本發(fā)明屬于流體機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于統(tǒng)計(jì)時(shí)間窗內(nèi)壓氣機(jī)進(jìn)出口溫度或壓力信號(hào)波動(dòng)數(shù)量來識(shí)別增壓器離心壓氣機(jī)喘振的方法。

背景技術(shù)：

增壓技術(shù)是改善發(fā)動(dòng)機(jī)性能的一種有效措施，可以顯著的增加發(fā)動(dòng)機(jī)的功率密度，提高其經(jīng)濟(jì)性，并有利于排放性能的改善。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)工況的大范圍變化，在壓氣機(jī)流量減小到一定程度時(shí)，壓氣機(jī)會(huì)發(fā)生喘振現(xiàn)象,此時(shí)增壓系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)周期低頻大幅度的氣體振蕩現(xiàn)象,使得增壓器無法正常工作。同時(shí)，喘振引起的振動(dòng)可能破壞增壓器的軸承和密封系統(tǒng)，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作。

為保證增壓器能夠在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)上可靠的運(yùn)行，在增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配前，需要通過試驗(yàn)測(cè)得渦輪增壓器壓氣機(jī)性能曲線，也就是壓氣機(jī)的map圖。圖1為某型渦輪增壓器壓氣機(jī)性能曲線圖。如圖1所示，測(cè)試得到的壓氣機(jī)性能曲線標(biāo)示出了壓氣機(jī)喘振線,當(dāng)壓氣機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)進(jìn)入喘振區(qū)時(shí)將發(fā)生喘振現(xiàn)象。在渦輪增壓器與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配時(shí),為確保發(fā)動(dòng)機(jī)與增壓器的匹配運(yùn)行工況點(diǎn)均包含在壓氣機(jī)正常運(yùn)行工況點(diǎn)內(nèi),通常在測(cè)試得到壓氣機(jī)喘振線基礎(chǔ)上留有一定的裕度,劃定一條防喘振線，在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)所有運(yùn)行工況下，增壓器壓氣機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)都在防喘振線內(nèi)，來保證增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠運(yùn)行。喘振線是增壓器壓氣機(jī)正常運(yùn)行工況和非正常運(yùn)行工況的一個(gè)分界線，其準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)保證增壓器安全，高效運(yùn)行具有重要的意義。如果測(cè)量不準(zhǔn)確，使得防喘振曲線設(shè)置的過于保守，將縮小壓氣機(jī)的正常運(yùn)行區(qū)域，特別的，壓氣機(jī)喘振線在壓氣機(jī)高壓比，高效率區(qū)域，使得壓氣機(jī)性能無法充分發(fā)揮；另一方面，若設(shè)置的防喘振曲線接近喘振線，在增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行中容易造成壓氣機(jī)的喘振,從而影響增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

渦輪增壓器壓氣機(jī)性能測(cè)試多是由人工完成的，測(cè)試人員按照自身經(jīng)驗(yàn)來完成對(duì)壓氣機(jī)喘振的判斷，通常用來判斷的依據(jù)包括壓氣機(jī)進(jìn)出口壓力，溫度的波動(dòng)，增壓器發(fā)出的聲音發(fā)生變化。由于每個(gè)人判斷喘振的標(biāo)準(zhǔn)不同，其最終會(huì)影響測(cè)試結(jié)果中喘振邊界的確定，從而造成防喘振線設(shè)置的不準(zhǔn)確或者同一臺(tái)增壓器不同試驗(yàn)人員測(cè)出的喘振邊界存在差異。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決渦輪增壓器壓氣機(jī)性能測(cè)試試驗(yàn)中，喘振由人工判斷而導(dǎo)致喘振邊界測(cè)量不一致的問題，本發(fā)明公開的一種渦輪增壓器離心壓氣機(jī)喘振識(shí)別方法，要解決的技術(shù)問題是提供一種用于增壓器壓氣機(jī)性能測(cè)試試驗(yàn)中喘振自動(dòng)識(shí)別方法，能夠避免由人工判斷而導(dǎo)致喘振邊界測(cè)量不一致的問題，具有計(jì)算量小、準(zhǔn)確度高、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)方法如下。

本發(fā)明公開的一種渦輪增壓器離心壓氣機(jī)喘振識(shí)別方法，包括如下步驟：

步驟1：喘振信號(hào)采集；

在壓氣機(jī)進(jìn)出口或進(jìn)出口管道上安裝用于動(dòng)態(tài)溫度或動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量傳感器，采集安裝到渦輪增壓器壓氣機(jī)進(jìn)出口或進(jìn)出口管道上的動(dòng)態(tài)壓力或動(dòng)態(tài)溫度信號(hào)。

步驟2：設(shè)計(jì)匹配濾波器濾除疊加到喘振信號(hào)上的噪聲，確定移動(dòng)時(shí)間窗長(zhǎng)度δt；

根據(jù)采集到的渦輪增壓器壓氣機(jī)喘振信號(hào)波形得到濾波器系數(shù)矢量，即完成濾除疊加到喘振信號(hào)上的噪聲的匹配濾波器設(shè)計(jì)；根據(jù)濾波器系數(shù)矢量維數(shù)和設(shè)定的采樣頻率確定移動(dòng)時(shí)間窗長(zhǎng)度δt。

步驟3：對(duì)經(jīng)過步驟2中匹配濾波器濾波后的信號(hào)，統(tǒng)計(jì)移動(dòng)時(shí)間窗長(zhǎng)度δt內(nèi)信號(hào)波動(dòng)數(shù)量。

對(duì)經(jīng)過步驟2中匹配濾波器濾波后的信號(hào)依次進(jìn)行一次差分、sign函數(shù)處理、再次差分運(yùn)算，對(duì)再次差分運(yùn)算后的移動(dòng)時(shí)間窗長(zhǎng)度δt內(nèi)的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，統(tǒng)計(jì)出移動(dòng)時(shí)間窗長(zhǎng)度δt內(nèi)信號(hào)波動(dòng)數(shù)量δx。

步驟4：根據(jù)步驟3統(tǒng)計(jì)出的移動(dòng)時(shí)間窗長(zhǎng)度δt內(nèi)信號(hào)波動(dòng)數(shù)量δx，確定判定閾值δx0；

步驟5：實(shí)時(shí)判別喘振；

實(shí)時(shí)采集步驟1安裝的動(dòng)態(tài)溫度或動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量傳感器信號(hào)，利用步驟2設(shè)計(jì)匹配濾波器濾除疊加到喘振信號(hào)上的噪聲，并按照步驟3統(tǒng)計(jì)移動(dòng)時(shí)間窗長(zhǎng)度δt內(nèi)信號(hào)波動(dòng)數(shù)量，并將步驟3統(tǒng)計(jì)移動(dòng)時(shí)間窗長(zhǎng)度δt內(nèi)信號(hào)波動(dòng)數(shù)量δx與步驟4確定的判定閾值δx0實(shí)時(shí)比較，當(dāng)移動(dòng)時(shí)間窗長(zhǎng)度δt內(nèi)信號(hào)波動(dòng)數(shù)量δx小于判定閾值δx0時(shí)，判斷發(fā)生喘振，即實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)判別喘振。

還步驟6：所述的一種渦輪增壓器離心壓氣機(jī)喘振識(shí)別方法，在渦輪增壓器壓氣機(jī)性能測(cè)試領(lǐng)域和渦輪增壓器壓氣機(jī)喘振在線識(shí)別領(lǐng)域具有實(shí)用價(jià)值與應(yīng)用前景。例如：應(yīng)用于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中渦輪增壓器壓氣機(jī)喘振的在線監(jiān)測(cè)，在壓氣機(jī)發(fā)生喘振時(shí)及時(shí)采取措施，以保證增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行的可靠性。

所述步驟1采集壓氣機(jī)進(jìn)出口信號(hào)的采樣頻率優(yōu)選為80～100hz。

所述步驟2設(shè)計(jì)匹配濾波器濾除疊加到喘振信號(hào)上的噪聲，確定移動(dòng)時(shí)間窗長(zhǎng)度δt，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟2.1：設(shè)計(jì)匹配濾波器濾除疊加到喘振信號(hào)上的噪聲。

根據(jù)步驟1測(cè)得的壓氣機(jī)喘振信號(hào)，截取一個(gè)完整的喘振波形數(shù)據(jù)，定義一個(gè)完整的喘振波形數(shù)據(jù)由m個(gè)采樣點(diǎn)組成，則構(gòu)成一個(gè)m維的信號(hào)矢量

其中：s(0),s(1),…,s(m-1)分別為一個(gè)完整喘振信號(hào)波形所包含的m個(gè)采樣點(diǎn)的值。

選取匹配濾波器系數(shù)矢量系數(shù)k為比例系數(shù)，比例系數(shù)k根據(jù)實(shí)測(cè)喘振信號(hào)的大小自由選取，即完成設(shè)計(jì)匹配濾波器，并利用匹配濾波器濾除疊加到喘振信號(hào)上的噪聲。

步驟2.2：根據(jù)濾波器系數(shù)矢量維數(shù)和設(shè)定的采樣頻率確定移動(dòng)時(shí)間窗長(zhǎng)度δt，即根據(jù)如下公式確定移動(dòng)時(shí)間窗長(zhǎng)度δt：

其中，f為信號(hào)采樣頻率，m為一個(gè)完整的喘振波形數(shù)據(jù)所包含的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。

所述步驟3中差分運(yùn)算、再次差分運(yùn)算的差分運(yùn)算方法定義如下：

定義離散信號(hào)x在k時(shí)刻的值為x(k)，k+1時(shí)刻的值為x(k+1)，其一階差分信號(hào)y的計(jì)算方法為：y(k)＝x(k+1)-x(k)。

所述的步驟4確定判定閾值δx0優(yōu)選如下方法實(shí)現(xiàn)：

喘振發(fā)生時(shí)刻前,取m-1個(gè)時(shí)間窗長(zhǎng)度內(nèi)波動(dòng)值的平均值在喘振點(diǎn)后，取m-1個(gè)時(shí)間窗長(zhǎng)度內(nèi)的波動(dòng)數(shù)量平均值設(shè)定閾值取兩者平均值，即確定判定閾值δx0。

有益效果：

1、針對(duì)渦輪增壓器壓氣機(jī)性能測(cè)試試驗(yàn)中，喘振由人工判斷存在對(duì)喘振邊界判定不一致的問題，本發(fā)明公開的一種渦輪增壓器離心壓氣機(jī)喘振識(shí)別方法，可以替代渦輪增壓器壓氣機(jī)性能測(cè)試中人工判喘，保證試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的一致性。

2、已有技術(shù)中統(tǒng)計(jì)波動(dòng)數(shù)量，通常采用排序法、冒泡法求極值，需要進(jìn)行循環(huán)和判斷的運(yùn)算或采用頻譜分析方法進(jìn)行fft運(yùn)算，本發(fā)明公開的一種渦輪增壓器離心壓氣機(jī)喘振識(shí)別方法，通過簡(jiǎn)單進(jìn)行一次差分、sign函數(shù)處理、再次差分運(yùn)算，即能統(tǒng)計(jì)出波動(dòng)數(shù)量，因此，計(jì)算量小。

3、本發(fā)明公開的一種渦輪增壓器離心壓氣機(jī)喘振識(shí)別方法，經(jīng)過匹配濾波濾除疊加到喘振信號(hào)上的噪聲，喘振信號(hào)和正常信號(hào)波動(dòng)數(shù)量對(duì)比明顯，因此，準(zhǔn)確度高。

4、本發(fā)明公開的一種渦輪增壓器離心壓氣機(jī)喘振識(shí)別方法，在渦輪增壓器壓氣機(jī)性能測(cè)試領(lǐng)域具有較大的實(shí)用價(jià)值與應(yīng)用前景，例如：可應(yīng)用于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中渦輪增壓器壓氣機(jī)喘振的在線監(jiān)測(cè)，在壓氣機(jī)發(fā)生喘振時(shí)及時(shí)采取措施，以保證增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行的可靠性。

附圖說明

圖1為背景技術(shù)中某型渦輪增壓器壓氣機(jī)性能曲線。

圖2為本發(fā)明公開的喘振識(shí)別算法流程圖；

圖3為傳感器安裝位置示意圖；

其中：1為渦輪增壓器壓氣機(jī)，2為渦輪增壓器渦輪，3為渦輪增壓器壓氣機(jī)出口，4為渦輪增壓器壓氣機(jī)出口連接管道，5為壓氣機(jī)出口測(cè)量傳感器第一安裝位置，6為壓氣機(jī)出口測(cè)量傳感器第二安裝位置，7為渦輪增壓器壓氣機(jī)進(jìn)口，8為渦輪增壓器壓氣機(jī)進(jìn)口連接管道，9為壓氣機(jī)進(jìn)口測(cè)量傳感器第一安裝位置，10為壓氣機(jī)進(jìn)口測(cè)量傳感器第二安裝位置。

圖4為增壓器喘振信號(hào)圖；

圖5為增壓器喘振信號(hào)波形圖；

圖6為增壓器喘振信號(hào)經(jīng)匹配濾波和二階差分后信號(hào)波動(dòng)數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其中：圖6(a)為增壓器喘振信號(hào)經(jīng)匹配濾波后結(jié)果，圖6(b)為二階差分后信號(hào)波動(dòng)數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果；

圖7為喘振判別結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方法對(duì)本發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例公開的一種渦輪增壓器離心壓氣機(jī)喘振識(shí)別方法，流程圖如圖2所示，包括如下步驟：

步驟1：喘振信號(hào)采集；

在jp90渦輪增壓器壓氣機(jī)進(jìn)出口或進(jìn)出口管道上安裝動(dòng)態(tài)壓力傳感器，用于測(cè)量壓氣機(jī)進(jìn)出口氣體的壓力；如圖3所示，動(dòng)態(tài)壓力傳感器安裝位置優(yōu)選下述四種安裝位置：第一種安裝方式：安裝到渦輪增壓器壓氣機(jī)進(jìn)口連接管道8上的壓氣機(jī)進(jìn)口測(cè)量傳感器第一安裝位置；第二種安裝方式：安裝到渦輪增壓器壓氣機(jī)進(jìn)口7上的壓氣機(jī)進(jìn)口測(cè)量傳感器第二安裝位置10；第三種安裝方式：安裝到渦輪增壓器壓氣機(jī)出口連接管道4上壓氣機(jī)出口測(cè)量傳感器第一安裝位置5；第四種安裝方式：安裝到渦輪增壓器壓氣機(jī)出口3上壓氣機(jī)出口測(cè)量傳感器第二安裝位置6。本實(shí)例采用第三種安裝方式，安裝距離l2小于壓氣機(jī)出口管徑d2＝75mm的3倍225mm，本實(shí)例將動(dòng)態(tài)壓力傳感器安裝在壓氣機(jī)出口管道上距壓氣機(jī)出口距離為200mm。

采集動(dòng)態(tài)壓力傳感器數(shù)據(jù)，采樣頻率f＝100hz，操作試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)渦輪增壓器轉(zhuǎn)速至30000r/min，調(diào)節(jié)增壓器壓氣機(jī)運(yùn)行狀態(tài)至喘振狀態(tài),得到正常運(yùn)行工況和喘振工況下壓氣機(jī)出口壓力信號(hào)，jp90渦輪增壓器正常工況和喘振工況信號(hào)圖如圖4所示。圖4中，在4秒處，渦輪增壓器壓氣機(jī)由正常工況進(jìn)入喘振工況。

步驟2：設(shè)計(jì)匹配濾波器濾除疊加到喘振信號(hào)上的噪聲，確定移動(dòng)時(shí)間窗長(zhǎng)度δt。

步驟2.1：設(shè)計(jì)匹配濾波器濾除疊加到喘振信號(hào)上的噪聲。

在步驟1得到的喘振工況信號(hào)中，截取其中一個(gè)完整的喘振波形，所截取喘振波形如圖5所示，由11個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)組成取濾系數(shù)k＝1，得到匹配濾波器系數(shù)矢量將步驟1中得到的正常工況和喘振工況信號(hào)，經(jīng)步驟2設(shè)計(jì)的匹配濾波器濾波后，濾除疊加到喘振信號(hào)上的噪聲，濾波后結(jié)果如圖6(a)所示。

步驟2.2：根據(jù)濾波器系數(shù)矢量維數(shù)和設(shè)定的采樣頻率確定移動(dòng)時(shí)間窗長(zhǎng)度δt。

根據(jù)步驟2.2提供的移動(dòng)時(shí)間窗長(zhǎng)度δt計(jì)算公式，

m＝11，f＝100hz，計(jì)算得到移動(dòng)時(shí)間窗度長(zhǎng)度取值范圍為0.22～0.33秒，選取δt＝0.3秒。

步驟3：對(duì)經(jīng)過步驟2中匹配濾波器濾波后的信號(hào)，統(tǒng)計(jì)移動(dòng)時(shí)間窗長(zhǎng)度δt內(nèi)信號(hào)波動(dòng)數(shù)量。

將步驟2采集到的動(dòng)態(tài)壓力傳感器信號(hào)經(jīng)設(shè)計(jì)的匹配濾波器濾波后，進(jìn)行一階差分運(yùn)算，經(jīng)sign函數(shù)運(yùn)算后，再次進(jìn)行差分運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果取絕對(duì)值后在0.3秒的移動(dòng)時(shí)間窗內(nèi)求和，計(jì)算結(jié)果如圖6(b)所示。

根據(jù)圖6(b)，喘振從4秒處開始，喘振波形信號(hào)包含11個(gè)采樣點(diǎn)，即m＝11，喘振發(fā)生時(shí)刻前，m-1個(gè)時(shí)間窗δt長(zhǎng)度，即3秒((11-1)*0.3＝3秒)內(nèi)，波動(dòng)數(shù)量平均值為126，即喘振發(fā)生時(shí)刻后，m-1個(gè)時(shí)間窗δt長(zhǎng)度，即3秒((11-1)*0.3＝3秒)內(nèi)，波動(dòng)數(shù)量平均值為36，即

步驟4：確定判定閾值δx0；

根據(jù)喘振閾值計(jì)算公式，

將步驟3得到的代入公式得到判定閾值δx0＝81。

步驟5：實(shí)時(shí)判別喘振；

實(shí)時(shí)采集步驟1安裝的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量傳感器信號(hào)，利用步驟2設(shè)計(jì)匹配濾波器濾除疊加到喘振信號(hào)上的噪聲，并按照步驟3統(tǒng)計(jì)移動(dòng)時(shí)間窗長(zhǎng)度δt內(nèi)信號(hào)波動(dòng)數(shù)量，并將步驟3統(tǒng)計(jì)移動(dòng)時(shí)間窗長(zhǎng)度δt內(nèi)信號(hào)波動(dòng)數(shù)量δx與步驟4確定的判定閾值δx0實(shí)時(shí)比較，當(dāng)移動(dòng)時(shí)間窗長(zhǎng)度δt內(nèi)信號(hào)波動(dòng)數(shù)量δx小于判定閾值δx0＝81時(shí)，判斷發(fā)生喘振，即實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)判別喘振。喘振判別結(jié)果如圖7所示。

還步驟6：所述的渦輪增壓器離心壓氣機(jī)喘振識(shí)別方法，應(yīng)用于渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)中渦輪增壓器壓氣機(jī)喘振的在線識(shí)別，能夠在壓氣機(jī)發(fā)生0.5秒后，判斷出喘振的發(fā)生。

盡管本文描述了本發(fā)明內(nèi)容的一種具體實(shí)施方式，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠構(gòu)想出一些不改變實(shí)質(zhì)性發(fā)明內(nèi)容的實(shí)施方式的修改和變化，凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案,均應(yīng)落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍內(nèi)。因此，應(yīng)當(dāng)理解的是，所附權(quán)利要求意在涵蓋在本質(zhì)上與本發(fā)明實(shí)質(zhì)性內(nèi)容相同的這些修改和變化。