Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние проблемы.
1.1 Состояние исследования нестационарных процессов (помпажа и вращающегося срыва) 10
1.2 Классификация нестационарных процессов в центробежном компрессоре 17
1.3 Виды вращающегося срыва в центробежном компрессоре 21
1.4 Актуальность выбранной темы 26
1.5 Постановка задачи и цели исследования 32
2 Объект исследования 33
3 Методика экспериментального исследования 40
3.1 Выбор метода экспериментального исследования 40
3.2 Автоматизированная система для исследования нестационарных аэродинамических процессов 43
3.3 Выбор метода обнаружения предпомпажного состояния и определения информативных признаков 46
4 Методика обработки сигналов 52
4.1 Способы выявления скрытых периодичностей в нестационарных сигналах 52
4.2 Вейвлет-анализ
4.3 Анализ периодограммным методом 66
4.4 Корреляционные функции 69
4.5 Процедура обработки данных комбинированным методом обнаружения скрытых периодичностей 72
Заключение
- Классификация нестационарных процессов в центробежном компрессоре
- Виды вращающегося срыва в центробежном компрессоре
- Автоматизированная система для исследования нестационарных аэродинамических процессов
- Процедура обработки данных комбинированным методом обнаружения скрытых периодичностей
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Центробежные компрессоры являются неотъемлемой частью современных производств, в таких отраслях промышленности как газотранспортная, нефтеперерабатывающая, металлургическая, машиностроительная, горнодобывающая, а также в электро- и теплоэнергетике. В некоторых случаях центробежный компрессор большой мощности является основным видом энергетического оборудования в компрессорных станциях магистрального газопровода, химических и нефтеперерабатывающих заводах, а также в промышленных холодильных установках, системах кондиционирования, и во многих других установках. Перебои в работе или выход из строя компрессора ведут к снижению прибыли или большим материальным убыткам. Следует создавать условия для безопасной (устойчивой) эксплуатации центробежного компрессора.
В настоящее время наблюдается стремление к увеличению единичной мощности, производительности, давления нагнетания и, как следствие, окружной скорости установки, параллельно идет процесс снижения металлоемкости. В результате возрастают динамические нагрузки, способствующие увеличению опасности разрушения высоконагруженных элементов не только конструкции компрессора, но и компрессорной установки в целом под воздействием нестационарных процессов. Поэтому существует потребность в исследованиях нестационарных процессов центробежного компрессора, целью которых является обеспечение эффективной, устойчивой и надёжной работы[62].
Помпаж - глобальная (полная) потеря устойчивости, недопустимое явление для центробежного компрессора. Защита компрессора от помпажа должна функционировать при его эксплуатации. Применяемые сейчас алгоритмы защиты центробежного компрессора от помпажа имеют недостатки, из-за которых невозможно надежно исключить помпаж. Поэтому разработка принципов и выбор информативных условий для построения робастного (быстрого качественного и надежного) и доступного (приемлемого) алгоритма защиты центробежного компрессора от помпажа — актуальная задача.
Цели и задачи исследования. Настоящая диссертационная работа является продолжением цикла работ по исследованию нестационарных процессов в центробежном компрессоре, выполняемых на кафедре "Компрессорная, вакуумная и холодильная техника" (КВХТ) СПбГПУ под руководством профессора, д.т.н. Р.А. Измайлова. Основными целями данной работы является определение информационных условий при применении данного метода для своевременного обнаружения предпомпажного состояния центробежного компрессора и принципов построения антипомпаэюного алгоритма, основанного на этих условиях.
Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:
• проанализировать существующие способы анализа нестационарных сигналов;
• выбрать способы и сформировать принципы построения алгоритмов на их основе для обнаружения периодической составляющей в нестационарном сигнале;
• проанализировать имеющиеся данные экспериментального исследования нестационарных процессов с измерением быстроменяющихся величин в типовых ступенях центробежного компрессора;
• обработать имеющиеся экспериментальные данные;
• проанализировать результаты обработки;
• разработать принципы формирования информационных условий, применительно к этому методу для своевременного обнаружения предпомпажного состояния центробежного компрессора;
• разработать алгоритм антипомпажной защиты на основании данного метода.
Объектом исследования являются модельные ступени промышленных нагнетателей природного газа. Предметом исследования в данной работе являются нестационарные процессы и порождаемые ими пульсации статического давления в неподвижных элементах проточной части центробежного компрессора.
Методы исследования и используемые инструментальные средства.
Для экспериментального исследования нестационарных процессов в центробежном компрессоре используются разработанная под руководством проф. Р. А. Измайлова методика и информационно-измерительный комплекс кафедры КВХТ СПбГПУ. Для обработки сигналов применяются вейвлет разложение, спектральный анализ, кратковременный корреляционный анализ. Разработанная методика обработки сигналов реализована автором на платформе Matlab 7.0.1.
Положения, выносимые на защиту:
1. Методика обработки сигналов (способы обработки сигналов с целью обнаружения скрытых периодичностей, вейвлет-разложение, на его основе разработанный автором алгоритм для обнаружения скрытых периодичностей).
2. Результаты обработки цифровых записей испытания ступеней.
3. Информационные условия для обнаружения предпомпажного состояния центробежного компрессора (при применении данного способа).
4. Антипомпажный алгоритм, построенный на основании данной методики.
Научная новизна. В данной работе получены следующие результаты:
1. Разработана методика обработки сигналов с целью обнаружения скрытых периодичностей с применением вейвлет-анализа.
2. Разработан алгоритм, выявляющий периодические составляющие в нестационарном сигнале.
3. Предложен алгоритм для параллельного выявления периодичностей.
4. Выявлена возможность работы алгоритма с короткими реализациями и применимость его для переходных режимов. 5. Предложено использование значений интервала периода в качестве критерия вместо периода и его отклонения.
6. Предложены информационные условия для определения границ значений интервалов на основе дополнительных критериев.
7. Предложена схема системы защиты центробежного компрессора от помпажа.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
1. На основе полученных результатов исследования возможно создание автоматической быстродействующей системы защиты центробежного компрессора от помпажа, позволяющей расширить зону эффективной работы и повысить надёжность установки.
2. Примененная методика анализа сигналов пригодна не только для явления пульсаций давления в центробежном компрессоре, но и для других нестационарных процессов.
3. Данная методика позволяет производить самодиагностику системы с целью обнаружения неисправности канала измерения.
4. Анализ сигналов позволяет обнаружить неисправности механической системы компрессора.
5. Разработанная методика применима для использования на уровне проектирования компрессора как системы и доводки компрессора.
Достоверность полученных результатов обеспечивается:
а) использованием результатов испытаний модельных ступеней, применённых при проектировании натурных нагнетателей природного газа, выпускаемых промышленностью;
б) использованием требуемой частоты дискретизации при записи пульсаций давления, выполняемой с помощью современной информационно измерительной системы;
в) дублированием измерений быстроменяющихся величин;
г) сопоставлением полученных результатов с выполненными ранее
исследованиями по измерению параметров нестационарного потока; д) использованием современных высокоскоростных и надежных алгоритмов выделения скрытых периодичностей.
Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертации докладывались на научных конференциях "XXXIII Неделя науки СПбГПУ" (СПб, 28 ноября - 3 декабря 2005 г.), "XXXIV Неделя науки СПбГПУ" (СПб, 20 - 25 ноября 2006 г.) и "Международная научно техническая конференция по компрессорной технике" Казань 2007 г. (Казань, май 2007 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы пять печатных работ, две из которых в журналах "Компрессорная техника и пневматика" и "Научно технические ведомости " [24,25].
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав с заключением, списком использованной литературы из 146 наименований. Материал, изложен на 300 страницах машинописного текста и содержит 367 рисунков и 8 таблиц.
Классификация нестационарных процессов в центробежном компрессоре
Создание классификации нестационарных процессов в центробежном компрессоре необходимо для физического анализа явлений, а также для формирования процедур исследования: выбора информативных признаков процессов и разработке методов уменьшения нежелательных эффектов этих процессов. Нестационарные процессы в турбокомпрессорах можно разделить на две группы: аэродинамические и аэроупругие [47, 48].
Аэроупругость (аэродемпфирование и различные виды флаттера) проявляется преимущественно в осевых компрессорах. В центробежных компрессорах эти процессы могут иметь существенное значение в ступенях с полуоткрытыми и открытыми осерадиальными колесами, а также в компрессорах высокого и сверхвысокого давления, при этом большую роль могут играть эффекты аэроупругого взаимодействия ротора и статора, включая уплотнения. В данной работе анализируются результаты, полученные на ступенях с рабочими колесами (РК) закрытого типа, полученные при умеренных уровнях давления, поэтому аэроупругие процессы не рассматриваются. Во всех случаях рассматривается только дозвуковое течение и предполагается отсутствие связи между аэродинамическими и упругими характеристиками системы.
Аэродинамические процессы в центробежном компрессоре, можно классифицировать по следующей схеме рис. 1.1.[39] В рассматриваемой схеме аэродинамические процессы делятся на три класса: детерминированные, квазидетерминированные и случайные. Детерминированные процессы делятся на переходные и периодические.
Переходные (неустановившиеся) процессы происходят во время изменения режима работы компрессора, определяемого частотой вращения ротора, сопротивлением сети и т.п. Эти процессы играют важную роль для компрессоров транспортных установок, доменных компрессоров, цикловых компрессоров химических производств и нагнетателей природного газа. Изучение этих процессов не входило в число задач, необходимых для решения поставленной в данной работе проблемы. Во всех рассматриваемых случаях предполагается, что режим работы - "установившийся", т.е. сопротивление сети и частота вращения ротора фиксированы. Однако следует отметить, что невозможно полностью исключить присутствие в эксперименте инфранизкочастотных флуктуации.
Периодические процессы разделяются на три группы. Первая группа включает процессы, создаваемые неравномерностью распределения аэродинамических величин по угловой (окружной) координате (по шагу решеток РК и ЛД, углу охвата несимметричных входных и выходных устройств). Эта неравномерность существует практически на всех режимах работы, в том числе и оптимальных. Вращение ротора преобразует пространственную (окружную) неравномерность распределения аэродинамических величин в нестационарное течение. Шаговая неравномерность давления и скорости в РК создаёт нестационарное периодическое течение в диффузоре и других неподвижных элементах, а неравномерность распределения в неподвижных элементах вызывает соответствующее нестационарное течение в РК.
По характеру возбуждения пульсации, вызванные окружной неравномерностью, имеют вид вынужденных колебаний с периодом, равным произведению периода вращения ротора и пространственного периода неравномерности. Элементы проточной части компрессора являются открытыми резонаторами, поэтому, возможно, возбуждение пространственных резонансов при близости значении частоты возбуждающего процесса и собственной частоты резонатора (и соответствующей фазировке). Это явление называется аэродинамическим резонансом и имеет общие черты с акустическим резонансом, возникающим при колебании лопаток осевой решетки [21, 48].
Вторая группа периодических нестационарных процессов включает процессы, вызванные потерей устойчивости движения в проточной части компрессора (вращающийся срыв) или во всей системе "компрессор-сеть" (помпаж). Это типичные автоколебательные процессы, т. е. их параметры определяются свойствами системы, в которой они возникли, а не частотой внешнего возмущения (проблема субгармонических или ультрагармонических резонансов, - -характерная для нелинейных автоколебательных систем, дополнительно усложняет задачу).
Периодические и квазипериодические процессы в центробежном компрессоре также могут быть вызваны отрывным течением (например, у поверхностей стенок диффузора или лопаток) или когерентными структурами.
Случайные процессы, могут проявляться в широком спектре частотного диапазона в виде хаотических крупномасштабных флуктуации при отрыве потока (в области отрыва) и в виде турбулентности. Как правило, случайные (хаотические) пульсации, накладываясь на детерминированные [21, 34], существуют на всех режимах.
Данная классификация представляет собой систематизацию характерных особенностей процессов, но она может не иметь некоторых позиций, вследствие: сложного характера явлений в компрессоре, большого числа элементов и совокупного (нелинейного) динамического их взаимодействия.
Периодические и квазипериодические процессы способны привести к потере устойчивости при работе центробежного компрессора. Поэтому они являются базовой областью определяющей задачу для исследования в данной работе.
В центробежном компрессоре могут возникать три вида вращающегося срыва. Первый вид, экспериментально обнаруженный В. Янсеном [64, 99], детально исследован в серии работ под руководством проф. Р. А. Измайлова [19, 21, 29, 32, 55], а также в работах Сеноо и др. [51, 134, 135]. Этот вид срыва возникает из-за отрыва закрученного потока на торцевых стенках безлопаточного и/или лопаточного диффузора при некоторых малых (критических) значениях угла входа потока. При расходе, меньшем соответствующему устойчивому течению (в диффузоре) компрессора расхода, (трёхмерный) отрыв возникает и локализуется на одной из стенок диффузора вблизи его периферии. Поток обтекает образовавшуюся область отрыва, при этом из-за закрутки потока угол потока в зоне, находящейся по направлению вращения ротора, уменьшается, а в зоне, находящейся против вращения, увеличивается. Поэтому область отрыва перемещается в направлении вращения ротора с невысокой угловой скоростью, отличающейся от скорости вращения ротора.
Такая модель физически аналогична "решёточной" модели срыва, однако всё рассмотрение проводится не для углов атаки (или эквивалентного параметра, характеризующего течение в решётке), а для углов потока на входе в диффузор. Модель на первом этапе анализа - одномерная, влияние трёхмерности течения и соответствующей неравномерности распределения углов потока на входе в диффузор, а также возможности образования трёхмерного отрыва усложняют задачу. В целом при такой постановке нестационарная проблема — появление вращающегося срыва - может быть сведена к решению "стационарной" задачи расчёта возникновения отрыва (турбулентного) потока в диффузоре, решаемой в настоящее время (с различной степенью достоверности) с помощью соответствующих программных комплексов вычислительной гидродинамики.
Виды вращающегося срыва в центробежном компрессоре
Такая модель физически аналогична "решёточной" модели срыва, однако всё рассмотрение проводится не для углов атаки (или эквивалентного параметра, характеризующего течение в решётке), а для углов потока на входе в диффузор. Модель на первом этапе анализа - одномерная, влияние трёхмерности течения и соответствующей неравномерности распределения углов потока на входе в диффузор, а также возможности образования трёхмерного отрыва усложняют задачу. В целом при такой постановке нестационарная проблема — появление вращающегося срыва - может быть сведена к решению "стационарной" задачи расчёта возникновения отрыва (турбулентного) потока в диффузоре, решаемой в настоящее время (с различной степенью достоверности) с помощью соответствующих программных комплексов вычислительной гидродинамики.
Дальнейшее уменьшение расхода и соответственно угла потока а приводит к приближению зоны отрыва от периферии диффузора к колесу.
Поскольку скорость вращения зон срыва невелика (намного меньше частоты вращения ротора), а число зон срыва — небольшое (1...3, максимально — 8 для ступеней с лопаточными диффузорами), частота пульсаций аэродинамических величин в неподвижных элементах меньше частоты вращения ротора, а в рабочем колесе частота пульсаций выше частоты вращения ротора. Как правило, зоны срыва перемещаются в сторону вращения ротора [21, 109, 124].
Второй вид вращающегося срыва, как и в осевых компрессорах, может появляться из-за отрыва потока при обтекании решетки рабочего колеса (и/или решетки лопаточного диффузора). В принципе возможно отрывное обтекание иных решёточных систем, существующих в компрессоре (рёбер во всасывающем патрубке, входного направляющего аппарата, ОНА). Этот вид срыва отличается повышенной скоростью перемещения зон срыва (если причина отрыва - отрыв при обтекании решетки РК) [21].
Третий вид вращающегося срыва может возникать при течении закрученного потока в зазоре между покрывающим диском и торцевой стенкой корпуса. Распределение скоростей в зазоре зависит от числа Рейнольдса, относительной величины зазора, протечек через уплотнение, шероховатости поверхности и т.д. Анализ распределения скоростей в зазоре показывает, что профиль радиальной составляющей скорости по осевой координате имеет перегиб [21]. Возможен случай, когда точка перегиба соответствует нулевому значению скорости, что принципиально может привести к неустойчивости течения, аналогичной обнаруженной в опытах Грегори, Стюарта и Уолкера [63]. Характер распределения скоростей может изменяться в зависимости от типа ступени (концевая или промежуточная), реактивности ступени и режима работы компрессора.
Другая модель вращающегося срыва - проявление геострофического характера течения в виде волн Россби на повороте от осевого направления (например, на входе в рабочее колесо) к радиальному - предложена Ченом (Chen) [71]. Применимость этой модели к течению в типовых проточных частях практически не исследовано, за исключением работ самого Чена и его соавторов. Неясно, как влияет изменение параметров проточной части при движении по характеристике "напор-раход" на возможность возникновения срыва по модели Чена.
В основном большинство существующих ступеней можно разделить на два типа: промежуточная и концевая (рис. 1.2). Во входных элементах образующая неравномерность потока создает флуктуации, распространяющиеся по потоку в РК; пульсации, создаваемые неравномерностью в неподвижных элементах за колесом, распространяются против потока в РК. В РК соответственно неравномерность создает флуктуации во входных элементах, распространяющиеся против потока, и в неподвижных элементах за колесом - по потоку. Отметим, что неравномерность, создаваемая ОНА, распространяется как по потоку (в следующую ступень), так и против потока (в поворотное колено).
Поскольку нестационарные процессы, создаваемые неравномерностью распределения аэродинамических величин по окружной координате, возникают из-за вращения ротора, частота этих процессов, определяемая пространственной протяженностью области неравномерности, может быть одинакова. Это существенно затрудняет анализ влияния элементов, находящихся перед и за РК, на флуктуации аэродинамических параметров потока в РК.
Анализ структурной схемы проточной части (рис. 1.2) и условий образования вращающегося срыва показывает, что этот процесс может возникать практически во всех элементах проточной части. Сложность определения элемента, ответственного за возникновение вращающегося срыва, заключается в многозвенности ступени. Как правило, возникший срыв не локализуется в пределах одного элемента, а распространяется по проточной части (за исключением особо рассматриваемых случаев).
Автоматизированная система для исследования нестационарных аэродинамических процессов
Для получения измерительной информации была использована информационно-измерительная система кафедры КВХТ (рис. 3.2) [21, 22]. В состав системы входят каналы измерения быстроменяющегося давления, канал синхронизации, цифровая подсистема, персональный компьютер, а также осциллографы и частотомер. Работа системы производится под управлением специального программного обеспечения.
Каждый канал измерения давления состоит из малогабаритного малоинерционного датчика пульсаций давления тензометрического типа, усилителя и линии связи, соединяющей датчик с усилителем (рис. 3.3). В ходе экспериментов применялось от 6 до 8 каналов. Использовались датчики пульсаций давления трех типов: датчики разработки ЛПИ [21]; датчики разработки ЗАО МЭП [34]; датчики фирмы ENDEVCO [34].
Все датчики имеют чувствительные элементы давления интегрального типа, выполненные из монокристаллического кремния с тензорезисторами диффузионного типа, соединеннеы по мостовой схеме. Датчики проградуированы по давлению и температуре, а частотная характеристика определялась с помощью ударной трубы [21].
Усилитель (рис. 3.3) состоит из токового дифференциального усилителя (УТД), униполярного масштабирующего усилителя (УС) и фильтров высоких и низких частот (ФВЧ и ФНЧ) [21]. УТД обеспечивает питанием мостовую схему датчика и преобразует дифференциальный сигнал от моста датчика в УС, имеющий переменный коэффициент усиления (К = 1, 2, 5, 10).
Канал синхронизации образован индукционным датчиком (ИД) стенда ЭЦК-4, соединенным линией связи с усилителем-формирователем УФ и таймером БТЦ. Цифровая подсистема построена на основе блоков ВЕКТОР — КАМАК и состоит из следующих блоков [21, 22]: аналого-цифровых преобразователей АЦП типа ФК4225 (10 двоичных разрядов, цикл преобразования 1,5 мкс, емкость памяти 8Кб), по одному на каждый канал измерения давлений; буферных запоминающих устройств БЗУ (емкость памяти —128 Кб, разрядность - 12 двоичных разрядов) по одному на каждый АЦП; блока синхронизации МУС, обеспечивающего синхронные измерения до 8 блоков АЦП по сигналам от таймера БТЦ канала синхронизации; контроллера ПКК, обеспечивающего работу цифровых блоков под управлением персонального компьютера ЭВМ.
Цифровая подсистема обеспечивает параллельный сбор измерительной информации по нескольким (до 8) каналам измерения давления в полосе 0...50 кГц, емкостью до 69632 отсчётов на канал. Персональный компьютер ЭВМ типа ДВК-2М управляет начальными "уставками" цифровой подсистемы и сбором данных. Программное обеспечение персонального компьютера специально разработано для ведения сбора данных в темпе эксперимента и написано на ассемблере и языке Pascal. Собранные данные записываются на магнитный носитель (гибкий диск) для дальнейшей обработки на компьютере более высокого уровня в формате RT-11.
Осциллографы используются в системе для оперативной оценки параметров и областей существования нестационарных процессов, а также контроля функционирования информационно-измерительной системы.
В целом система измерения позволила выполнить поставленные задачи для исследования широкого класса нестационарных процессов в проточной части центробежного компрессора и высокую помехоустойчивость при работе в условиях высоких электрических помех.
Для выявления факта появления исследуемого явления и создания системы антипомпажной защиты в реальном времени на центробежном компрессоре необходимо иметь измерительную информацию о состоянии потока рабочей среды (газа) в его проточной части.
Поведение газа в проточной части в необходимой мере характеризуют нестационарные поля аэродинамических параметров: скорости, давления, температуры и плотности. Для оценки параметров нестационарных полей используется предложенная в [21] модель, основанная на анализе нестационарных пульсаций давления и скорости. Согласно этой модели, поля нестационарных величин в проточной части могут быть представлены как сумма периодических (во времени и пространстве) и случайных процессов. Анализ этих составляющих (или одной из них) может обеспечить требуемую информацию для выявления состояния компрессора.
Рассмотрим характерные особенности поля нестационарных пульсаций (статического) давления в проточной части центробежного компрессора в областях расходов от максимального до возникновения помпажа. Фиксируем скорость изменения расхода, соотносимую с характерными временами, значительно превышающими временные масштабы анализируемого поля, а частота вращения ротора - постоянна (гипотеза квазистационарности). Процессы, связанные с аэродинамическими резонансами в решетках рабочего колеса, лопаточного диффузора и ОНА, при анализе течения не рассматриваются.
При работе центробежного компрессора за рабочим колесом нестационарный процесс создаётся течением типа "струя-след" (вращающимися струями и следами). Структура течения "струя-след" - периодическая, его характерные временные масштабы t0Q = \/п и tnz = y(nzi) гДе п - частота вращения ротора в оборотах в секунду, a z2 - число лопаток рабочего колеса. Характерные временные масштабы течения "струя-след" находятся в кратном отношении с периодом оборота ротора. Пространственный масштаб течения равен шагу решетки рабочего колеса. Этот процесс присутствует во всем диапазоне расходов характеристики «напор-расход». Случайную составляющую при таком процессе создают отрывные явления и турбулентность потока в проточной части.
При отклонении расхода от оптимального режима как в сторону больших, так и в сторону меньших расходов условия обтекания решёток ухудшаются. При изменении расхода в меньшую сторону отрывные зоны охватывают большие области и при приближении к границе вращающегося срыва на фоне периодических составляющих, синхронных частоте вращения рабочего колеса, начинают возникать квазипериодические (появляющиеся в случайные моменты времени) составляющие с временным масштабом, превышающим tnz = l/(nz2), т.е. сравнительно низкочастотные колебания (предсрыв). Дальнейшее уменьшение расхода приводит к возникновению вращающегося срыва, при этом существует одна (однозонный срыв) или несколько областей (многозонный срыв), вращающихся в окружном направлении с угловой скоростью, меньшей скорости вращения ротора. Периодическая составляющая характеризуется низкой частотой (меньше Ы0б); колебания не синхронны частоте вращения рабочего колеса; пространственный масштаб имеет порядок нескольких шагов решетки РК (или ЛД); направление распространения зон вращающегося срыва - по окружности. Низкочастотная периодическая составляющая пульсаций давления при установившемся вращающемся срыве обладает высокой устойчивостью. Интенсивность колебаний (т.е. амплитуды колебаний) при вращающемся срыве, как правило, превышает существующую в области больших расходов. При уменьшении расхода возможно изменение интенсивности и структуры вращающегося срыва (число зон, период колебаний, угловая скорость вращения). Характерным остаётся окружное направление распространения и несинхронность к частоте вращения рабочего колеса [21, 34].
Процедура обработки данных комбинированным методом обнаружения скрытых периодичностей
Комбинация метода состоит из параллельного анализа методом периодограмм и корреляционного анализа сигнала, после вейвлет-преобразования. Это метод был сформирован на основании различных методов анализа нестационарных сигналов.
Основным методом является периодограммы. После выделения аппроксимирующих коэффициентов на выбранных уровнях с 5 по 8 из исходного сигнала датчиков давлений вычисляется спектральная плотность мощности. По полученным данным периодограмм определяются периоды нестационарных явлений, при этом необходимо задавать требуемый частотный диапазон, и в этом диапазоне по максимальному значению определяется искомый период периодического процесса. Если в данном диапазоне находится несколько максимумов, то существуют два периодических процесса, т.е. существует, например, двухзонный срыв. При отсутствии в выбранном диапазоне максимумов в проточной части не существует периодических явлений с искомым периодом. Частотный диапазон для каждого нестационарного явления, в частности, для каждого типа ступеней задаётся априорно. Обнаружение в других частотных диапазонах максимумов, невыявленных в сигналах других датчиков давления, находящихся в равнозначных местах, свидетельствует о возникновении сбоя либо в работе данного канала измерения, либо о неисправности самого датчика, либо резонансе в газовом тракте измерителя.
Дополнительным в данном методе является метод автокорреляционного анализа и кросс-корреляционного анализа; эти методы для анализа нестационарных явлений в центробежных компрессорах применялись давно, и в них в качестве сигнала применяется исходный или предварительно обработанный сигнал датчиков давления. В данной работе этот вид анализа выполняется над аппроксимирующими коэффициентами. Поэтому можно принять методику обнаружения периодичностей автокорреляционным анализом, а также времени запаздывания кросс-корреляционным анализом, изложенную в работе Нгуен Минь Хая [39]. Применение АКФ позволяет продублировать значения периода, полученные в периодиограмме, а применение ККФ дополнительно дает возможность получить информацию о скорости срыва.
Для реализации программы обработки данных была выбрана компьютерная платформа MATLAB [16, 40]. Исходными данными для работы написанной программы служили записи пульсаций давления, сделанные проф. Р.А. Измайловым и др., уже упоминавшиеся выше. Анализ результатов работы программы происходит визуально и с помощью алгоритмов. Алгоритм программы состоит из следующих стадий. Первая стадия - открытие файлов данных с сигналом и преобразования их в действительные значения пульсаций давления, вторая стадия - формирование участка для обработки, третья стадия - выделение аппроксимирующих и детализирующих коэффициентов, четвертая стадия - анализ с помощью метода периодограмм, пятая стадия - анализ с помощью автокорреляционного анализа, шестая стадия - анализ всех вариантов пар датчиков кросс-корреляционным анализом, седьмая стадия - вывод графиков обработки для стадий с третьей по шестую.
После обработки сигнала можно оценить полученные результаты в каждой стадии. Во второй стадии можно видеть исходный сигнал и синхронно накопленный со всех шести датчиков (например, рис. 4.5.1, рис. 4.5.2). На третьей стадии появляются картины аппроксимирующих коэффициентов (рис. 4.5.3, 4.5.5, 4.5.7, 4.5.9, 4.5.11, 4.5.13). После остальных стадий выводятся результаты анализа аппроксимирующих коэффициентов с применением периодограмм (рис.4.5.4, 4.5.6, 4.5.8, 4.5.10, 4.5.12, 4.5.14), период можно определить по табл. 4.1 и 4.2, АКФ представлены на рис. 4.5.15, 4.5.16, ККФ - на рис. 4.5.17, 4.5.18, 4.5.19, 4.5.20, 4.5.21, 4.5.22, 4.5.23, 4.5.24.
При работе над диссертацией были использованы файлы данных (цифровые записи пульсаций давления), записанные при испытании модельных ступеней KZ, NC и RB. Эти эксперименты проводились на стенде ЭЦК-4 кафедры КВХТ СПбГПУ [1, 2, 26]. Цифровые записи (сигналы) имеют обозначения, расшифровываемые в табл.5.1, 5.2 и 5.3, соответственно для ступеней KZ, NC, RB.
Большинство экспериментов проводилось на шести режимах, первый режим - максимального расхода, последний режим - вращающегося срыва. В таблице приведено максимальное количество режимов - 7, но в большинстве случаев количество режимов для серии экспериментов - 6. Также в таблицах приведено максимальное количество подрежимов. Они определяют, на скольких значениях дискретизации производилась регистрация сигналов, в большинстве случаев запись осуществлялась для двух подрежимов. Для каждого из этих режимов были вычислены по разработанной на кафедре КС ЛПИ (КВХТ СПбГПУ) программе газодинамические параметры ступени, кроме некоторых серий экспериментов, а именно KZ5, NCI, RBI, RB6, проведенных для дополнительного режима седьмого, коэффициент расхода
Для ступеней KZ и NC режим работы №5 оказался оптимальным, а 6 режим - вблизи границы помпажа( рис. 5.1.1, 5.1.2). Но это не наблюдалось в сериях экспериментов с большими числа Маха (серии NC2 (Mu = 0,8), NC4 (Ми = 0,77)) или другими условиями (серии KZ2, KZ5), компрессор не был доведен близко к границе помпажа. Для ступени RB режим работы №4 являлся оптимальным ( рис. 5.1.3)., а 6 режим - вблизи границы помпажа. Для таких случаев режим работы №5 соответствовал предсрывному состоянию. Записанные файлы имеют различную длину (от 1 до 59 сек.), и, как следствие, различный период дискретизации (18 ...900 мкс), так как количество отсчетов оставалось постоянным.
