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NF-6风洞轴流压缩机喘振信号检测、分析与应用

作　者: 惠增宏
导　师: 何明一
学　校: 西北工业大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 连续式跨声速风洞轴流压缩机喘振信号流量信号压力信号振动及温度防喘振控制动态畸变指数小波变换
分类号: TH453
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

NF-6风洞是我国第一座具有国际先进水平的大型连续式高雷诺数跨声速翼型风洞，由于其轴流压缩机工作在高压低温环境中，受风洞结构限制入口气流脉动很大，很容易导致压缩机进入喘振区，严重危及运行人员的人身安全和设备的正常工作。当压缩机发生喘振时，其流量、压力、振动和温度等喘振表征信号会出现常规条件下难以想像的现象，目前在国际上能借鉴的资料不多，在国内也是首次研究，因此对有关信号的检测、分析与预测对于预防喘振现象的发生具有非常重要的科学意义和社会价值。然而，由于对风洞压缩机喘振现象的研究属于交叉学科，内容涉及空气动力学、信号检测与处理、旋转机械和控制等多个领域，需要考虑的因素很多。本论文利用多学科的知识，特别从信号检测与处理的角度，主要通过理论分析与实验相结合的方法，在考虑风洞和压缩机相互耦合、相互影响的基础上，将风洞和压缩机作为一个整体系统来研究，主要创新点和结果如下：1．经过分析，得到了NF-6风洞和轴流压缩机联合运行时的稳定工作条件，为喘振信号的检测提供了理论依据。提出用信号与系统的观点研究连续式高速风洞这个复杂的气体网络系统。由于风洞与压缩机二者形成闭环回路，整个系统的工作是一个相互耦合、相互作用的演化过程，这是风洞中压缩机与一般工业压缩机最大的区别，因此讨论风洞中压缩机的稳定运行与不稳定工况时必须考虑这个耦合过程。通过理论分析结果可以看出，即使压缩机本身工作在稳定区，由于风洞的耦合作用，工作点也会处于不稳定的工作状态，有向压缩机不稳定工况点漂移的倾向，因此压缩机的防喘振系统是NF-6风洞安全运行的必备条件。2．通过对流量信号检测方式的分析，提出了采用等圆环面积法可以准确测量通过压缩机的流量，但必须同时考虑风洞总压和总温对流量测量准确度的影响。流量信号是NF-6风洞轴流压缩机防喘振控制系统正常工作的关键信号之一，论文通过计算给出了NF-6风洞轴流压缩机工作的流量范围包线。由于NF-6风洞轴流压缩机入口气流是典型的非充分发展管流，目前工业上已经成熟应用的流量测量方法无法直接应用于NF-6风洞，因此论文提出采用经过标定的风速管在风洞第一拐角后测量该截面的平均流速，同时测量风洞稳定段的总压和总温，进而准确得到进入轴流压缩机的质量流量。论文还对传感器位置的选择、传感器形式、传感器量程和精度对测量结果的影响进行了详细的计算和讨论，这些结果指导了NF-6风洞在压缩机流量测量方面设备的建设，并更改了原设计中不合理的部分，降低了设备调试和运行中的风险。3．通过对压力信号检测的模拟实验和分析，验证了滤波器截止频率的工程估算公式，采用小波变换分析了压缩机发生喘振时的压力突变信号，发现了稳态和动态压力信号检测中的部分规律。轴流压缩机出口总压和进口总压之比称为压比信号，是防喘振控制系统正常工作的另一个关键信号。由于压缩机发生喘振的最根本的内在原因还是气流分离造成的，因此压缩机入口截面气流的不均匀性会加快或加剧喘振的发生。而NF-6风洞轴流压缩机由于受到风洞结构的限制，其进口截面气流存在脉动和偏转，单纯采用测量总压而得到的压比信号作为压缩机防喘振控制参数，一方面会造成压缩机的运行范围变窄，压缩机效率下降；另一方面也会使风洞在同样的工况条件下能耗增大，造成不必要的浪费，使风洞实验的成本增加。因此，论文在国内首次提出在压缩机入口和出口安装动态压力传感器，得到这两个位置上的动态总压信号。为了得到相关规律，通过一个进气道实验模拟了动态压力测量的有关问题。同时应用小波变换分析了压缩机发生喘振后压力信号的奇异性特征，提出将其应用于NF-6风洞轴流压缩机防喘振系统中，可以提高控制系统的快速性和准确性，有效地拓宽NF-6风洞的运行范围。4．分析了NF-6风洞轴流压缩机轴系的振动情况以及进气温度对压缩机防喘振曲线的影响，其结果指导了振动信号和温度信号检测系统的建设。分析结果表明，NF-6风洞压缩机轴系的结构一阶固有振动频率落在相应于压缩机正常工作转速的激励范围之内。进一步的分析则显示，源于电机、压缩机和齿轮的一般激振，都不会引起较大的扭振应力，因此可以认为整个系统能在设计的转速范围内安全运行。但当高速齿轮存在缺陷时，两阶振型系数都较大，若压缩机转速对应的频率接近一阶固有振动频率时，可能会引起整个轴系的振动，从而造成整个结构的破坏。因此，为了保证NF-6风洞的安全运行，在此计算结果的指导下，我们建立了NF-6风洞压缩机振动监测系统。同时，由于压缩机进气温度变化范围很宽，还讨论了温度测量精度对整个系统的影响，据此设计了专用的温度检测和保护系统。这些措施在NF-6风洞建设过程中都已经得到了应用，为整个系统的成功调试打下了坚实的基础。5．初步建立了系统的数学模型，将多变量耦合系统进行了解耦，给出了连续式风洞控制的一般规律。通过分析指出，NF-6风洞控制系统是典型的多变量耦合系统，从输入和输出关系上是典型的多输入多输出(MIMO)模型，因此单纯采用PID控制无法满足系统控制的要求。但由于工程的特殊要求，在风洞调试和运转的初期，我们可以将MIMO系统进行解耦，分为四个单独的回路，采用传统的PID调节对风洞进行控制，在保证风洞安全调试和运行的前提下，通过大量的实验获取风洞运行过程中的有关参数，对其进行分析和处理后，逐步采用智能控制等更为高级的控制方式，提高风洞运转的效率，扩大运行范围。以上理论分析结果和实际计算结果已经成功用于指导NF-6风洞轴流压缩机防喘振控制系统的建设，取得了较为满意的结果。作者同时希望本论文的研究结果能够为以后我国建设类似的风洞提供一定的参考和帮助。

全文目录

摘要  4-7
ABSTRACT  7-11
目录  11-15
图目录  15-18
表目录  18-20
符号及缩写  20-23
第一章绪论  23-41
  1.1 课题研究的背景和意义  23-25
  1.2 和论文内容相关的有关知识  25-36
    1.2.1 风洞有关知识  25-28
      1.2.1.1 风洞的类别  25-26
      1.2.1.2 NF-6风洞  26-28
    1.2.2 压缩机知识  28-32
      1.2.2.1 压缩机的分类  29
      1.2.2.2 轴流压缩机的工作特性  29-32
    1.2.3 有关术语及定义  32-36
  1.3 压缩机喘振信号检测与分析国内外研究及进展情况  36-38
  1.4 论文主要研究内容  38-41
第二章 NF-6风洞轴流压缩机喘振问题的提出  41-51
  2.1 轴流压缩机的不稳定运行工况  41-44
    2.1.1 阻塞  42
    2.1.2 失事  42-43
    2.1.3 喘振  43-44
  2.2 喘振的危害  44
  2.3 NF-6风洞和轴流压缩机联合工作的稳定运行条件  44-47
  2.4 NF-6风洞轴流压缩机喘振信号检测、分析与应用的技术难点  47-48
  2.5 本章小结  48-51
第三章 NF-6风洞轴流压缩机流量信号检测与分析  51-75
  3.1 流量测量技术基础  51-58
    3.1.1 流量  51
    3.1.2 管内流动基本知识  51-56
    3.1.3 管内流动流量测量  56-58
  3.2 NF-6风洞流量范围包线的估算  58-60
  3.3 NF-6风洞流量信号检测方法  60-62
    3.3.1 通过实验段的流量  60-61
    3.3.2 在第一拐角出口或第二拐角入口用测风速的方法测量流量  61-62
    3.3.3 用流量计测量流量  62
  3.4 流量测量传感器位置选择  62-65
  3.5 流量测量传感器量程选择及误差分析  65-71
  3.6 流量信号可靠性判据  71-72
  3.7 流量极限法在压缩机流量检测中的应用  72-73
  3.8 本章小结  73-75
第四章 NF-6风洞轴流压缩机压力信号检测与分析  75-113
  4.1 流体力学中的压力  75-76
  4.2 NF-6风洞总压范围包线估算  76-79
    4.2.1 风洞运转压缩比的计算  76-78
    4.2.2 风洞稳定段总压的计算  78-79
  4.3 压缩机入口截面和出口截面压力检测  79-92
    4.3.1 稳态压力检测  79-81
    4.3.2 动态压力测量  81-92
      4.3.2.1 有关的概念  81-82
      4.3.2.2 实验设备及仪器  82-85
      4.3.2.3 实验结果及分析  85-90
      4.3.2.4 动态畸变指数和稳态畸变指数的比较  90-92
  4.4 小波分析在NF-6风洞压力信号检测中的应用  92-111
    4.4.1 小波分析有关知识  92-105
      4.4.1.1 小波理论发展概述  92-94
      4.4.1.2 小波分析  94-101
      4.4.1.3 小波基的数学特性  101-103
      4.4.1.4 Mallat算法  103-105
    4.4.2 信号的奇异性表征  105-106
    4.4.3 信号的奇异性检测与小波变换  106-108
    4.4.4 基于小波分析的NF-6风洞压力传感器信号奇异点检测  108-111
  4.5 本章小结  111-113
第五章 NF-6风洞轴流压缩机振动和温度信号检测与分析  113-133
  5.1 压缩机振动的分类  113-115
    5.1.1 振动  113-114
    5.1.2 压缩机的强迫振动  114-115
    5.1.3 压缩机的自激振动  115
  5.2 NF-6风洞轴流压缩机轴系振动分析  115-124
    5.2.1 压缩机轴系扭转振动分析  116-120
    5.2.2 结构扭转固有振动特性分析  120-123
    5.2.3 扭振产生的最大应力分析  123-124
  5.3 NF-6风洞温度信号检测与分析  124-129
    5.3.1 入口温度对NF-6风洞轴流压缩机喘振性能的影响  124-125
    5.3.2 温度传感器测量精度对实验雷诺数的影响  125-129
  5.4 NF-6风洞压缩机轴系振动信号和温度信号检测的实现  129-131
  5.5 本章小节  131-133
第六章 NF-6风洞轴流压缩机喘振的预防  133-153
  6.1 喘振的判别  133-134
  6.2 喘振预防基本原理  134-135
  6.3 喘振预防措施  135-136
  6.4 NF-6风洞轴流压缩机启动方式探讨  136-140
  6.5 PID控制方式在NF-6风洞中的应用  140-144
    6.5.1 数学模型的建立  140-142
    6.5.2 系统解藕  142-143
    6.5.3 仿真结果  143-144
  6.6 智能控制器在NF-6风洞中的应用  144-147
  6.7 NF-6风洞轴流压缩机防喘振控制系统的实现  147-152
    6.7.1 硬件组成  148-149
    6.7.2 软件结构  149-152
  6.8 本章小结  152-153
第七章总结与展望  153-159
  7.1 全文总结  153-156
  7.2 今后研究工作展望  156-159
参考文献  159-165
攻读博士学位期间发表、录用和投稿的论文目录  165-167
攻读博士学位期间主持和参与的科研项目  167-169
攻读博士学位期间获得的奖励和荣誉  169-171
致谢  171-173
附录  173-178

NF-6风洞轴流压缩机喘振信号检测、分析与应用

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