[發明專利]壓氣機氣動失穩信號的模擬方法

有效

• 申請號: 201410440610.3
• 申請日: 2014-09-01
• 公開（公告）號: CN104239614B
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 李長征;許思琦;胡智琦
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 西北工業大學專利中心61204
• 代理人: 陳星

技術領域

本發明涉及葉輪機械防喘振技術，具體為一種壓氣機氣動失穩信號的模擬方法。

背景技術

壓氣機氣動失穩主要包括失速和喘振兩種現象。氣動失穩不僅降低了葉輪機械的性能，而且帶來強烈的振動，可能引起結構的破壞而造成重大事故的發生。在氣動失穩檢測/控制裝置的考核和評估中，氣動失穩信號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/控制裝置的準確性和可靠性。

一般而言，獲得壓氣機氣動失穩信號的途徑有三種：(1)壓氣機試驗測量獲得；(2)基于計算流體力學(CFD)的數值模擬獲得；(3)基于壓氣機解析模型的數值計算獲得。

試驗是獲得壓氣機氣動失穩特性的最直接、最真實的手段之一。試驗時，將壓氣機穩定在某一轉速，采用調節壓氣機出口節氣閥或增加壓氣機進口氣流畸變等方式，迫使壓氣機進入氣動失穩狀態。通過安裝在壓氣機上的高頻響傳感器，拾取氣動失穩過程中的信號，通過并行高速數據采集系統將其記錄和存儲下來。壓氣機氣動失穩試驗不僅是一種高能耗、高風險和長周期的試驗項目，并且試驗參數調整困難，獲得的氣動失穩信號特征較為單一。

基于CFD的數值模擬方法，首先將壓氣機氣路進行網格劃分，然后在計算機上通過專業軟件進行非定常空氣動力學計算。可以通過虛擬的數字傳感器獲得氣動失穩過程中的信號。CFD是詳細分析流場特征，研究氣動失穩機理的重要手段之一。其計算復雜程度與網格劃分、模型復雜度等相關。通常計算量龐大，對于壓氣機的一個狀態，需要數小時到數周的計算機時。通過調整壓氣機模型、狀態條件等參數，可以獲得具有不同特征的氣動失穩信號。

基于解析模型的壓氣機氣動失穩分析，對氣體的流動和壓縮過程進行了大量簡化，表達為較為簡單的非線性偏微分方程組。常用的解析模型有Moore-Greitzer模型等。通過對解析方程組的求解，可以獲得氣動失穩的動態信號。通過模型中參數的更改，可以獲得具有不同特征的氣動失穩信號。

上述三種方法是獲得真實壓氣機氣動失穩特性和信號的重要手段。由于同一型號壓氣機不同工作狀態下氣動失穩特征不同；不同型號的壓氣機氣動失穩特征不同。在壓氣機氣動失穩裝置的研制和考核中，通常需要大量的氣動失穩信號來反映不同型號的壓氣機在不同狀態下的氣動失穩特征。采用上述方法獲得大樣本的氣動失穩信號，需要耗費大量的人力、財力和時間，不僅是沒有必要的，而且特征覆蓋面窄，難以滿足全面考核氣動失穩檢測裝置的要求。

發明內容

本發明的目的是提供壓氣機氣動失穩信號的一種模擬方法。該方法可以避免或減少壓氣機逼喘試驗或基于CFD或解析方法的數值模擬計算，模擬的壓氣機氣動失穩信號可以覆蓋廣泛的頻率、幅值、失速先兆模式等特征，為壓氣機氣動失穩檢測/控制裝置的考核和評估提供充足的樣本。

本發明的技術方案為：

所述一種壓氣機氣動失穩信號的模擬方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：構建基本信號集{f_i(t)}：基本信號集由以下4個信號子集組成：(1)通過試驗、CFD數值模擬或解析數值模擬獲得的少量氣動失穩信號{s_i(t)}；(2)衰減正弦信號{g_i(t)}；(3)半正弦脈沖{h_i(t)}；(4)噪聲{n_i(t)}；

衰減正弦信號{g_i(t)}表示為：

式中ζ_i為阻尼比，f_i為頻率，為初始相位；

半正弦脈沖{h_i(t)}表示為：

式中T_i為半正弦脈沖的寬度；

步驟2：取f(t)為要生成的氣動失穩信號，并設定f(t)的特征參數；按照以下過程選擇生成f(t)所需的基本信號：

1、若f(t)波形與{s_i(t)}中某一信號s₁(t)相似、僅頻率或幅值不同時，則從{s_i(t)}中選取該信號作為基本信號；

2、若{s_i(t)}中無信號的波形與f(t)相似時，選取以下信號為基本信號：

(1)衰減正弦信號g₁(t)，其中ζ₁＝0，f₁＝信號f(t)的轉子頻率，