[发明专利]压气机气动失稳信号的模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及叶轮机械防喘振技术，具体为一种压气机气动失稳信号的模拟方法。

背景技术

压气机气动失稳主要包括失速和喘振两种现象。气动失稳不仅降低了叶轮机械的性能，而且带来强烈的振动，可能引起结构的破坏而造成重大事故的发生。在气动失稳检测/控制装置的考核和评估中，气动失稳信号具有十分重要的作用。总是期望获得尽可能多的样本，用以考核检测/控制装置的准确性和可靠性。

一般而言，获得压气机气动失稳信号的途径有三种：(1)压气机试验测量获得；(2)基于计算流体力学(CFD)的数值模拟获得；(3)基于压气机解析模型的数值计算获得。

试验是获得压气机气动失稳特性的最直接、最真实的手段之一。试验时，将压气机稳定在某一转速，采用调节压气机出口节气阀或增加压气机进口气流畸变等方式，迫使压气机进入气动失稳状态。通过安装在压气机上的高频响传感器，拾取气动失稳过程中的信号，通过并行高速数据采集系统将其记录和存储下来。压气机气动失稳试验不仅是一种高能耗、高风险和长周期的试验项目，并且试验参数调整困难，获得的气动失稳信号特征较为单一。

基于CFD的数值模拟方法，首先将压气机气路进行网格划分，然后在计算机上通过专业软件进行非定常空气动力学计算。可以通过虚拟的数字传感器获得气动失稳过程中的信号。CFD是详细分析流场特征，研究气动失稳机理的重要手段之一。其计算复杂程度与网格划分、模型复杂度等相关。通常计算量庞大，对于压气机的一个状态，需要数小时到数周的计算机时。通过调整压气机模型、状态条件等参数，可以获得具有不同特征的气动失稳信号。

基于解析模型的压气机气动失稳分析，对气体的流动和压缩过程进行了大量简化，表达为较为简单的非线性偏微分方程组。常用的解析模型有Moore-Greitzer模型等。通过对解析方程组的求解，可以获得气动失稳的动态信号。通过模型中参数的更改，可以获得具有不同特征的气动失稳信号。

上述三种方法是获得真实压气机气动失稳特性和信号的重要手段。由于同一型号压气机不同工作状态下气动失稳特征不同；不同型号的压气机气动失稳特征不同。在压气机气动失稳装置的研制和考核中，通常需要大量的气动失稳信号来反映不同型号的压气机在不同状态下的气动失稳特征。采用上述方法获得大样本的气动失稳信号，需要耗费大量的人力、财力和时间，不仅是没有必要的，而且特征覆盖面窄，难以满足全面考核气动失稳检测装置的要求。

发明内容

本发明的目的是提供压气机气动失稳信号的一种模拟方法。该方法可以避免或减少压气机逼喘试验或基于CFD或解析方法的数值模拟计算，模拟的压气机气动失稳信号可以覆盖广泛的频率、幅值、失速先兆模式等特征，为压气机气动失稳检测/控制装置的考核和评估提供充足的样本。

本发明的技术方案为：

所述一种压气机气动失稳信号的模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：构建基本信号集{f_i(t)}：基本信号集由以下4个信号子集组成：(1)通过试验、CFD数值模拟或解析数值模拟获得的少量气动失稳信号{s_i(t)}；(2)衰减正弦信号{g_i(t)}；(3)半正弦脉冲{h_i(t)}；(4)噪声{n_i(t)}；

衰减正弦信号{g_i(t)}表示为：

式中ζ_i为阻尼比，f_i为频率，为初始相位；

半正弦脉冲{h_i(t)}表示为：

式中T_i为半正弦脉冲的宽度；

步骤2：取f(t)为要生成的气动失稳信号，并设定f(t)的特征参数；按照以下过程选择生成f(t)所需的基本信号：

1、若f(t)波形与{s_i(t)}中某一信号s₁(t)相似、仅频率或幅值不同时，则从{s_i(t)}中选取该信号作为基本信号；

2、若{s_i(t)}中无信号的波形与f(t)相似时，选取以下信号为基本信号：

(1)衰减正弦信号g₁(t)，其中ζ₁＝0，f₁＝信号f(t)的转子频率，