兆及前失速先兆特征频率的imf分量并计算对原始信号的能量占比，结合统计方法达到对失速先兆和前失速先兆及时预警的效果。

技术特征：

1.一种轴流压气机旋转失速监测和预警方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤，

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在上述步骤1中，为避免产生频率混叠及信号幅值失真，采样频率应大于10倍叶片通过频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在上述步骤1中，脉动压力周向测点布置在压气机机匣壁面，在转子进口截面或叶顶距离前缘15％截面处周向均布；脉动压力轴向测点沿弦长方向布置在转子上方机匣壁面，测点总长度覆盖转子叶片叶顶弦长。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，vmd算法中的约束变分优化问题表示为：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

技术总结
本发明提出一种轴流压气机旋转失速监测和预警方法，通过动态数据采集系统中的动态压力传感器，采集压气机壁面周向和轴向不同位置从稳态至失速过程的压力脉动信号，对采集的信号进行VMD分解，获得本征模态函数分量，选择频带范围内包含失速先兆及前失速先兆特征频率的IMF分量，分别计算相关分量信号IMF的能量，同时在频域计算原始信号从0至叶片通过频率频带内的能量，计算能量占比，计算各时刻能量占比分布的异常阈值对压气机旋转失速进行预警。该方法可以达到对失速先兆和前失速先兆及时预警的效果。

技术研发人员：陈鲲,张士杰,郭孝国,江泽鹏,李超
受保护的技术使用者：中国科学院工程热物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22