專利名稱：用于探測離心壓縮機內的旋轉失速的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及離心壓縮機內的旋轉失速的探測。更具體地說，本發(fā)明涉及通過檢測從壓縮機輸出的聲能變化來探測離心壓縮機的擴散器部分內的旋轉失速的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
離心壓縮機內的旋轉失速可發(fā)生在壓縮機的旋轉葉輪或轉子內或者發(fā)生在葉輪下游的壓縮機的靜止擴散器內。無論旋轉失速是否發(fā)生在葉輪區(qū)域(葉輪旋轉失速)或者發(fā)生在擴散器區(qū)域(擴散器旋轉失速)中，與旋轉失速相關的能量頻率通常在一般范圍數(shù)值內。在這兩種情況下，旋轉失速的出現(xiàn)都可不利地影響壓縮機和/或系統(tǒng)的性能。但是，葉輪旋轉失速通常具有更大的影響，這是因為其能夠影響到葉輪的可靠性，特別是在諸如航空發(fā)動機的軸流式壓縮機中，而擴散器旋轉失速通常影響到系統(tǒng)總體的聲音和振動水平。
用于探測和修正葉輪旋轉失速的一些技術使用多個傳感器，所述多個傳感器靠近旋轉葉輪周向設置。傳感器被用于探測個別位置處的擾動。所述擾動然后與在其它位置處的數(shù)值比較或者與對應于最佳操作條件的數(shù)值相比較。經(jīng)常，需進行非常復雜的計算來確定葉輪旋轉失速開始的前兆。一旦探測到葉輪旋轉失速，就采取一些修正措施，這些修正措施包括將廢氣排放到壓縮機的吸入口或者利用擋板來修正吸入口流動角度或者改變葉片的位置。
在美國專利US6,010,303(“303”專利)中公開了用于探測軸流式壓縮機內的葉輪旋轉失速的技術的一個示例。所述“303”專利涉及在渦輪風扇發(fā)動機中空氣動力學和航空力學的不穩(wěn)定性的預測。不穩(wěn)定性的前兆信號實時產(chǎn)生，從而預測在渦輪風扇發(fā)動機的脈動式壓縮系統(tǒng)中的發(fā)動機喘振、失速或者葉片顫震，其中所述渦輪風扇發(fā)動機使用多級軸流式壓縮機。探測與用于渦輪風扇發(fā)動機的壓縮系統(tǒng)的空氣動力學和航空力學共振相關的能量波，并產(chǎn)生了表示共振頻率的信號。靜壓傳感器或者應變儀被安裝在風扇葉片附近或者安裝在該風扇葉片上，從而探測系統(tǒng)的能量。實時信號在與所感興趣的不穩(wěn)定性相關的頻率的預定范圍內被帶通濾波，如250-310Hz范圍內。然后將帶通信號的大小乘方。乘方后的信號然后被低通濾波，從而形成能量不穩(wěn)定性前兆信號。低通濾波器提供了各個頻率的平方和的平均值。前兆信號然后被用于預測并防止在渦輪風扇發(fā)動機內發(fā)生的空氣動力學和航空力學的不穩(wěn)定性。這個技術的一個缺點是，其僅僅能夠探測軸流式壓縮機內的葉輪旋轉失速，而沒有討論擴散器旋轉失速。
帶有無葉片的徑向擴散器的混合流式離心壓縮機可在其操作范圍內的一部分發(fā)生擴散器旋轉失速，或者在一些情況下在其所有操作范圍內發(fā)生擴散器旋轉失速。通常，發(fā)生擴散器旋轉失速是因為擴散器的設計無法在沒有使某些流動在擴散器通道內分離的情況下容納所有流動。擴散器旋轉失速導致以基本頻率在氣流通道內產(chǎn)生低頻率聲能或脈動，所述基本頻率通常低于壓縮機葉輪的旋轉頻率。這種低頻率聲能及其相關的諧波通過壓縮機氣體通道傳播到下游，進入管道、熱交換器和其它容器內。低頻率聲能或聲擾可具有很高的量級并且是不需要的，這是因為聲擾動的出現(xiàn)可造成壓縮機、其控制或其它相關部件/系統(tǒng)的過早失效。
因此，所需要的是一種用于探測并修正離心壓縮機的擴散器內的旋轉失速的系統(tǒng)和方法，該方法通過檢測擴散器周圍的氣流的聲能變化，然后采取措施修正壓縮過程，從而避免或補救在擴散器內產(chǎn)生大量的旋轉失速噪音的那些條件。

發(fā)明內容
本發(fā)明可以使用模擬電路或者數(shù)字電路(或者二者的組合)來探測擴散器內的旋轉失速的出現(xiàn)。所述電路利用具有10Hz中斷頻率的高通濾波器處理來自壓力傳感器的信號，所述壓力傳感器置于擴散器內或者擴散器的下游，從而能夠分析來自壓力傳感器的AC(或動力)波動。接下來，低通濾波器被用于將頻率衰減至300Hz中斷頻率之上。低通濾波器和高通濾波器的操作可認為是與帶寬為10到300Hz的低通濾波器的操作相同。10-300Hz范圍是重要的，這是因為這個范圍的AC成份的振幅隨著離心壓縮機的操作移動進入旋轉失速而增大。
用有源全波整流器處理低通濾波器或帶通濾波器的輸出，從而獲得信號，所述信號僅僅是正的并包括疊加在DC成份上的AC成份的組合。組合信號產(chǎn)生了DC(或平均)值，其中所述DC值需用于后續(xù)加工，其大小隨著失速頻率能量的振幅的增大而增大。低通濾波器緊跟全波整流器。低通濾波器具有大約0.16Hz的非常低的截止頻率，從而僅僅通過波形的DC部分，這是因為這個波形的DC部分提供了對壓力傳感器的失速波動振幅的表示。信號的DC成份然后與臨界值比較，從而確定旋轉失速的出現(xiàn)。用于確定旋轉失速的臨界值取決于施加到來自壓力傳感器的信號上的增益量以及旋轉失速量，所述旋轉失速量在需要修正之前可以被容忍在擴散器中。
可替換地，本發(fā)明可以使用編程的DSP，從而對用于探測旋轉失速的壓力傳感器的數(shù)字輸出實時執(zhí)行快速傅立葉變換(FFT)。FFT的使用容許在頻域內而不是在如上所述的時域內直接探測失速。FFT被應用于來自壓力傳感器的信號，從而獲得一系列頻率和能量級?？梢苑艞墎碜訤FT的一些頻率，這些頻率在感興趣的頻率(10-300Hz)范圍之外。接下來，可將10-300Hz之間的能量級求和，從而產(chǎn)生求和的能量級值。為獲得更準確的值，可以放棄與葉輪的旋轉速度相關的能量級。然后將求和的能量級值與臨界值比較，從而確定旋轉失速的出現(xiàn)。而且，與其將頻譜成份求和，還不如通過檢查頻譜的峰值是否超過預定的臨界值來探測失速。
本發(fā)明的一個實施例涉及用于修正離心壓縮機的徑向擴散器中的旋轉失速的方法。該方法包括測量表示與離心壓縮機的徑向擴散器中的旋轉失速相關的聲能的數(shù)值。該方法還包括用帶通濾波器過濾測量值，從而獲得過濾值；用全波整流器整流所述過濾值，從而獲得整流值；以及用低通濾波器過濾整流值，從而獲得失速能量成份。最后，該方法還包括將失速能量成份與臨界值比較，從而確定徑向擴散器內的旋轉失速，其中在失速能量成份大于預定值時，旋轉失速出現(xiàn)在徑向擴散器中，并將控制信號發(fā)送到離心壓縮機，從而響應于旋轉失速的確定來調節(jié)離心壓縮機的操作結構。
本發(fā)明的另一個實施例涉及用于探測離心壓縮機內的旋轉失速的方法。該方法包括測量表示與離心壓縮機內的旋轉失速相關的聲能的數(shù)值，并基于測量值執(zhí)行快速傅立葉變換，從而獲得多個頻率和相應的能量數(shù)值。該方法也包括從多個頻率和能量數(shù)值選擇與旋轉失速相關的頻率和相應的能量值的步驟，并將與旋轉失速相關的所選擇的頻率的相應的能量數(shù)值求和。最后，該方法包括通過比較求和的能量數(shù)值和預定的臨界值來探測離心壓縮機內的旋轉失速的步驟，其中在求和的能量值大于預定的臨界值時，在離心壓縮機內出現(xiàn)旋轉失速。
本發(fā)明的又一個實施例涉及用于修正離心壓縮機的徑向擴散器內的旋轉失速的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括傳感器，其配置成用于測量表示與離心壓縮機的徑向擴散器內的旋轉失速相關的聲能的參數(shù)，并產(chǎn)生與測量參數(shù)相應的傳感器信號。該系統(tǒng)也包括中斷頻率為10Hz的高通濾波器、中斷頻率為300Hz的第一低通濾波器和全波整流器。高通濾波器用于接收傳感器信號并輸出高通濾波信號。第一低通濾波器用于接收來自高通濾波器的高通濾波信號并輸出低通濾波信號。全波整流器用于接收低通濾波信號并輸出整流信號。該系統(tǒng)也包括控制電路系統(tǒng)和第二低通濾波器，以用于接收整流信號并輸出失速能量成份信號?？刂齐娐废到y(tǒng)被配置成利用失速能量信號來確定徑向擴散器內的旋轉失速并輸出控制信號，從而響應于旋轉失速的確定來調節(jié)離心壓縮機的操作結構。
本發(fā)明的又一個實施例涉及用于修正離心壓縮機的徑向擴散器內的旋轉失速的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括傳感器，所述傳感器配置成測量表示與離心壓縮機的徑向擴散器內的旋轉失速相關的聲能的參數(shù)，并能夠產(chǎn)生與測量的參數(shù)相應的傳感器信號。模擬到數(shù)字轉換器將傳感器信號轉換成數(shù)字信號。該系統(tǒng)還包括數(shù)字信號處理器，其接收從數(shù)字到模擬轉換器的數(shù)字信號。所述數(shù)字信號處理器包括中斷頻率為10Hz的高通濾波器、中斷頻率為300Hz的第一低通濾波器、全波整流器以及第二低通濾波器。高通濾波器被配置成接收數(shù)字信號并輸出高通濾波信號。第一低通濾波器被配置成從高通濾波器接收高通濾波信號并輸出低通濾波信號。全波整流器被配置成接收低通濾波信號并輸出整流信號。第二低通濾波器用于接收整流信號并輸出僅含有整流信號的平均值的失速能量成份信號。數(shù)字到模擬轉換器用于將失速能量成份信號轉換成模擬信號。最后，該系統(tǒng)具有控制電路系統(tǒng)，該控制電路系統(tǒng)通過利用模擬信號來確定徑向擴散器內的旋轉失速并輸出控制信號，從而響應于旋轉失速的確定來調節(jié)離心壓縮機的操作結構。
本發(fā)明的一個優(yōu)點是使用電子和硬件的簡單封裝，從而探測壓縮機的擴散器部分內的旋轉失速。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是旋轉失速的確定可被用于決定采取可能的技術來降低或消除擴散器內產(chǎn)生的旋轉失速噪音。
通過參考附圖對優(yōu)選實施例的更加詳細的敘述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得更加明顯，其中所述附圖以示例方式說明了本發(fā)明的原理。


圖1示意性地示出本發(fā)明的制冷系統(tǒng)；圖2示出本發(fā)明的離心壓縮機和擴散器的局部剖視圖；圖3示出在本發(fā)明的一個實施例中用于探測和修正旋轉失速情況的流程圖；圖4示意性地示出用于本發(fā)明的模擬電路的一個實施例；圖5示意性地示出用于本發(fā)明的數(shù)字電路的一個實施例；圖6示出在本發(fā)明的另一個實施例中用于探測和修正旋轉失速情況的流程圖。
無論在什么可能的情況下，在整個附圖中相同的附圖標記指示相同或類似的部件。
具體實施例方式
在圖1中以示例方式說明了應用本發(fā)明的一般系統(tǒng)。如圖所示，HVAC、冷凍或者液體冷卻器系統(tǒng)100包括壓縮機108、冷凝器112、水冷卻器或者蒸發(fā)器126和控制面板140?？刂泼姘?40從系統(tǒng)100接收指示該系統(tǒng)100性能的輸入信號，并將所述信號傳遞到系統(tǒng)100的各元件，從而控制系統(tǒng)100的操作。傳統(tǒng)的液體冷卻器系統(tǒng)100包括圖1中未示出的許多其它特征。為易于說明這些特征已被有意刪去以簡化附圖。
壓縮機108壓縮制冷劑蒸汽，并通過排出管線將蒸汽輸送到冷凝器112。壓縮機108優(yōu)選是離心壓縮機，然而，本發(fā)明也可以使用任何類型的壓縮機，該壓縮機可以發(fā)生旋轉失速情況或者在能夠發(fā)生旋轉失速的流動下操作。輸送到冷凝器112的制冷劑蒸汽與諸如空氣或水的流體進行熱交換并經(jīng)歷了到制冷劑液體的相變，這是與流體熱交換的結果。來自冷凝器112的冷凝的液體制冷劑流入蒸發(fā)器126。在優(yōu)選實施例中，冷凝器112中的制冷劑蒸汽，流過連接到冷卻塔122的熱交換器盤管116，與水進行熱交換。冷凝器112中的制冷劑蒸汽經(jīng)歷了到制冷劑液體的相變，這是與熱交換器盤管116中的水熱交換的結果。
蒸發(fā)器126優(yōu)選包括熱交換器盤管128，其具有連接到冷卻負荷130的供應管線128S和回流管線128R。熱交換器盤管128可包括蒸發(fā)器126內的多個管束。次級流體經(jīng)由回流管線128R流入蒸發(fā)器126并經(jīng)由供應管線128S流出蒸發(fā)器126，其中所述次級流體優(yōu)選是水，但是也可以是適當?shù)娜魏纹渌渭壛黧w，如乙烯、氯化鈣鹵水或者氯化鈉鹵水。蒸發(fā)器126內的液體制冷劑與熱交換器盤管128內的次級流體進行熱交換，以降低熱交換器盤管128內的次級流體的溫度。蒸發(fā)器126內的制冷劑液體經(jīng)歷了到制冷劑蒸汽的相變，這是與熱交換器盤管128內的次級流體熱交換的結果。蒸發(fā)器126內的蒸汽制冷劑離開蒸發(fā)器126并通過吸入管線返回到壓縮機108，從而完成循環(huán)。盡管已經(jīng)依據(jù)優(yōu)選實施例敘述了使用冷凝器112和蒸發(fā)器126的系統(tǒng)100，但可以理解的是，只要能夠在冷凝器112和蒸發(fā)器126內獲得適當?shù)闹评鋭┫嘧儯魏魏线m結構的冷凝器112和蒸發(fā)器126都可用于系統(tǒng)100中。
在從蒸發(fā)器126到壓縮機108的入口或進口處，有一個或多個預旋轉葉片或者入口導向葉片120，其用來控制流入壓縮機108的制冷劑的流動。致動器用于打開預旋轉葉片120，以增加流入壓縮機108的制冷劑量，并借此增大系統(tǒng)100的冷卻能力。同樣地，致動器用于閉合預旋轉樣品120，以降低流入壓縮機108的制冷劑量，并借此降低系統(tǒng)100的冷卻能力。
為了驅動壓縮機108，系統(tǒng)100包括用于壓縮機108的馬達或驅動機構152。盡管采用術語“馬達”作為用于壓縮機108的驅動機構，但是可以理解，術語“馬達”不限于馬達，而是涵蓋了任何可用于協(xié)同馬達152驅動的元件，諸如各種速度驅動裝置和電動起動機。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，所述馬達或驅動機構152是電動馬達和相關聯(lián)的元件。然而，諸如蒸汽渦輪或者燃氣渦輪或內燃機的其它驅動機構和相關聯(lián)的元件可被用于驅動壓縮機108。
圖2示出本發(fā)明的優(yōu)選實施例的壓縮機108的局部剖視圖。壓縮機108包括用于壓縮制冷劑蒸汽的葉輪202。壓縮蒸汽然后流過擴散器119。擴散器119優(yōu)選是無葉片的徑向擴散器，并具有形成在擴散板206和噴嘴基板208之間的擴散器空間204，其用作制冷劑蒸汽的通道。噴嘴基板208與擴散環(huán)210一起使用。擴散環(huán)210用于控制通過擴散器通道202的制冷劑蒸汽的速度。擴散環(huán)210可被延伸到擴散器通道202內，從而增大流過通道的蒸汽速度，并可從擴散器通道202縮回，從而降低流過通道的蒸汽速度?？衫谜{節(jié)機構212來伸縮擴散環(huán)210。
回到圖1，系統(tǒng)100還包括傳感器160，其用于檢測系統(tǒng)100的操作情況，所述系統(tǒng)100的操作情況可被用于確定擴散器119內的旋轉失速情況。傳感器160可被置于壓縮機108的葉輪202的氣體流動通道下游的任何位置處。然而，傳感器160優(yōu)選被置于壓縮機排放通道(如圖1中示意性所示)或者擴散器119內。傳感器160優(yōu)選是用于測量聲壓現(xiàn)象的壓力傳感器，然而，也可以使用其它類型的傳感器。例如，加速計可被用于測量與振動有關的失速。壓力傳感器產(chǎn)生表示出現(xiàn)在排放管線內的失速能量的信號。來自傳感器160的信號通過管線被傳遞到用于后續(xù)加工的控制面板140，從而確定并修正擴散器119內的旋轉失速。
優(yōu)選調節(jié)用于測量與旋轉失速有關的能量的傳感器160的輸出，以便區(qū)分與失速有關的聲能和由于其它聲源或振動而產(chǎn)生的能量。在本發(fā)明的一個實施例中，通過簡單測量頻率范圍內的能量的大小，就可以進行調節(jié)，其中所述頻率包括基本的失速頻率及其主要諧波。在其它調節(jié)方案中，在與失速有關的區(qū)域范圍內的一些與失速無關的頻率可被測量并從分析中去除，以便提高探測僅出現(xiàn)旋轉失速能量的能力。來自傳感器160的調節(jié)輸出信號可協(xié)同下述的過程一起使用，從而采取修正行動來避免壓縮機108產(chǎn)生的大量的旋轉失速噪音。
已經(jīng)對與旋轉失速相關的聲能的強度和頻率含量進行了廣泛的研究。在壓縮機的操作進入旋轉失速區(qū)域時，在大約10-300Hz范圍內的確定頻帶內，聲能的AC成份增大。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，大量旋轉失速的出現(xiàn)是相當突然的。因此，表示在氣流中的聲能的信號的頻率分析表明，10-300Hz頻帶內的與旋轉失速相關的能量的強度和大小的突然增大表示壓縮機進入了旋轉失速情形。
圖3示出用于探測和修正壓縮機108的擴散器119內的旋轉失速的一個過程。該過程可在控制面板140上進行，所述控制面板140使用模擬元件(在圖4中示意性示出該元件的一部分)、數(shù)字元件(在圖5中示意性示出該元件的一部分)或者模擬元件和數(shù)字元件的組合(未示出)。該過程在步驟302開始，控制面板140從傳感器160接收信號。如上所述，從傳感器160接收的信號與表示旋轉失速開始的能量大小相對應。在優(yōu)選實施例中使用壓力傳感器160對聲壓現(xiàn)象的直接測量為旋轉失速的存在提供了更加可靠的表示，并且避免了其它與旋轉失速不相關的聲音信號。例如，如果壓縮機108的振動被用于探測旋轉失速的開始，由于壓縮機的馬達152或者齒輪或者葉輪102的不平衡所產(chǎn)生的振動在與旋轉失速噪聲相同的頻率范圍內，可以提供這樣大小的信號，這樣其就干擾了僅僅探測與旋轉失速噪聲相關的元件的能力。
在步驟304中，來自傳感器160的信號經(jīng)過高通濾波器。在確定存在旋轉失速時，來自傳感器160的AC波動表示感興趣的信號，而所述信號的DC部分是探測旋轉失速所不需要的。因此，高通濾波器被用于去除信號的DC部分。高通濾波器優(yōu)選具有大約10Hz的中斷頻率。中斷頻率可被設置成任何適當?shù)闹?，其去除了信號的DC部分，而留下足夠的信號的AC部分，以用于依據(jù)所需的探測準確度進行分析。在本發(fā)明的一個實施例中，高通濾波器可包括單極RC高通濾波器，其在10Hz時產(chǎn)生0.707的輸入信號衰減，其在DC時(0Hertz)在這個頻率之下降低到0。在本發(fā)明的其它實施例中，高階高通濾波器可被用于過濾來自傳感器160的信號。
在經(jīng)過高通濾波器和增益放大器之后(如果需要)，信號然后在步驟306經(jīng)過低通濾波器。低通濾波器被用于將頻率削弱在中斷頻率或截止頻率之上，其中中斷頻率限定了與旋轉失速條件相關的高頻率級。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，與旋轉失速能量有關的高頻率或中斷頻率是大約300Hz。在本發(fā)明的一個實施例中，六階巴特沃思(Butterworth)低通濾波器被用于消除在失速頻率范圍之上、與旋轉失速不相關的頻率成份(大約10-300Hz)，所述不相關的頻率可能導致旋轉失速的錯誤顯示。在本發(fā)明的其它實施例中，不同階數(shù)(different order)優(yōu)選較大階數(shù)的低通濾波器可用于去除較高頻率。
在本發(fā)明的另一個實施例中，步驟304和306可被組合成一步。在這個實施例中，不使用高通濾波器(步驟304)和低通濾波器(步驟306)，而是使用帶通濾波器來去除傳感器信號中的DC成份和高頻率。帶通濾波器優(yōu)選在10-300Hz的頻率范圍內，其等效于在步驟304和306的高通濾波器和低通濾波器之后的頻率范圍。
在經(jīng)過步驟306的低通濾波器之后，信號在步驟308經(jīng)過有源全波整流器。有源全波整流器被用于將AC信號的負值部分轉換或者“翻轉(flip)”成相等的正值，而沒有影響到AC信號的正值部分。全波整流信號僅僅具有正的成份并包括附加在DC成份上的AC成份的組合。組合信號產(chǎn)生了一個平均值(或DC)，其大小隨著在失速頻率時振幅內的能量的增加而增加。
在步驟310，來自有源全波整流器的信號經(jīng)過低截止頻率的低通濾波器，從而僅僅通過DC成份。如上所述，全波整流器波形的DC成份部分表示傳感器160的失速波動振幅，因此，僅僅需要信號的DC成份以用于探測旋轉失速。在本發(fā)明的一個實施例中，低通濾波器可具有0.16Hz的截止頻率。然而，這個頻率不是如0.1Hz的極限值或其它截止頻率，可用于僅僅通過DC成份。
圖4示意性地示出用于完成步驟304-310的模擬電路。高通濾波器402從傳感器160接收信號，其中高通濾波器402如關于步驟304所述的那樣過濾信號。如果需要，增益放大器404可用于加速或增強高通濾波器402的輸出。與表示旋轉失速條件的臨界值相比較，增益放大器404可用于加速高通濾波器402的信號到達適當?shù)闹?。低通濾波器406從增益放大器404或高通濾波器402接收信號，并如關于步驟306所述的那樣過濾信號。有源全波整流器408用于調整來自低通濾波器406的信號，如步驟308所述的。為了消除由于使用全波電橋整流器而產(chǎn)生的DC殘余偏差(offset)，優(yōu)選采用有源全波整流器408。最終，使用低通濾波器410過濾來自有源全波整流器408的全波整流信號，所述低通濾波器410如關于步驟310所述的那樣過濾信號，并將信號發(fā)送到控制電路，所述控制電路系統(tǒng)包括微處理器和/或比較器，以用于后續(xù)加工來自低通濾波器410的信號。
圖5示意性地示出用于完成步驟304-310的數(shù)字電路。如果需要，為與表示旋轉失速條件的臨界值相比較，增益放大器502可用于加速或增強來自傳感器160的信號到達適當?shù)闹怠碜栽鲆娣糯笃?02或傳感器160的信號然后經(jīng)過A/D轉換器504從而將模擬信號轉換成數(shù)字信號。來自A/D轉換器504的數(shù)字信號然后優(yōu)選地被提供到數(shù)字信號處理器(DSP)電路系統(tǒng)506，以用于完成步驟304-310。在DSP電路系統(tǒng)506中，高通濾波器508接收來自A/D轉換器504的信號，其中所述高通濾波器508如關于步驟304所述的那樣過濾信號。低通濾波器510從高通濾波器508接收信號，并如關于步驟306所述的那樣過濾信號。全波整流器512用于調整來自低通濾波器510的信號，如步驟308所述那樣。使用低通濾波器514過濾來自全波整流器512的全波整流信號，所述低通濾波器514如步驟310所述的那樣過濾信號。最后，DSP電路系統(tǒng)506的低通濾波器514的信號然后通過D/A轉換器516，所述D/A轉換器516產(chǎn)生模擬信號并將模擬信號發(fā)送到控制電路系統(tǒng)，以用于模擬信號的后續(xù)加工，其中所述控制電路系統(tǒng)包括微處理器和/或比較器。
回到圖3，從步驟310僅僅具有DC成份的低通過濾信號然后與臨界值比較，從而在步驟312確定旋轉失速的存在。如上所述，在比較器108移動進入旋轉失速條件時，DC成份的大小增大。因此，通過確定何時DC成份或電壓超過臨界值，可以探測旋轉失速的出現(xiàn)。臨界值可被設置成與DC成份相應的正常操作值的倍數(shù)相等的數(shù)值，即在沒有旋轉失速時的DC成份的數(shù)值的倍數(shù)的值。例如，如果用于DC成份的正常操作值是0.2-0.4VDC，那么用于探測旋轉失速的臨界值可在0.8-1.2VDC之間。用于正常操作的值和臨界值取決于施加到所述信號的增益。換句話說，在施加到信號的增益越多時，正常操作值就越大，臨界值也將越大。如果在步驟312沒有探測到旋轉失速，那么過程就返回到步驟302，并從傳感器160獲得用于處理的新信號。
如果在步驟312探測了旋轉失速，那么，在步驟314中就采取修正措施來修正旋轉失速條件。修正措施可包括將徑向擴散器119的擴散器空間204的寬度變窄、將徑向擴散器119的長度變短或者在壓縮機入口或者葉輪202的下游增大向壓縮機108的流動，但是修正措施并不限于此。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，一旦探測到了旋轉失速，控制面板140就將信號發(fā)送到擴散器119，并且特別地，擴散器119的調節(jié)機構212調節(jié)擴散環(huán)210的位置來修正旋轉失速條件。擴散環(huán)210插入擴散器空間204內從而使擴散器空間204的寬度變窄以便修正旋轉失速條件。
在本發(fā)明的另一個實施例中，可以使用快速傅立葉變換(FFT)來探測旋轉失速的出現(xiàn)。圖6示出使用FFT用于探測和修正壓縮機108的擴散器119內的旋轉失速的過程。在過程開始，在步驟602中控制面板140從傳感器160接收信號，并在步驟604中優(yōu)選使用A/D轉換器將來自傳感器160的信號轉換成數(shù)字信號。接下來，在步驟606中，F(xiàn)FT被應用于從步驟604得到的數(shù)字信號，從而產(chǎn)生多個頻率和能量值。FFT優(yōu)選被編入控制面板140上的DSP芯片中，并可被實時執(zhí)行。FFT DSP芯片被優(yōu)選地配置成可執(zhí)行任何必需的操作或者計算，如倍數(shù)或累加，從而實現(xiàn)FFT，F(xiàn)FT應用于來自傳感器160的數(shù)字化的輸入信號，這就容許在頻域內而不是時域內直接探測旋轉失速，如上參考圖3所述。
由于在探測旋轉失速時僅基本頻率的特定范圍是感興趣的，如上在更詳細敘述的約10-300Hz范圍內，在步驟608，在頻域內必須分析僅僅那些感興趣的特定頻率，即可以放棄那些與旋轉失速無關的頻率。另外，感興趣的基本頻率的特定范圍總是等于或低于壓縮機葉輪202的旋轉頻率，因此，通過考慮壓縮機的速度，旋轉失速的分析可被限于感興趣的適當范圍內。關于感興趣的頻率范圍的這個限制在各種速度驅動(VSD)應用中是有益的，由于隨著葉輪202的速度降低，感興趣的頻率范圍變得更窄，且因此有助于消除將導致探測失誤的外部頻率。無論壓縮機是以各種速度操作或者在固定速度操作，F(xiàn)FT中的與旋轉失速有關的頻率成份和其諧波被保持，而與葉輪的操作速度相關的頻率成份及其諧波被去除(設置為零)。而且，在壓縮機的葉輪202的旋轉頻率之下的其它非失速頻率，如電干擾(60Hz和諧波)也可被去除，其可通過傳感器耦合。
在步驟608中消除了外部頻率之后，在步驟610中來自FFT的剩余成份或者頻率然后被求和，從而確定合值是否在失速區(qū)域內。與在步驟312中的旋轉失速的探測類似，在步驟610中旋轉失速的探測基于求和或者合值，該值大于形成失速區(qū)域的臨界值。臨界值可被設置成來自FFT元件正常操作時的求和的或合成的值的倍數(shù)的值，即是在沒有旋轉失速時，來自FFT元件的求和的或合成的值的倍數(shù)的值。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，臨界值可以是正常操作值的兩到六倍。正常操作值和臨界值取決于所分析的信號的強度以及放大量，其中所述放大量被應用于信號，從而提高信號對噪音的比率。在本發(fā)明的另一個實施例中，通過確定剩余頻譜的峰值是否超過預先確定的臨界值，來探測旋轉失速。如果沒有在步驟610中探測到旋轉失速，過程返回到步驟602并從傳感器160獲得用于處理的新信號。
如果在步驟610探測了旋轉失速，那么在步驟612中就采取修正措施來修正旋轉失速條件。修正措施可包括將徑向擴散器119的擴散器空間204的寬度變窄、將徑向擴散器119的長度變短或者在壓縮機入口或者葉輪202的下游增大向壓縮機的流動，但是修正措施并不限于此。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，一旦探測了旋轉失速，控制面板140就將信號發(fā)送到擴散器119的調節(jié)機構212，來調節(jié)擴散環(huán)210的位置，從而修正旋轉失速條件。擴散環(huán)210插入擴散器空間204內，從而使擴散器空間204的寬度變窄，以便修正旋轉失速條件。
盡管已經(jīng)參考優(yōu)選實施例敘述了本發(fā)明，但是本領域技術人員應該理解，在不偏離本發(fā)明范圍的前提下，可以做出各種變化并且等價物可被用于替代本發(fā)明的元件。另外，可以做出各種優(yōu)化，以使特定情形或材料適應本發(fā)明的教導，而沒有偏離本發(fā)明的范圍。因此，本發(fā)明不限于這里作為執(zhí)行本發(fā)明的最佳模式所披露的具體實施例，但是，本發(fā)明包括權利要求范圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種用于修正離心壓縮機的徑向擴散器內的旋轉失速的方法，該方法包括如下步驟測量表示與離心壓縮機的徑向擴散器內的旋轉失速相關的聲能的數(shù)值；用帶通濾波器過濾所述測量值，從而獲得過濾值；用全波整流器整流所述過濾值，從而獲得整流值；用低通濾波器過濾所述整流值，從而獲得失速能量成份；將所述失速能量成份與預定值比較，從而確定徑向擴散器內的旋轉失速，其中，在所述失速能量成份大于預定值時，旋轉失速出現(xiàn)在徑向擴散器內；以及將控制信號發(fā)送到離心壓縮機，從而響應于旋轉失速的確定而調節(jié)離心壓縮機的操作結構。
2.如權利要求1所述的方法，其中，對表示與旋轉失速相關的聲能的數(shù)值的測量包括用壓力傳感器測量離心壓縮機的徑向擴散器內的聲壓的步驟。
3.如權利要求2所述的方法，其中，所述壓力傳感器被置于壓縮機的排放通道內。
4.如權利要求1所述的方法，其中，所述用帶通濾波器過濾測量值的步驟包括如下步驟用中斷頻率為10Hz的高通濾波器過濾測量值從而獲得中間值；以及用中斷頻率為300Hz的低通濾波器過濾中間值。
5.如權利要求4所述的方法，其中，所述高通濾波器是單極RC高通濾波器，所述低通濾波器是六階巴特沃思低通濾波器。
6.如權利要求4所述的方法，還包括用增益放大器將中間值放大的步驟。
7.如權利要求1所述的方法，其中，所述全波整流器是有源全波整流器。
8.如權利要求1所述的方法，其中，所述用低通濾波器過濾整流值以獲得失速能量成份的步驟包括用截止頻率為0.16Hz的低通濾波器來過濾整流值的步驟。
9.如權利要求1所述的方法，其中，所述確定值是在離心壓縮機沒有旋轉失速的正常操作過程中計算的失速能量成份的倍數(shù)。
10.如權利要求9所述的方法，其中，所述確定值是在離心壓縮機沒有旋轉失速的正常操作過程中計算的失速能量成份的2到6倍。
11.如權利要求1所述的方法，其中，所述控制信號發(fā)送到離心壓縮機的步驟包括將控制信號發(fā)送到徑向擴散器的步驟。
12.如權利要求11所述的方法，還包括響應于發(fā)送到徑向擴散器的控制信號調節(jié)擴散環(huán)，從而使徑向擴散器內的擴散器空間的寬度變窄的步驟。
13.如權利要求1所述的方法，還包括用增益放大器將測量值放大的步驟。
14.如權利要求1所述的方法，還包括用對測量值進行調節(jié)，從而去除與旋轉失速無關的聲能的步驟。
15.一種用于探測離心壓縮機內的旋轉失速的方法，該方法包括如下步驟測量表示與離心壓縮機內的旋轉失速有關的聲能的數(shù)值；基于所述測量值進行快速傅立葉變換，從而獲得多個頻率和相應的能量值；從多個頻率和相應的能量值中選擇與旋轉失速相關的頻率和能量值；將與選擇的與旋轉失速相關的頻率相應的能量值求和；以及通過比較求和的能量值與預定的臨界值來確定離心壓縮機內的旋轉失速，其中在求和的能量值大于預定的臨界值時，在離心壓縮機內出現(xiàn)旋轉失速。
16.如權利要求15所述的方法，其中，測量表示與旋轉失速有關的聲能的數(shù)值的步驟包括用壓力傳感器測量離心壓縮機的徑向擴散器內的聲壓的步驟。
17.如權利要求16所述的方法，其中，所述壓力傳感器被置于壓縮機排放通道內。
18.如權利要求15所述的方法，其中，選擇與旋轉失速相關的頻率和相應的能量值的步驟包括在大約10Hz到大約300Hz的頻率范圍內選擇頻率和相應的能量值的步驟。
19.如權利要求18所述的方法，還包括從大約10Hz到大約300Hz的頻率范圍內去除與旋轉失速無關的頻率和相應的能量值的步驟。
20.如權利要求15所述的方法，其中，所述預定的臨界值是在離心壓縮機沒有旋轉失速的正常操作過程中計算的求和的能量值的倍數(shù)。
21.如權利要求20所述的方法，其中，所述預定的臨界值是在離心壓縮機沒有旋轉失速的正常操作過程中計算的求和的能量值的2到6倍。
22.如權利要求15所述的方法，還包括如下步驟響應于旋轉失速的探測，產(chǎn)生用于離心壓縮機的徑向擴散器的控制信號；以及將產(chǎn)生的控制信號發(fā)送到徑向擴散器，從而改變徑向擴散器的結構。
23.如權利要求22所述的方法，還包括響應于發(fā)送到徑向擴散器的所述產(chǎn)生的控制信號，調節(jié)擴散環(huán)從而使徑向擴散器內的擴散器空間的寬度變窄的步驟。
24.如權利要求15所述的方法，還包括用增益放大器將測量值放大的步驟。
25.如權利要求15所述的方法，還包括對測量值進行調節(jié)從而去除與旋轉失速無關的聲能的步驟。
26.一種用于修正離心壓縮機的徑向擴散器內的旋轉失速的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感器，所述傳感器用于測量表示與離心壓縮機的徑向擴散器內的旋轉失速相關的聲能的參數(shù)，并產(chǎn)生與測量的參數(shù)相應的傳感器信號；具有10Hz的中斷頻率的高通濾波器，所述高通濾波器用于接收傳感器信號并輸出高通濾波器信號；具有中斷頻率為300Hz的第一低通濾波器，所述第一低通濾波器用于接收來自高通濾波器的高通濾波信號，并輸出低通濾波信號；全波整流器，所述全波整流器用于接收低通濾波信號并輸出整流信號；第二低通濾波器，所述第二低通濾波器用于接收整流信號，并輸出失速能量成份信號；以及控制電路系統(tǒng)，所述控制電路系統(tǒng)用于使用失速能量成份信號來確定徑向擴散器內的旋轉失速，并輸出控制信號，從而響應于旋轉失速的確定來調節(jié)離心壓縮機的操作結構。
27.如權利要求26所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器包括壓力傳感器，用于測量離心壓縮機的徑向擴散器內的聲壓。
28.如權利要求27所述的系統(tǒng)，其中，一旦安裝了壓力傳感器，所述壓力傳感器被置于離心壓縮機的排放通道內。
29.如權利要求26所述的系統(tǒng)，其中，所述高通濾波器是單極RC高通濾波器。
30.如權利要求26所述的系統(tǒng)，其中，所述低通濾波器是六階巴特沃思低通濾波器。
31.如權利要求26所述的系統(tǒng)，還包括增益放大器，所述增益放大器用于接收高通濾波信號并輸出放大的信號到第一低通濾波器。
32.如權利要求26所述的系統(tǒng)，其中，所述全波整流器是有源全波整流器。
33.如權利要求26所述的系統(tǒng)，其中，所述第二低通濾波器的中斷頻率為0.16Hz。
34.如權利要求26所述的系統(tǒng)，其中控制電路系統(tǒng)包括比較器，其用于將失速能量成份信號與預定值比較；響應于比預定值大的失速能量成份信號，控制電路系統(tǒng)輸出控制信號；以及預定值是在離心壓縮機沒有旋轉失速的正常操作過程中計算的失速能量成份的值的倍數(shù)。
35.如權利要求34所述的系統(tǒng)，其中，所述預定值是在離心壓縮機沒有旋轉失速的正常操作過程中計算的失速能量成份的值的2到6倍。
36.一種用于修正離心壓縮機的徑向擴散器內的旋轉失速的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括傳感器，該傳感器用于測量表示與離心壓縮機的徑向擴散器內的旋轉失速相關的聲能的參數(shù)，并產(chǎn)生對應于測量參數(shù)的傳感器信號；模擬到數(shù)字轉換器，從而將傳感器信號轉換成數(shù)字信號；數(shù)字信號處理器，該數(shù)字信號處理器接收來自數(shù)字到模擬轉換器的數(shù)字信號，并且數(shù)字信號處理器包括中斷頻率為10Hz的高通濾波器，該高通濾波器用于接收數(shù)字信號并輸出高通濾波信號；中斷頻率為300Hz的第一低通濾波器，所述第一低通濾波器用于從高通濾波器接收高通濾波信號并輸出低通濾波信號；以及全波整流器，所述全波整流器用于接收低通濾波器并輸出整流信號；第二低通濾波器，該第二低通濾波器用于接收整流信號并輸出失速能量成份信號；數(shù)字到模擬轉換器，用于將失速能量成份信號轉換成模擬信號；以及控制電路系統(tǒng)，所述控制電路系統(tǒng)用于利用模擬信號確定徑向擴散器內的旋轉失速，并輸出控制信號，以響應于旋轉失速的確定來調節(jié)離心壓縮機的操作結構。
37.如權利要求36所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器包括壓力傳感器，其用于測量離心壓縮機內的徑向擴散器的聲壓。
38.如權利要求37所述的系統(tǒng)，其中，一旦安裝了壓力傳感器，所述壓力傳感器被置于離心壓縮機的排放通道內。
39.如權利要求36所述的系統(tǒng)，還包括增益放大器，所述增益放大器用于接收測量的參數(shù)并輸出整流信號到模擬數(shù)字轉換器。
40.如權利要求36所述的系統(tǒng)，其中控制電路系統(tǒng)，其包括比較器，所述比較器用于將失速能量成份信號與預定值比較；響應于大于預定值的失速能量成份信號，控制電路系統(tǒng)輸出控制信號；以及預定值是在離心壓縮機沒有旋轉失速的正常操作過程中計算的失速能量成份的值的倍數(shù)。
41.如權利要求40所述的系統(tǒng)，其中，預定值是在離心壓縮機沒有旋轉失速的正常操作過程中計算的失速能量成份的值的2到6倍。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于探測并控制離心壓縮機(108)的擴散器區(qū)域(119)內的旋轉失速的系統(tǒng)和方法。壓力傳感器(160)被置于葉輪(202)的氣流通道的下游，優(yōu)選被置于擴散器(119)中或壓縮機的排放通道內，從而測量聲壓現(xiàn)象。接下來，使用模擬技術或者數(shù)字技術來處理來自壓力傳感器(160)的信號，從而確定旋轉失速的壓力。通過將探測的能量大小與響應于出現(xiàn)旋轉失速的預定臨界量比較，來探測旋轉失速，其中所述探測的能量大小是基于測量的聲壓而探測的。最后，采取適當?shù)男拚胧?，從而響應于旋轉失速的探測而改變離心壓縮機(108)的操作。
文檔編號F04D27/02GK1675470SQ03819607
公開日2005年9月28日 申請日期2003年8月14日 優(yōu)先權日2002年8月23日
發(fā)明者羅伯特·斯特布利, 格雷戈里·比弗森, 詹姆斯·本德 申請人:約克國際公司