随着先进燃气轮机不断向高负荷、低排放的趋势发展，燃烧室内发生振荡燃烧的概率持续增大，亟需发展新的检测技术，对振荡燃烧故障进行精确、快速检测。本发明专利技术提出了基于火焰化学发光图像采集、本征正交分解特征提取、连续小波变换时频分析的振荡燃烧快速检测技术，该技术具有同时解析频谱和频谱随时间演变的能力。同时代替了传统压力传感器监测压力数据的方法，可避免由于传感器安装位置带来的监测滞后等问题。通过实验验证，发现所提方法在振荡燃烧发生0.25s后即可检测出此故障，相比动态压力检测方法，可以提升70％以上的检测速度。利用该检测技术，可以对燃烧室中发生的振荡燃烧故障进行快速检测，实现无损原位监测。该技术有望普及于多型号的燃烧室振荡燃烧故障检测。有望普及于多型号的燃烧室振荡燃烧故障检测。有望普及于多型号的燃烧室振荡燃烧故障检测。
【技术实现步骤摘要】
一种振荡燃烧故障快速检测技术
[0001]本专利技术涉及一种振荡燃烧故障快速检测技术，可用于燃气轮机燃烧室振荡燃烧的故障检测。
技术介绍
[0002]贫燃预混旋流燃烧是目前燃气轮机中普遍采用的燃烧组织方式，相比于扩散燃烧造成的高温，贫燃预混燃烧可以将燃烧温度控制在1650℃以下，从而降低了NOx的排放。但由于接近熄火极限，贫燃预混燃烧容易导致热释放率发生波动，释热率的波动会进一步使燃烧室内部产生压力脉动，进而对燃烧室内的流场造成扰动，最终进一步激励热释放率的波动。这个耦合过程是发动机振荡燃烧故障发生的主要因素。振荡燃烧故障一旦诱发，将会严重影响整个机组的安全运行，甚至造成灾难性的事故。因此，需要发展快速准确的振荡燃烧故障检测方法，以及时在故障早期进行停机或主动控制等操作，保障人员财产安全。
[0003]燃烧不稳定故障的快速检测对于降低其带来的安全隐患与经济损失而言是至关重要的，国外很多研究机构及学者对于燃烧不稳定的动态监测做了很多努力，目前工程常用的方法是动态压力检测。但由于缺乏合适的高温压力仪表，传感器总是安装在远离火焰的地方，这必然会在燃烧室的实际压力和传感器测量的压力之间存在误差，使数据监测存在滞后现象。
[0004]为了解决压力传感器数据测量所带来的滞后问题，很多学者在实验室发展了一些新的可用来检测振荡燃烧的信号，如温度信号、离子信号、火焰发光信号等。温度信号为非接触式无损测量，不会对火焰形态结构及流场产生干扰，但需要在燃烧室壁面上开设光学窗口或采样通道，在实际应用中需注意对燃烧室结构强度的影响；离子信号的测量属于侵入式测量，可能会对火焰结构产生影响；化学发光信号是碳氢燃料在燃烧过程中伴随的一种光辐射现象，由于系统简单、信息量大、动态性好等的特点，有望实现振荡燃烧故障快速准确的检测。
技术实现思路
[0005]为解决现有检测信号所具有的缺点，本专利技术提供了一种检测速度快，结果准确的振荡燃烧故障快速检测技术。
[0006]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为一种基于本征正交分解(POD)及连续小波变换(CWT)方法、对火焰图像进行信号特征提取的振荡燃烧故障快速检测技术，利用该检测技术，可以对燃烧室中发生的振荡燃烧故障进行快速检测。
[0007]一种振荡燃烧故障快速检测技术，包括以下步骤：
[0008]步骤1：火焰化学发光信号及压力脉动数据获取
[0009]本技术主要通过高速相机(iX
‑
SPEED 713)及特殊波段光学滤镜((430
±
5)nm)来获取燃烧过程中CH*基的化学荧光信号，通过高频动态压力传感器(型号：CYG1406F，测量范围：0
‑
10kPa)测量燃烧腔内的压力脉动。
[0010]步骤2：火焰化学发光信号及压力脉动数据频谱特征提取
[0011]CH*基的化学荧光信号可表征燃烧过程中的热释放率，绘制步骤1获得的火焰化学发光信号及压力脉动数据的耦合图，并对其进行快速傅里叶变换(FFT)，判断不稳定现象发生与否。结果表明振荡现象发生在当量比为0.63工况下，振荡主频约为180Hz。
[0012]步骤3：连续小波变换提取时频域信息
[0013]将步骤1获得的CH*基的化学荧光信号及压力脉动数据作为CWT的输入数据，检测振荡燃烧故障发生的具体时刻。压力数据CWT的处理结果为振荡燃烧故障发生在0.7s，CH*基化学荧光信号强度CWT处理结果为振荡燃烧故障发生在0.3s。可见，基于火焰图像的燃烧不稳定故障检测速率要优于压力脉动数据。但二者的检测效果均不够快速、准确。
[0014]步骤4：火焰图像POD处理提取一阶模态时间系数
[0015]POD可通过模态分解实现火焰图像数据降维，提取到的模态时间系数代表了每一级模式的空间分布在时域的投射。如图5(a)所示，一阶模态时间系数能量占比最高，能很好地反映火焰图像的整体脉动特点。
[0016]步骤5：一阶模态时间系数CWT处理
[0017]将步骤4提取到的POD一阶模态时间系数作为CWT的输入数据，检测振荡燃烧故障出现的时刻，如图5(b)所示。结果表明，振荡燃烧故障发生在0.03s。
[0018]综上，本专利技术的技术优势与特点有三：
[0019]一、基于火焰图像的振荡燃烧故障检测技术可实现对燃烧场的无损、快速检测，检测过程中不会对火焰流场造成任何干扰，实现故障的原位检测。
[0020]二、POD可以对火焰图像进行数据降维及模态提取，反映火焰图像的整体脉动特点，识别不稳定源，能够弥补压力监测等手段带来的滞后问题。
[0021]三、POD一阶模态时间系数作为CWT的输入数据，能够实现振荡燃烧故障的时频分析，快速、准确定位到故障发生的具体时刻。
附图说明
[0022]图1(a、b)为本专利技术所采用的燃烧器结构及实验装置图；
[0023]图2为CH*化学发光信号与压力脉动数据的耦合图；
[0024]图3为CH*化学发光信号与压力脉动数据的FFT结果图；
[0025]图4为CH*化学发光信号与压力脉动数据的CWT结果图；
[0026]图5(a、b)为火焰图像POD前10阶模态相对能量占比图及一阶模态时间系数的CWT结果图；
[0027]图6(a、b)为过渡状态POD一阶模态时间系数及压力脉动随时间变化趋势及CWT结果图
具体实施方式
[0028]以下结合附图及具体实施例对本专利技术的技术方案进行进一步详细说明，需要注意的是，此处所描述的具体实例仅用于举例说明，本专利技术的保护范围并不限于此。
[0029]1.实施例
[0030]如图1(a)、(b)所示，一种振荡燃烧故障快速检测技术的实施包括以下几个步骤：
[0031](1)搭建试验台，采集待分析的火焰图像数据；
[0032](2)对火焰图像数据进行本征正交分解(POD)处理，提取一阶模态时间系数；
[0033](3)将提取到的POD一阶模态时间系数进行连续小波变换(CWT)，提取主频及振荡故障发生的具体时刻。
[0034]2.测试例：对CH*图像采集、本征正交分解、连续小波变换处理过渡状态的能力进行验证
[0035]过渡状态是指从稳定燃烧到振荡燃烧的过渡过程，在该工况里，前0.75s是当量比为0.8时的数据，此时火焰处于稳定燃烧状态；0.75s以后是当量比为0.63时的数据，即，0.75s时，发生了稳定向不稳定状态的转变。图6(a)展示了该过程火焰CH*强度的变化趋势，可见，从CH*信号的变化趋势，无法判断是否出现了振荡燃烧。进而，对CH*图像进行本征正交分解、1阶时间系数连续小波变换，发现在1s时检测出燃烧振荡主频(180Hz)，从振荡燃烧发生(0.75s)到检测出振荡主频(1s)所用的时间为0.25s。作为对比，图6(b)展示了同一过程使用压力脉动数据进行连续小波变换的结果，发现在1.7s附近检测出振荡燃烧主频，从不稳定发生到检测本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种振荡燃烧故障快速检测技术其特征在于：通过本征正交分解(POD)对火焰图像提取一阶模态时间系数，并将其作为连续小波变换(CWT)的输入数据，来实现振荡燃烧故障的快速检测。具体包括如下步骤：步骤1：火焰化学发光信号及压力脉动数据获取本技术主要通过高速相机及特殊波段光学滤镜来获取燃烧过程中CH*基的化学荧光信号，通过高频动态压力传感器测量燃烧腔内的压力脉动。步骤2：火焰化学发光信号及压力脉动数据频谱特征提取CH*基的化学荧光信号可表征燃烧过程中的热释放率，绘制步骤1获得的火焰化学发光信号及压力脉动数据的耦合图，并对其进行快速傅里叶变换(FFT)，判断不稳定现象发生与否。结果表明振荡现象发生在当量比为0.63工况下，振荡主频约为180Hz。步骤3：连续小波变换提取时频域信息将步骤1获得的CH*基的化学荧光信号及压力脉动数据作为CWT的输入数据，检测振荡燃烧故障发生的具体时刻。压力数据CWT的处理结果为振荡燃烧故障发生在0.7s，CH*基化学荧光信号强度CWT处理结果为振荡燃烧故障发生在0.3s。可见，基于火焰图像的燃烧不稳定故障检测速率要优于压力脉动数据。但二者的检测效果均不够快速、准确。步骤4：火焰图像POD处理提取一阶模态时间系数POD可通过模态分解实现火焰图像数据降维，提取到的模态时间系数代表了每一级模式的空间分布在时域的投射。一阶模态时间系数能量占比最高，能很好地反映火焰图像的整体脉动特点。步骤5：一阶模态时间系数CWT处理将步骤4提取到的POD一阶模...
【专利技术属性】
技术研发人员：雷庆春，于倩倩，范玮，王玮，吴文赛，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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