一種壓氣機氣動穩定性診斷和控制的裝置及方法與流程

本發明涉及壓氣機技術領域，尤其涉及壓氣機的氣動穩定性診斷與控制裝置及方法。

背景技術：

目前國內外對壓氣機失穩先兆機理和調控手段的研究相對孤立，方法比較單一，尚沒有一種能同時實現集失穩先兆研究分析、實時預警、在線調控于一體的裝置及方法。針對集氣動失穩先兆的診斷與控制研究功能為一體的裝置及方法，不但能用于澄清葉輪機械領域復雜的失穩先兆、失穩機理等科學問題，更能為發展航空發動機的穩定性控制技術提供支持。因此，一種能夠實現對壓氣機失穩先兆類型進行區分，對前失速先兆以及失速先兆進行實時捕捉、分析與在線控制的裝置及方法，不僅能夠幫助澄清葉輪機械領域復雜的失穩先兆、失穩機理等科學問題，更能為航空發動機的穩定性控制技術提供有益思路。而且，也將為實際發動機提高失速裕度積累豐富的實驗數據，符合國民經濟和國防建設迫切需求，并在科學和技術上具有一定難度和挑戰性的工作。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明的目的是公開一種壓氣機氣動穩定性診斷與控制的裝置及方法，實現對壓氣機失穩先兆類別辨識，對失速先兆以及前失速先兆捕捉，并通過相應的控制機構實現對壓氣機穩定性的實時調控。

(二)技術方案

本發明提供了一種壓氣機氣動穩定性診斷和控制的裝置，包括測量設備、信號處理設備和控制執行設備；所述測量設備用于實時測量壓氣機內部不同位置的氣流的壓力或速度脈動，并將從不同位置獲得實時測量信號傳輸至信號處理設備；其中，所述實時測量信號包括實時測量的氣流的壓力或速度脈動信號。所述信號處理設備用于根據所述實時測量信號，判斷壓氣機運行的失穩先兆類型及空間分布，輸出相應的控制策略信號給控制執行設備；所述控制執行設備根據接收到控制策略信號，執行相應的控制動作，對壓氣機進行穩定性調控。

可選地，所述不同位置的氣流的壓力或速度脈動包括壓氣機各級動葉和靜葉進出口通道壓力或速度脈動、動葉葉頂與機匣壁面之間的壓力脈動、靜葉葉表壓力脈動以及動葉通道內部壓力脈動至少之一。

可選地，所述測量設備包括接觸式測量設備，所述接觸式測量設備包括動態壓力傳感器和動態探針；所述動態壓力傳感器布置在壓氣機動葉機匣壁面，用于實時測量壓氣機動葉葉頂氣流壓力脈動；所述動態探針布置在進出口通道內部，實時測量動葉進出口通道和靜葉進出口通道的氣流壓力或速度脈動。所述測量設備還包括非接觸式測量設備；所述非接觸式測量設備包括光學測量儀器；所述機匣為透明機匣；所述壓氣機的氣流中摻雜有反光顆粒；所述光學測量儀器沒置在機匣外部，用于發射激光并接收壓氣機的氣流中的反光顆粒反射的光信號，實時測量動葉和靜葉通道內部的氣流壓力或速度脈動。

可選地，所述信號處理設備包括中央處理器；所述中央處理器用于提取所述實時測量信號中的壓力或速度脈動的特性參數，并將所述特性參數與閾值進行比較，實時判斷所述壓氣機的運行穩定狀態；其中，所述特性參數包括頻譜特性、相關特性或傳播特性中的至少之一；所述閾值為預先設定壓氣機中氣流壓力或速度脈動從穩定性到非穩定性的臨界值。

可選地，所述控制執行設備包括驅動模塊和作動模塊；所述驅動模塊接收所述信號處理設備傳輸的控制策略信號，并根據所述控制策略信號輸出相應的執行信號給作動模塊；所述作動模塊根據所述執行信號對壓氣機的進行穩定性調控。所述作動模塊包括進口可調導葉、自循環抽吸-噴氣機構、微噴氣機構和機匣處理中的至少一個。

本發明還提供了一種使用上述壓氣機氣動穩定性診斷和控制的裝置進行壓氣機穩定性診斷和控制的方法，包括以下步驟：

S1、測量設備實時測量壓氣機內部不同位置的氣流壓力或速度脈動，并將從不同位置獲得實時測量信號傳輸至信號處理設備。

S2、信號處理設備根據所述實時測量信號，判斷壓氣機運行的失穩先兆類型及空間分布，輸出控制策略信號給控制執行設備。

S3、控制執行設備根據接收到控制策略信號，執行相應的控制動作，對壓氣機進行穩定性調控。

可選地，步驟S2包括：

S21、信號處理設備提取所述實時測量信號中的氣流的壓力或速度脈動的特性參數；所述特性參數包括頻譜特性、相關特性或傳播特性中的至少之一。

S22、信號處理設備判斷所述特性參數是否達到或超過閾值；所述閾值為預先設定的壓氣機中氣流壓力或速度脈動從穩定性到非穩定性的臨界值。

S23、當所述特性參數達到或超過所述閾值，信號處理設備輸出控制策略給控制執行設備。

(三)有益效果

本發明的壓氣機氣動穩定性診斷與控制裝置，優點在于：

1、本發明裝置和方法集成了多通道數據采集模塊、動態信號數據分析模塊以及驅動模塊。能夠同時進行壓力和速度脈動數據采集、海量數據存儲以及動態信號的快速分析。

2、本發明裝置和方法能夠實時監測壓氣機內部動態壓力和速度脈動，并能快速判斷壓氣機失穩途徑。

3、本發明裝置和方法能夠對壓氣機的失速先兆和前失速先兆信號實時捕捉，實現對壓氣機穩定性監測。

4、本發明裝置和方法能夠通過充分利用實時捕捉的壓氣機前失速先兆信號和葉頂噴氣、自循環抽吸-噴氣以及可調導葉控制手段，實現對壓氣機穩定性的靈活調控。

附圖說明

圖1是本發明一實施例的的壓氣機的氣動穩定性診斷控制裝置結構圖；

圖2是本發明一實施例的測量設備在壓氣機中的布置示意圖；

圖3是本發明一實施例的壓氣機失穩類型示意圖；

圖4為本發明利用一實施例的壓氣機氣動穩定性診斷控制方法流程圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。

本發明的目的是提供一種用于壓氣機氣動穩定性診斷和控制的裝置和方法，同時實現壓氣機的失穩先兆研究分析、實時預警、和在線調控。當壓氣機穩定運行時，其平均氣流脈動，包括氣流的壓力和速度脈動，維持在在一定范圍內。區別于平均氣流脈動，能影響到壓氣機穩定運行的氣流壓力或速度脈動被稱為擾動。擾動產生后，如不加抑制或消除，持續發展就會引起壓氣機失穩。壓氣機失穩是指壓氣機進入非穩定性工作狀態的過程。從擾動的產生到最終導致壓氣機失穩之前，壓氣機的氣流的壓力或速度脈動會呈現出一定的先兆特征，本說明書將此類特征稱為失穩先兆。這些失穩先兆大致可以區分為前失速先兆、失速先兆。其中，失速先兆是指失穩前的壓力或速度脈動特征。前失速先兆是在失速先兆之前更小更細微的擾動分量。換言之，壓氣機進入失穩的過程是從穩定工作狀態，經前失速先兆，到失速先兆發展最后進入失穩。

本發明的裝置和方法應用于壓氣機氣動穩定性實時診斷和控制。本發明能夠實時測量壓氣機內不同位置的氣流的壓力和/或速度脈動，實時判斷壓氣機的運行狀態并進行在線調控。其中，此處的壓氣機內不同位置的氣流的壓力和/或速度脈動主要包括壓氣機各級動葉和靜葉進出口通道壓力或速度脈動、動葉葉頂與機匣壁面之間的壓力脈動、靜葉葉表壓力脈動以及動葉通道內部壓力脈動。本發明通過對上述不同位置獲得的氣流的壓力和/或速度脈動等實時測量信號進行分析，判斷該實時測量信號中的氣流的壓力和/或速度脈動的特征是否達到甚至超過前失速先兆、和/或失速先兆等失穩先兆，并在相應失穩先兆出現最初時間段內，根據失穩先兆的類型和空間分布特性針對性的采取相應的調控措施，及時消除擾動的影響，抑制失穩先兆的進一步傳播。壓氣機中擾動發生的空間位置大致包括通道圓周位置、通道徑向位置和軸向位置。其中，通道圓周位置指各級動葉葉頂與機匣之間的圓周位置；通道徑向位置指從輪轂到機匣之間徑向位置，主要包括動葉進出口通道和/或靜葉進出口通道所在的徑向位置。軸向位置指的是各級動葉和靜葉的通道內部。通過在這些位置上布置一定的測量設備，就能夠對壓氣機中這些位置的氣流脈動進行實時監測，可及時發現擾動的產生。當測量到壓氣機中發生擾動后，通過信號處理設備預判該擾動對壓氣機運行的影響，如果擾動的發展程度達到或者已經引發前失速先兆、或失速先兆，則需要對壓氣機采取必要的控制策略，進行針對性的調控。

圖1是本發明一實施例的用于壓氣機氣動穩定性診斷和控制的裝置結構框圖。如圖1所示，一實施例的裝置包括測量設備100、信號處理設備200、控制執行設備300和上位機400。其中：

測量設備100用于實時測量壓氣機內部不同位置的氣流的壓力或速度脈動，從而在壓氣機失穩過程中可快速辨識壓氣機的失穩途徑，然后將獲得的實時測量信號傳輸給信號處理設備200。該實時測量信號包括實時測量的氣流的壓力或速度脈動信號。如果不能有效辨識失穩起始位置，即擾動發生的初始位置，則很難施加可靠的控制手段抑制失穩。實時檢測到擾動的時空分布，從而實現快速判斷壓氣機失穩的途徑的目的。

信號處理設備200用于根據所述實時測量信號，判斷壓氣機運行的失穩先兆類型及其空間分布，輸出控制策略信號給控制執行設備300；信號處理設備200根據獲取的失穩途徑選取合適的失速先兆和/或前失速先兆檢測分析方法，進行分析后，輸出控制策略至控制執行設備300。

控制執行設備300根據接收到控制策略信號，執行相應的控制動作，對壓氣機進行穩定性調控。

上位機400預裝數據監測軟件，對信號采集過程、控制過程與結果進行顯示。

一實施例中測量設備100包括接觸式測量設備和非接觸式測量設備兩類；其中接觸式測量設備包括動態壓力傳感器110和動態探針120。非接觸式測量設備包括光學測量儀器130。

一實施例中測量設備100在壓氣機中不同位置的布置如圖2所示。

多個動態壓力傳感器110布置在壓氣機動葉機匣壁面里面，用于實時監測壓氣機動葉葉頂壓力脈動。

多個動態探針120布置在進出口通道內部，用于實時檢測動葉進出口通道壓力脈動和靜葉進出口壓力脈動

光學測量儀器130布置壓氣機外部，通過激光反射作用測量在靜葉和動葉通道內部的壓力脈動。使用光學測量儀器130時，要求一實施例的機匣為透明材質，保證激光能夠穿透。并且，在進入壓氣機的氣流中持續摻雜反光顆粒，使反光顆粒隨氣流在靜葉和動葉通道內部流動。光學測量儀器130布置在機匣外部，通過測量反光顆粒的反射的光來判斷氣體通道的流動失穩先兆，實時檢測動葉和靜葉通道內部流動。

一實施例中，信號處理設備200包括多通道采集模塊210、A/D轉換模塊220、中央處理器230、D/A轉換模塊240、通訊模塊250。多通道采集模塊210與測量設備100電連接，接收測量設備100從壓氣機不同位置獲得的實時測量信號，并經A/D轉換模塊220。

A/D轉換模塊220將接收的實時測量信號進行A/D轉換，即模擬信號/數字信號轉換。然后傳輸給中央處理器230。

中央處理器230用于提取所述實時測量信號中的壓力或速度脈動的特性參數，并將所述特性參數與閾值進行比較，實時判斷所述壓氣機的運行穩定狀態。其中，所述特性參數包括頻譜特性、相關特性或傳播特性中的至少之一。所述閾值為預先設定壓氣機中氣流壓力或速度脈動從穩定性到非穩定性的臨界值。

具體地，中央處理器230包括擾動分析算法子模塊和比較算法子模塊。其中，擾動分析算法子模塊集成了頻譜分析、時序分析、小波分析、相關分析以及概率統計分析算法，對擾動進行頻譜分析、相關分析、及傳播特性分析，獲得擾動的頻譜特性、相關特性以及傳播特性等特征參數，并以此作為穩定性控制的依據。擾動分析算法子模塊集成了多種分析算法，可以使擾動的檢測分析更加全面，同時能夠及時的捕捉到擾動的發生，為控制執行機構響應留有足夠的時間。因為擾動都混雜于壓氣機平均流脈動中，例如，對于小擾動，可能被壓氣機本身的噪聲干擾。這種情況下，頻譜分析可能會難以覺察，而相關分析和小波分析就可以及時判斷此類小擾動的產生。又例如，對于比較強的擾動，頻譜分析就能夠比較容易直觀反映。

比較算法子模塊中預先設定壓氣機中氣流壓力或速度脈動從穩定性到非穩定性的閾值，其中，閾值是根據壓氣機在前失速先兆、或失速前兆呈現出的氣流壓力或速度脈動的特征參數等進行選擇。將擾動算法子模塊提取的特性參數與閾值進行比較，判斷壓氣機穩定狀態，并將數據分析模塊中數據處理的有效信號傳輸的控制執行機構的驅動模塊中。然后輸出信號至D/A轉換模塊傳輸信號至D/A轉換模塊240；

D/A轉換模塊240輸出信號進行信號數據量/模擬量的轉換處理，然后傳輸至控制執行設備300。

通訊模塊250與上位機400進行雙向通訊，同時也與中央處理器230進行雙向通訊。

一實施例中，控制執行設備300包括驅動模塊310、和作動模塊320。其中驅動模塊310與控制措施的作動模塊連接，用于接收信號處理設備傳輸的信號，根據壓氣機失穩途徑的不同，輸出不同的執行信號至作動模塊320。作動模塊320根據接收到的執行信號，執行相應的調控功能，比如作動可調導葉的步進電機或葉尖噴氣的比例電磁閥，實現對壓氣機穩定性的靈活在線調控。

作動模塊320包括進口可調導葉321、自循環抽吸-噴氣機構322、微噴氣機構323、以及機匣處理機構324。

可調導葉機構321針對葉根失速或角區分離，可以作動可調導葉的步進電機，調整導葉的預旋角度，達到調整動葉進口攻角，改善流動的效果；

自循環抽吸-噴氣機構322和微噴氣機構323針對葉尖失速，可以以噴氣的方式，減小葉尖負載或者抑制葉尖泄漏，從而達到拓寬壓氣機穩定工作范圍的目的；

機匣處理機構324針對葉尖失速，可以調節背腔大小，抑制擾動的增長，從而達到拓寬壓氣機穩定工作范圍的目的；

一實施例中上位機400上預裝數據監測軟件，對信號采集過程、控制過程與結果進行顯示。上位機400在將進行數據顯示的同時，還可以通過通訊模塊250向中央處理器240傳輸數據。

圖3是本發明一實施例的壓氣機失穩類型示意圖。擾動的發生，即失穩的起始位置和時間都會有所不同，在壓氣機動葉和靜葉內部也比較多樣化，如果不能有效辨識失穩起始位置，很難施加可靠的控制手段抑制失速。雖然數值計算可以模擬壓氣機失速過程中擾動產生的起始位置，但是無法模擬在壓氣機變工況運行以及進口邊界條件變化時的狀況，比如部分負荷運行和進口畸變條件。如圖3所示，由于葉片負荷以及進口邊界條件變化，壓氣機可以有不同的失穩途徑，就需要在不同位置進行測量。有的壓氣機是周向長尺度擾動，此種情況下布置在壓氣機進出口通道上動態探針120就能夠有效地測量到擾動信號；有的壓氣機是動葉葉尖突尖失速，此種情況下，布置在壓氣機動葉機匣壁面的動態壓力傳感器110就能夠有效地測量到此處的擾動信號；有的壓氣機是動葉葉根失速，有的壓氣機是靜葉葉根角區失速，這種失速使用光學測量儀器130，通過測量反光顆粒的反射的光來判斷氣體通道的流，實時檢測動葉和靜葉通道內部流動。

圖3中，失穩類型是指壓氣機進入非穩定性工作的方式，主要包括系統喘振和局部旋轉失速。失穩分布是指壓氣機失穩先兆產生的空間分布位置。

系統失穩一般由系統擾動或局部湍流失穩擾動不斷發展而成。其中系統擾動是指發生在整個動葉葉片排周向大尺度擾動；局部湍流失穩擾動是指發生在動葉或者靜葉某個局部位置的擾動；這兩者的區別是系統擾動是大尺度周向傳播的擾動，局部湍流失穩擾動是發生葉尖或者葉根，一個或者幾個通道內部的擾動。同時，局部湍流擾動的發展也有可能演變為系統擾動。

系統擾動一般由進出口通道周向不均勻性引起。其中進出口通道周向不均勻性擾動是指發生在各級動葉和/或靜葉進出口通道所在的位置處的流動周向不均勻性。動態探針120布置在各級動葉和/或靜葉進出口通道處，可以測量各級動葉和/或靜葉進出口通道周向不均勻性，包括從輪轂到機匣內壁的徑向擾動。沿周向對稱布置多個動態探針之后，可以捕捉葉片排全圓周的擾動傳播特性。

局部湍流失穩擾動主要分布在通道徑向位置和軸向位置，包括葉尖擾動和葉根擾動。其中葉尖擾動發生在動葉葉尖某個或某幾個通道內，葉根擾動是發生在靜葉和動葉葉根的擾動。

葉尖擾動主要是動葉葉尖尖峰失速，主要是突尖型失速先兆。動態壓力傳感器110布置在壓氣機動葉機匣壁面，可以測量動葉葉尖尖峰失速。動葉葉尖尖峰失速在機匣壁面可表現為壓力的尖峰脈動，可通過在機匣內部布置的動態壓力傳感器110捕捉到壓力的尖峰脈動，進而測量動葉葉尖尖峰失速。

葉根擾動包括動葉葉根失速和靜葉角區失速，主要表現為端區的流動分離。接觸式測量的傳感器難以捕捉到轉子和靜子根部的壓力脈動，此時需要借助光學測量儀器130實現對根部的分離壓力脈動波的檢測。

當測量設備100實時測量到擾動的發生和空間分布后，經信號處理設備200分析判斷，輸出控制策略信號給控制執行設備300，由控制執行設備300的作動模塊320執行控制動作，對壓氣機進行穩定性調控。

例如，當測量到通道周向不均勻性擾動引發系統失穩先兆時，作動模塊320的進口可調導葉321可以作動可調導葉的步進電機，調節導葉角度改變動葉進口預旋角，抑制擾動周向發展。

當測量到動葉葉尖尖峰失速時，作動模塊320的自循環抽吸-噴氣機構322和微噴氣機構323可通過閥門驅動模塊調節閥門開度進而調節噴氣量大小、和/或機匣處理機構324可通過電機驅動模塊作動電機旋轉，改變背腔的大小。

當測量到葉根失速時，作動模塊320的進口可調導葉321可以驅動電機旋轉，調節導葉角度改變動葉進口預旋角，抑制葉根失速發展。

當測量到角區失速時，作動模塊320的進口可調導葉321可以驅動作動電機旋轉，調節導葉角度改變動葉進口預旋角，抑制葉根分離的發展。

圖4為本發明利用一實施例的壓氣機氣動穩定性診斷控制方法流程圖。包括步驟：

S1、測量設備實時測量壓氣機內部不同位置的氣流壓力和速度脈動，并將從不同位置獲得實時測量信號傳輸至信號處理設備。

S2、信號處理設備根據實時測量信號，判斷壓氣機運行的失穩先兆類型及空間分布，輸出控制策略信號給控制執行設備。

其中，S2具體還包括：

S21-信號處理設備200的分析實時測量信號。即通過擾動分析算法子模塊提取實時測量信號中的氣流的壓力或速度脈動的特性參數，包括頻譜特性、相關特性或傳播特性。

S22診斷是否出現前失速先兆或失速先兆。即通過比較算法模塊，判斷提取的特性參數分析擾動是否達到或超過閾值。如果尚未達到閾值，則不輸出任何信號。如果達到或超過閾值，即表明出現失穩先兆，則進入S23；

S23信號處理設備200確認先兆類型和失穩途徑，輸出控制策略給控制執行設備。

S3、控制執行設備根據接收到控制策略信號，執行相應的控制動作，對壓氣機進行穩定性調控。

以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。