壓氣機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)信號(hào)的模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種壓氣機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)信號(hào)的模擬方法，其屬于葉輪機(jī)械防喘振【技術(shù)領(lǐng)域】。其步驟為(1)構(gòu)建基本信號(hào)集{fi(t)}，由(a)通過(guò)試驗(yàn)、CFD數(shù)值模擬或解析數(shù)值模擬獲得的少量氣動(dòng)失穩(wěn)信號(hào){si(t)}，(b)衰減正弦信號(hào){gi(t)}，(c)半正弦脈沖{hi(t)}，(d)噪聲{ni(t)}等4個(gè)子集構(gòu)成；(2)選擇基本信號(hào)；(3)波形變換和疊加，采用數(shù)乘變換、展縮變換、平移變換和時(shí)域疊加等運(yùn)算。此方法可以用極小的成本產(chǎn)生大量的涵蓋不同頻率、幅值、失速先兆模式等特征的氣動(dòng)失穩(wěn)信號(hào)，可用于壓氣機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)檢測(cè)/控制裝置的考核和評(píng)估。
【專利說(shuō)明】壓氣機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)信號(hào)的模擬方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及葉輪機(jī)械防喘振技術(shù)，具體為一種壓氣機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)信號(hào)的模擬方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 壓氣機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)主要包括失速和喘振兩種現(xiàn)象。氣動(dòng)失穩(wěn)不僅降低了葉輪機(jī)械的 性能，而且?guī)?lái)強(qiáng)烈的振動(dòng)，可能引起結(jié)構(gòu)的破壞而造成重大事故的發(fā)生。在氣動(dòng)失穩(wěn)檢測(cè) /控制裝置的考核和評(píng)估中，氣動(dòng)失穩(wěn)信號(hào)具有十分重要的作用。總是期望獲得盡可能多的 樣本，用以考核檢測(cè)/控制裝置的準(zhǔn)確性和可靠性。
[0003] -般而言，獲得壓氣機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)信號(hào)的途徑有三種：（1)壓氣機(jī)試驗(yàn)測(cè)量獲得； (2)基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD)的數(shù)值模擬獲得；(3)基于壓氣機(jī)解析模型的數(shù)值計(jì)算獲得。
[0004] 試驗(yàn)是獲得壓氣機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)特性的最直接、最真實(shí)的手段之一。試驗(yàn)時(shí)，將壓氣機(jī) 穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速，采用調(diào)節(jié)壓氣機(jī)出口節(jié)氣閥或增加壓氣機(jī)進(jìn)口氣流畸變等方式，迫使壓 氣機(jī)進(jìn)入氣動(dòng)失穩(wěn)狀態(tài)。通過(guò)安裝在壓氣機(jī)上的高頻響傳感器，拾取氣動(dòng)失穩(wěn)過(guò)程中的信 號(hào)，通過(guò)并行高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將其記錄和存儲(chǔ)下來(lái)。壓氣機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)試驗(yàn)不僅是一種高 能耗、高風(fēng)險(xiǎn)和長(zhǎng)周期的試驗(yàn)項(xiàng)目，并且試驗(yàn)參數(shù)調(diào)整困難，獲得的氣動(dòng)失穩(wěn)信號(hào)特征較為 單一。
[0005] 基于CFD的數(shù)值模擬方法，首先將壓氣機(jī)氣路進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后在計(jì)算機(jī)上通 過(guò)專業(yè)軟件進(jìn)行非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)計(jì)算?？梢酝ㄟ^(guò)虛擬的數(shù)字傳感器獲得氣動(dòng)失穩(wěn)過(guò)程中 的信號(hào)。CFD是詳細(xì)分析流場(chǎng)特征，研究氣動(dòng)失穩(wěn)機(jī)理的重要手段之一。其計(jì)算復(fù)雜程度與 網(wǎng)格劃分、模型復(fù)雜度等相關(guān)。通常計(jì)算量龐大，對(duì)于壓氣機(jī)的一個(gè)狀態(tài)，需要數(shù)小時(shí)到數(shù) 周的計(jì)算機(jī)時(shí)。通過(guò)調(diào)整壓氣機(jī)模型、狀態(tài)條件等參數(shù)，可以獲得具有不同特征的氣動(dòng)失穩(wěn) 信號(hào)。
[0006] 基于解析模型的壓氣機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)分析，對(duì)氣體的流動(dòng)和壓縮過(guò)程進(jìn)行了大量簡(jiǎn) 化，表達(dá)為較為簡(jiǎn)單的非線性偏微分方程組。常用的解析模型有Moore-Greitzer模型等。 通過(guò)對(duì)解析方程組的求解，可以獲得氣動(dòng)失穩(wěn)的動(dòng)態(tài)信號(hào)。通過(guò)模型中參數(shù)的更改，可以獲 得具有不同特征的氣動(dòng)失穩(wěn)信號(hào)。
[0007] 上述三種方法是獲得真實(shí)壓氣機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)特性和信號(hào)的重要手段。由于同一型號(hào) 壓氣機(jī)不同工作狀態(tài)下氣動(dòng)失穩(wěn)特征不同；不同型號(hào)的壓氣機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)特征不同。在壓氣 機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)裝置的研制和考核中，通常需要大量的氣動(dòng)失穩(wěn)信號(hào)來(lái)反映不同型號(hào)的壓氣機(jī) 在不同狀態(tài)下的氣動(dòng)失穩(wěn)特征。采用上述方法獲得大樣本的氣動(dòng)失穩(wěn)信號(hào)，需要耗費(fèi)大量 的人力、財(cái)力和時(shí)間，不僅是沒(méi)有必要的，而且特征覆蓋面窄，難以滿足全面考核氣動(dòng)失穩(wěn) 檢測(cè)裝置的要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是提供壓氣機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)信號(hào)的一種模擬方法。該方法可以避免或減 少壓氣機(jī)逼喘試驗(yàn)或基于CFD或解析方法的數(shù)值模擬計(jì)算，模擬的壓氣機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)信號(hào)可 以覆蓋廣泛的頻率、幅值、失速先兆模式等特征，為壓氣機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)檢測(cè)/控制裝置的考核 和評(píng)估提供充足的樣本。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0010] 所述一種壓氣機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)信號(hào)的模擬方法，其特征在于：包括以下步驟：
[0011] 步驟1 :構(gòu)建基本信號(hào)集:基本信號(hào)集由以下4個(gè)信號(hào)子集組成：（1)通過(guò) 試驗(yàn)、CFD數(shù)值模擬或解析數(shù)值模擬獲得的少量氣動(dòng)失穩(wěn)信號(hào){ Si(t)} ; (2)衰減正弦信號(hào) {gi(t)} ;(3)半正弦脈沖{hjt)} ;(4) P喿聲{ni(t)};
[0012] 衰減正弦信號(hào){gi⑴}表示為：
[0013]

【權(quán)利要求】
1. 一種壓氣機(jī)氣動(dòng)失穩(wěn)信號(hào)的模擬方法，其特征在于：包括以下步驟： 步驟1:構(gòu)建基本信號(hào)集:基本信號(hào)集由以下4個(gè)信號(hào)子集組成：（1)通過(guò)試 驗(yàn)、CFD數(shù)值模擬或解析數(shù)值模擬獲得的少量氣動(dòng)失穩(wěn)信號(hào)Isi(t)} ; (2)衰減正弦信號(hào) {gi(t)} ;(3)半正弦脈沖{hjt)} ;(4)P喿聲{ni(t)}; 衰減正弦信號(hào){gi(t)}表示為：
式中ζi為阻尼比，fi為頻率，的為初始相位； 半正弦脈沖Ihi (t)}表示為：
式中Ti為半正弦脈沖的寬度； 步驟2:取f(t)為要生成的氣動(dòng)失穩(wěn)信號(hào)，并設(shè)定f(t)的特征參數(shù)；按照以下過(guò)程選 擇生成f(t)所需的基本信號(hào)： 1) 、若f(t)波形與Isi (t)}中某一信號(hào)S1 (t)相似、僅頻率或幅值不同時(shí)，則從Isi (t)} 中選取該信號(hào)作為基本信號(hào)； 2) 、若Isi(t)}中無(wú)信號(hào)的波形與f(t)相似時(shí)，選取以下信號(hào)為基本信號(hào)： (1) 衰減正弦信號(hào)gi⑴，其中ζi= 0, =信號(hào)f(t)的轉(zhuǎn)子頻率，灼=〇; (2) 衰減正弦信號(hào)g2(t)，其中= 〇, =信號(hào)f(t)的葉片通過(guò)頻率，朽=〇; (3) 衰減正弦信號(hào)g3(t)，其中43取值范圍[-1 0)，f3=信號(hào)f(t)的失速頻率，％ =0; (4) 衰減正弦信號(hào)g4(t)，其中（4取值范圍[-1 0)，f4=信號(hào)f(t)的喘振頻率，％ = π/2； (5) 若信號(hào)f(t)的失速先兆段為突尖波，則選擇半正弦脈沖Ihi (t)}，其中Ti取值范圍 [0.1 20]ms;若信號(hào)f(t)的失速先兆段為模態(tài)波，則選擇衰減正弦信號(hào)&(〇,其中ζ5 = 〇,f5 =信號(hào)f⑴的轉(zhuǎn)子頻率的0. 1?0. 9倍，朽=〇; (6) 噪聲信號(hào)Ill (t)，幅值為1; 步驟3 :由基本信號(hào)波形變換和疊加得到信號(hào)f(t): 1) 、若步驟2中基本信號(hào)為S1 (t)，則采用數(shù)乘變換改變信號(hào)幅值；展縮變換改變頻率， 得到信號(hào)f(t): f(t) =As1 (t/b) 其中A為數(shù)乘系數(shù)，b為展縮系數(shù)； 2) 、若步驟2中基本信號(hào)不為S1 (t)，則進(jìn)行如下波形變換： 若信號(hào)f(t)的失速先兆段為突尖波，則
若信號(hào)f(t)的失速先兆段為模態(tài)波，則
其中Th為突尖波出現(xiàn)的周期，N為出現(xiàn)突尖波的個(gè)數(shù)，Tn為失速先兆段開(kāi)始時(shí)刻，Tk 為失速段開(kāi)始時(shí)刻，Tt3為喘振段開(kāi)始時(shí)刻，A4為喘振段的信號(hào)幅值，A3為失速段的信號(hào)幅 值，A1為穩(wěn)定段的信號(hào)幅值的1/2,Ah為突尖波的信號(hào)幅值，An為噪聲信號(hào)的幅值，A5為模 態(tài)波的信號(hào)幅值；U(t)是階躍函數(shù)，函數(shù)表達(dá)式為：
步驟4 :重復(fù)步驟2?步驟3生成其它特征參數(shù)的氣動(dòng)失穩(wěn)模擬信號(hào)。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104239614SQ201410440610
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月1日
【發(fā)明者】李長(zhǎng)征, 許思琦, 胡智琦 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)