本發(fā)明涉及柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)，具體涉及基于特征頻率的渦輪增壓器喘振預(yù)測裝置及預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

渦輪增壓器的喘振是壓氣機(jī)的氣流量和轉(zhuǎn)速嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)指標(biāo)而引發(fā)的一種嚴(yán)重故障。增壓器的壓力過低，柴油機(jī)突然進(jìn)入低工況狀態(tài)，排氣煙度過高或者相機(jī)增壓切換的過程都有可能引起喘振的發(fā)生。喘振的發(fā)生將會(huì)造成壓氣機(jī)氣流紊亂，整個(gè)壓氣機(jī)的軸向低頻振動(dòng)加劇。這不僅影響了壓氣機(jī)的正常工作，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐刹裼蜋C(jī)的停機(jī)甚至損壞。因此如何有效的預(yù)測喘振現(xiàn)象的發(fā)生，是保證渦輪增壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行所面臨的重大問題。

在現(xiàn)有的增壓器喘振預(yù)測方法中，美國通用公司在中國申請(qǐng)的發(fā)明專利“自動(dòng)檢測和避免發(fā)動(dòng)機(jī)上渦輪增壓器喘振的裝置和方法”(授權(quán)專利號(hào)：cn103558003a)通過測量增壓器轉(zhuǎn)速來判斷是否發(fā)生喘振，并且該方法只是在喘振發(fā)生時(shí)對(duì)喘振現(xiàn)象進(jìn)行了判斷，不能在喘振未發(fā)生前對(duì)喘振現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測。王銀燕等的發(fā)明專利“相繼增壓系統(tǒng)喘振預(yù)測控制裝置及控制方法”(授權(quán)專利號(hào)為：cn104314668a)通過壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)速和氣流量來預(yù)測喘振的發(fā)生，然而轉(zhuǎn)速傳感器和流量計(jì)的布置需要布置在壓氣機(jī)內(nèi)部或在壓氣機(jī)外壁上開孔，這樣不可避免得對(duì)壓氣機(jī)原有流場狀態(tài)造成了影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種不改變壓氣機(jī)原有流場狀態(tài)的渦輪增壓器喘振預(yù)測裝置及預(yù)測方法，用于在喘振發(fā)生前對(duì)喘振進(jìn)行預(yù)測。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

基于特征頻率的渦輪增壓器喘振預(yù)測裝置，包括：加速度傳感器，傳聲器，信號(hào)采集卡，單片機(jī)，喘振報(bào)警信號(hào)燈。加速度傳感器、傳聲器連接于信號(hào)采集卡，信號(hào)采集卡與單片機(jī)相連，單片機(jī)與喘振報(bào)警信號(hào)燈相連。

基于特征頻率的渦輪增壓器喘振預(yù)測方法，包括如下步驟：

步驟一.加速度傳感器布置于渦輪增壓器的軸承處，傳聲器布置于渦輪增壓器中壓氣機(jī)一端；通過控制渦輪增壓器的進(jìn)氣量，測定并采集喘振發(fā)展過程中渦輪增壓器軸承處的振動(dòng)加速度和壓氣機(jī)一端輻射噪聲，傳輸至信號(hào)采集卡，并進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理和a/d轉(zhuǎn)換；

步驟二.利用單片機(jī)對(duì)軸承處的振動(dòng)加速度進(jìn)行處理，得到喘振發(fā)展過程中軸頻與葉頻的波動(dòng)，設(shè)定軸頻與葉頻波動(dòng)的上限。

步驟三.觀察輻射噪聲并提取渦輪增壓器的特征頻帶。

步驟四.統(tǒng)計(jì)輻射噪聲在特征頻帶內(nèi)的能量與測試總頻帶內(nèi)的能量，得到特征頻帶的噪聲能量比。

所述能量比r的計(jì)算公式為：

式中，ec是特征頻段內(nèi)噪聲的能量；et測試總頻段內(nèi)噪聲的能量。

步驟五.設(shè)定噪聲能量比的閾值。

步驟六.設(shè)置渦輪增壓器為工作狀態(tài)，獲取渦輪增壓器的軸承處振動(dòng)軸頻和葉頻的波動(dòng)，以及壓氣機(jī)一端的輻射噪聲能量比，進(jìn)行喘振判斷；

若渦輪增壓器軸承處的軸頻與葉頻波動(dòng)達(dá)到上限，且壓氣機(jī)一端的輻射噪聲能量比達(dá)到所設(shè)噪聲能量比的閾值，則預(yù)測喘振將要發(fā)生，喘振報(bào)警信號(hào)燈亮起。

本發(fā)明具有如下有益效果：

1、本發(fā)明根據(jù)渦輪增壓器喘振發(fā)生時(shí)進(jìn)出口出現(xiàn)強(qiáng)烈的氣流脈動(dòng)特征變化，這種氣流脈動(dòng)在特定的腔室空間會(huì)產(chǎn)生特定頻率的噪聲向外輻射，并引起轉(zhuǎn)子特定頻率下的振動(dòng)。本發(fā)明方法可以實(shí)時(shí)測定監(jiān)測增壓器工作過程中的振動(dòng)和噪聲，準(zhǔn)確地提取到轉(zhuǎn)子的低頻特性，基于監(jiān)測的頻譜特征，能夠在喘振發(fā)生前對(duì)喘振的發(fā)生進(jìn)行有效的預(yù)警。

2、本發(fā)明所用傳感器均布置于壓氣機(jī)外部，不會(huì)對(duì)原有流場狀態(tài)進(jìn)行影響。同時(shí)無需在壓氣機(jī)上開孔，安裝方便。

3、本發(fā)明能夠在在線監(jiān)測整個(gè)喘振發(fā)展的過程，在喘振發(fā)生前對(duì)其進(jìn)行預(yù)測。相較于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速監(jiān)測能夠更早地預(yù)測出喘振故障。

4、本發(fā)明僅在同時(shí)滿足雙重條件(即渦輪增壓器軸承處的軸頻與葉頻波動(dòng)達(dá)到上限，且壓氣機(jī)一端的輻射噪聲能量比達(dá)到所設(shè)噪聲能量比的閾值)時(shí)，進(jìn)行喘振預(yù)警，可靠性高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的喘振預(yù)測裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2是本發(fā)明的喘振預(yù)測方法流程圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更加細(xì)致的闡述：

結(jié)合圖1，本發(fā)明的喘振預(yù)測裝置主要由振動(dòng)加速度傳感器1，傳聲器2，信號(hào)采集卡3，單片機(jī)4，喘振警報(bào)燈5組成。加速度傳感器1、傳聲器2連接于信號(hào)采集卡3，信號(hào)采集卡3與單片機(jī)4相連，單片機(jī)4與喘振報(bào)警信號(hào)燈5相連。

加速度傳感器1通過膠粘的方式固定于渦輪增壓器的軸承座上采集軸承處的加速度信號(hào)。傳聲器2安裝于渦輪增壓器靠近的壓氣機(jī)一側(cè)，采集壓氣機(jī)一側(cè)的輻射噪聲。

采集到的信號(hào)經(jīng)信號(hào)線傳遞至信號(hào)采集卡3進(jìn)行信號(hào)的預(yù)處理和a/d轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字信號(hào)經(jīng)單片機(jī)4計(jì)算處理得到喘振發(fā)展過程中軸頻與葉頻的波動(dòng)、統(tǒng)計(jì)輻射噪聲在特征頻帶內(nèi)的能量與測試總頻帶內(nèi)的能量。

本發(fā)明的基于特征頻率的渦輪增壓器喘振預(yù)測方法為：預(yù)先通過控制進(jìn)氣量對(duì)待檢測增壓器的喘振發(fā)展過程中軸承處振動(dòng)加速度和壓氣機(jī)一端輻射噪聲進(jìn)行測試。對(duì)軸承處測得的加速度信號(hào)進(jìn)行處理，得到喘振發(fā)展過程中軸頻與葉頻的波動(dòng)，設(shè)定波動(dòng)的上限。觀察輻射噪聲并提取渦輪增壓器的特征頻帶。統(tǒng)計(jì)輻射噪聲在特征頻帶內(nèi)的能量與測試總頻帶內(nèi)的能量作比。設(shè)定噪聲能量比的閾值。再對(duì)工作狀態(tài)下的渦輪增壓器，測定其軸承處的振動(dòng)加速度和壓氣機(jī)一端輻射噪聲，再計(jì)算渦輪增壓器軸承處的軸頻與葉頻波動(dòng)，且壓氣機(jī)一端的輻射噪聲能量比。若渦輪增壓器軸承處的軸頻與葉頻波動(dòng)達(dá)到上限，且壓氣機(jī)一端的輻射噪聲能量比達(dá)到所設(shè)噪聲能量比的閾值，則預(yù)測喘振將要發(fā)生，喘振報(bào)警信號(hào)燈亮起。

本發(fā)明方法包括如下步驟：

步驟一.加速度傳感器1布置于渦輪增壓器的軸承處，傳聲器2布置于渦輪增壓器中壓氣機(jī)一端；通過控制渦輪增壓器的進(jìn)氣量，測定并采集喘振發(fā)展過程中渦輪增壓器軸承處的振動(dòng)加速度和壓氣機(jī)一端輻射噪聲，傳輸至信號(hào)采集卡3，并進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理和a/d轉(zhuǎn)換；

步驟二.利用單片機(jī)對(duì)軸承處的振動(dòng)加速度進(jìn)行處理，得到喘振發(fā)展過程中軸頻與葉頻的波動(dòng)，設(shè)定軸頻與葉頻波動(dòng)的上限。

設(shè)定軸頻波動(dòng)上限的方法為軸頻極大值的50％；

設(shè)定葉頻波動(dòng)上限的方法為葉頻極大值的50％；

步驟三.觀察輻射噪聲并提取渦輪增壓器的特征頻帶。

步驟四.統(tǒng)計(jì)輻射噪聲在特征頻帶內(nèi)的能量與測試總頻帶內(nèi)的能量，得到特征頻帶的噪聲能量比。

所述能量比r的計(jì)算公式為：

式中，ec是特征頻段內(nèi)噪聲的能量；et測試總頻段內(nèi)噪聲的能量。

步驟五.設(shè)定噪聲能量比的閾值。

設(shè)定噪聲能量比的閾值為噪聲能量比極大值的50％；

步驟六.設(shè)置渦輪增壓器為工作狀態(tài)，獲取渦輪增壓器的軸承處振動(dòng)軸頻和葉頻的波動(dòng)，以及壓氣機(jī)一端的輻射噪聲能量比，進(jìn)行喘振判斷；

若渦輪增壓器軸承處的軸頻與葉頻波動(dòng)達(dá)到上限，且壓氣機(jī)一端的輻射噪聲能量比達(dá)到所設(shè)噪聲能量比的閾值，則預(yù)測喘振將要發(fā)生，喘振報(bào)警信號(hào)燈亮起。

將計(jì)算得到的特征頻帶能量比與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，同時(shí)觀察軸頻與葉頻波動(dòng)是否達(dá)到閾值，判斷喘振是否發(fā)生。為避免干擾，只有在噪聲能量比幅值達(dá)到閾值的同時(shí)，且軸頻與葉頻波動(dòng)也達(dá)到上限，單片機(jī)4發(fā)出指令，使喘振警報(bào)燈5亮起，預(yù)報(bào)喘振。