一种基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法技术

本发明专利技术提供一种基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，包括：构建增压器的压气机本体模型；构建压气机转轴模型，计算增压器瞬时对应的转速；构建等效管路模型，获取压气机的出口质量流量与压气机出口的温度；构建稳压室模型，计算稳压室出口的流量以及稳压室出口的压力；构建等效阀模型，计算阀门流量；构建增压器涡轮端模型，计算涡轮端的流量，并计算涡轮的扭矩；构建频率检测模型，采用傅里叶变化处理压气机出口的压力变化信号，通过观测频率和振幅进行分析与对比；在不同因素下，进行压气机的喘振故障检测。本发明专利技术可以研究增压器喘振故障、分析故障原因、为船舶柴油机的喘振故障预测及防止事故发生提供理论模型的支持。模型的支持。模型的支持。

【技术实现步骤摘要】
一种基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法


[0001]本专利技术涉及大型船舶柴油机故障模拟与诊断
，具体而言，尤其涉及一种基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法。

技术介绍

[0002]目前内燃机的废气涡轮增压技术已被公认为内燃机的主要发展方向之一，废气涡轮增压技术已被证明是改善内燃机动力性和经济性的最有效措施，也是提高内燃机性能的必然途径。然而，增压器是柴油机运行中经常会出现故障的部件之一，喘振将导致柴油机的效率下降甚至会危及整个柴油机的运行。
[0003]在增压器的发生故障中，喘振是最常见的故障之一，故研究压气机的喘振是具有非常大的意义。压气机运行的状态会受到内部的气体压力和流量的影响，在高背压，低流量的情况下会造成喘振以及旋转失速，喘振与旋转失速不仅会造成压气机的增压效率下降，而且还会对压气机的叶片等关键部件造成损害，进而造成不可逆的损害。所以对压气机的喘振的模拟及预测有着非常重要的意义。
[0004]开展柴油机增压器的瞬态模型的建立，不仅能够帮助研究增压器的故障，为预防故障的发生进行理论的研究，同时也能协助柴油机的制造商进行增压器的发展与设计。也为增压器的故障预测与诊断提供了基础数据与理论模型，极大地减轻了人力与财力成本。

技术实现思路

[0005]根据上述提出的技术问题，提供一种基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法。本专利技术将压缩系统分为转轴模型、压气机本体、等效管路、稳压室以及等效阀模型，在Moore
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Greitzer模型的基础上通过Simulink对压气机各模块以及涡轮端建模。为了能够判断以及检测喘振的发生，采用了Simulink中自带的傅里叶转换Powergui模块对压气机的出口压力进行傅里叶转换，并对压气机各性能参数进行分析。
[0006]本专利技术采用的技术手段如下：
[0007]一种基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，包括如下步骤：
[0008]构建增压器的压气机本体模型；
[0009]构建压气机转轴模型，计算增压器瞬时对应的转速；
[0010]构建等效管路模型，获取压气机的出口质量流量与压气机出口的温度；
[0011]构建稳压室模型，计算稳压室出口的流量以及稳压室出口的压力；
[0012]构建等效阀模型，计算阀门流量；
[0013]构建增压器涡轮端模型，计算涡轮端的流量，并计算涡轮的扭矩；
[0014]采用傅里叶变化处理压气机出口的压力变化信号，通过观测频率和振幅进行分析与对比；
[0015]运用控制变量法，在不同因素下，进行压气机的喘振故障检测。
[0016]进一步地，所述构建增压器的压气机本体模型，并获取压气机本体模型提供的扭
矩以及涡轮端提供的扭矩，包括：
[0017]采用三次多项式，对压气机图谱中的喘振线左侧到零流量区域进行拟合；
[0018]采用二次多项式，对压气机的流量为负时的压气机图谱进行拟合，得到压气机的拟合补全图谱；
[0019]利用压气机的拟合补全图谱，计算压气机出口压力、压气机出口温度以及压气机扭矩。
[0020]进一步地，所述构建压气机转轴模型，计算增压器瞬时对应的转速，包括：
[0021]计算涡轮端提供的扭矩；
[0022]基于压气机扭矩和涡轮端提供的扭矩，计算增压器瞬时对应的转速。
[0023]进一步地，所述构建等效管路模型，获取压气机的出口质量流量与压气机出口的温度，包括：
[0024]将压气机的叶轮，蜗壳以及出口管道等效成管道；
[0025]基于等效的管道，计算气机的出口质量流量与压气机出口的温度。
[0026]进一步地，所述构建稳压室模型，计算稳压室出口的流量以及稳压室出口的压力，包括：
[0027]遵循能量守恒方程，建立稳压室模型；
[0028]采用充满排空法，计算稳压室出口的流量以及稳压室出口的压力。
[0029]进一步地，所述构建等效阀模型，计算阀门流量，包括：
[0030]构建等效阀模型时，将等效阀看成一个节流孔，忽略阀的入口侧的流速；
[0031]将入口与出口侧流量分为亚音速和超音速两种情况进行分类计算，计算阀门流量。
[0032]进一步地，所述构建增压器涡轮端模型，计算涡轮端的流量，并计算涡轮的扭矩，包括：
[0033]对于涡轮端，计算涡轮发动机的功率与流量；
[0034]将涡轮简化为一个节流阀，将气体流速分为亚音速与超音速两个状态来计算涡轮端的流量；
[0035]通过得到的流量进一步计算涡轮的扭矩。
[0036]进一步地，所述构建频率检测模型，采用傅里叶变化处理压气机出口的压力变化信号，通过观测频率和振幅进行分析与对比，包括：
[0037]采用Matlab/Simulink里的模块化处理工具Powergui模块对压气机的各种性能信号进行傅里叶变换，通过观测频率和振幅进行分析与对比。
[0038]进一步地，所述在不同因素下，进行压气机的喘振故障检测，包括：
[0039]在不同因素下，通过控制稳压室的容积和等效阀门开度来观察压气机的性能参数变化以及压气机的转动惯量，进行压气机的喘振故障检测。
[0040]较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0041]1、本专利技术提供的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其动态模型的瞬态响应仿真效果和调节性准确且高效，可以有效地进行压气机喘振模拟，可以方便地通过傅里叶转换模块观察到压气机的波动频率随各种不同因素的变化的情况。因此该模型可以作为压气机喘振的研究模型。
[0042]2、本专利技术提供的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其构建的增压器的压气机本体模型利用MATLAB根据已有的正常工况的压气机图谱进行图像补全，该补全图可以根据实时的压气机转速与压气机的流量得到压比，可以更加准确且实时地得到压气机的压比，比传统方法更加有说服力。
[0043]3、本专利技术提供的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其构建的等效管路模型近似将压气机整个系统内部的气体看作不可压缩气体，将整个压缩系统的管道部分等效为一个等效管，可以更加简便且有效地排除一些不必要部件的影响，也能更好地研究压气机的瞬态性能。
[0044]4、本专利技术提供的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其构建的等效阀模型分类讨论了当气体流速是超音速还是亚音速的不同情况，可以更加准确有效地得到等效阀出口的流量，且符合实际。
[0045]5、本专利技术提供的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其构建的增压器涡轮端模型主要模拟压气机的喘振且研究压气机部分，近似地将涡轮端简化为一个喷嘴，既满足了模型要求，也减小了不必要的工作，降低了任务难度。
[0046]6、本专利技术提供的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，采用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其特征在于，包括如下步骤：构建增压器的压气机本体模型；构建压气机转轴模型，计算增压器瞬时对应的转速；构建等效管路模型，获取压气机的出口质量流量与压气机出口的温度；构建稳压室模型，计算稳压室出口的流量以及稳压室出口的压力；构建等效阀模型，计算阀门流量；构建增压器涡轮端模型，计算涡轮端的流量，并计算涡轮的扭矩；构建频率检测模型，采用傅里叶变化处理压气机出口的压力变化信号，通过观测频率和振幅进行分析与对比；运用控制变量法，在不同因素下，进行压气机的喘振故障检测。2.根据权利要求1所述的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其特征在于，所述构建增压器的压气机本体模型，并获取压气机本体模型提供的扭矩以及涡轮端提供的扭矩，包括：采用三次多项式，对压气机图谱中的喘振线左侧到零流量区域进行拟合；采用二次多项式，对压气机的流量为负时的压气机图谱进行拟合，得到压气机的拟合补全图谱；利用压气机的拟合补全图谱，计算压气机出口压力、压气机出口温度以及压气机扭矩。3.根据权利要求1所述的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其特征在于，所述构建压气机转轴模型，计算增压器瞬时对应的转速，包括：计算涡轮端提供的扭矩；基于压气机扭矩和涡轮端提供的扭矩，计算增压器瞬时对应的转速。4.根据权利要求1所述的基于柴油机增压器瞬态模型的压气机喘振故障检测方法，其特征在于，所述构建等效管路模型，获取压气机的出口质量流量与压气机出口的温度，包括：将压气机的叶轮，蜗壳以及出口管道等效成管道；基于等效的管道，计算气机的出口质量流量与压气机出口的温度。5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾鸿，侯景山，谢斐，罗遥伟，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：