CN110382878B - 确定用于预测压缩机中不稳定性的指标的方法和装置及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定用于预测压缩机中不稳定性的指标的方法，该压缩机被实施为轴流式或径流式压缩机，该方法具有以下步骤；在运行状态中运行实施为轴流式或径流式压缩机的压缩机，这些运行状态通过该压缩机的通流质量流量的特征变量的不同值来区分，其中在此经历具有减少的通流质量流量的运行状态；确定这些运行状态的通流质量流量的特征值的数值；在经历这些运行状态时借助压力传感器(6)记录以时间分辨的压力测量值，该压力传感器在该压缩机的壳体中布置在转子级(2)的入口平面上游与之相邻；确定这些运行状态的偏度并且当对于在这些运行状态的通流质量流量的特征变量上该偏度的曲线走向确定了曲线斜率的符号改变时，确定用于该压缩机的不稳定性的指标。此外，提出该方法的用途以及一种确定用于预测压缩机中不稳定性的指标的装置。

Description

确定用于预测压缩机中不稳定性的指标的方法和装置及其 用途

本发明涉及一种确定用于预测压缩机中不稳定性的指标的方法和装置及其用途。

背景技术

热力涡轮机可以实施为轴流式或径流式压缩机。

例如，轴流式压缩机代表飞行器驱动装置中的关键部件。在这种或者其他的构造形式中难以预测压缩机的工作行为。因此，在试验台上测量新开发的压缩机的性能数据，并且随后记入特性曲线中。所谓的喘振极限是特性曲线的重要组成部分。在超过喘振极限时，在压缩机中产生不稳定性，这些不稳定性可能形成压缩机的极高的空气动力负荷并且可能引起严重的结构损坏。为了能够确保相应压缩机的可靠运行，对喘振极限的了解非常重要。然而在试验台上，只有已经超过喘振极限时，才能够辨识出喘振极限。由于此原因，在现有技术中确定喘振极限时要接受被测试压缩机的代价昂贵的完全失效。

文件EP 2 469 098 A1中公开了一种用于预测轴流式压缩机的不稳定性的方法和装置。

文件US 5,908,462 A中公开了一种用于展示喘振极限线的方法。

文件DE 101 52 026 A1公开了一种用于获得在涡轮压缩机中的喘振极限警告或在叶片损坏时的警告的方法。

文件US 2009/0312930 A1公开了一种用于具有转子的轴流式压缩机的失速预测

的装置，该转子由多个转子叶片和一个圆柱形壳体组成，该壳体遮盖该转子的外周。另外，该装置包括压力传感器、用于基于来自压力传感器的时间序列数据来评估失速风险的特征数值运算单元、以及借助特征数值来进行失速预测的信号处理器。

发明概述

本发明的目的在于，提出一种确定用于在设计为轴流式或径流式压缩机的压缩机中预测不稳定性的指标的方法和装置，该方法和装置可靠地允许针对可能出现的压缩机不稳定性进行早期警告。

为了实现该目的，根据独立权利要求1和12提出一种确定用于预测压缩机中不稳定性的指标的方法和装置，该压缩机被实施为轴流式或径流式压缩机。此外，根据权利要求11还提出该方法的用途。替代性的构形为从属权利要求的主题。

根据一个方面，提出一种确定用于预测压缩机中不稳定性的指标的方法，该压缩机被实施为轴流式或径流式压缩机。在该方法中，在运行状态中运行实施为轴流式或径流式压缩机的压缩机，这些运行状态通过该压缩机的通流质量流量(Durchflussmassenstrom)的特征变量的不同值来区分，其中由此经历(durchlaufen)具有减少的通流质量流量的运行状态。确定这些运行状态的通流质量流量的特征值的数值。在经历这些运行状态时，借助压力传感器来记录以时间分辨的

压力测量值，其中该压力传感器在该压缩机的壳体中布置在转子级的入口平面上游与之相邻。针对运行状态确定偏度(Schiefe)。当对于在这些运行状态的通流质量流量的特征变量上该偏度的曲线走向确定了曲线斜率的符号改变时，确定用于该压缩机的不稳定性的指标(不稳定性指标)。

根据另一方面是该方法的用途，其中在试验台上确定实施为轴流式或径流式压缩机的压缩机的运行极限或者在运行中监测具有实施为轴流式或径流式压缩机的压缩机的驱动装置，尤其在飞行器驱动装置的情况下或在涡轮增压器中使用。

根据另一方面，提出一种确定用于预测压缩机中不稳定性的指标的装置，该压缩机被实施为轴流式或径流式压缩机。该装置具有压缩机，该压缩机实施为轴流式或径流式压缩机。此外，提出一种测量装置，该测量装置被设置成在该压缩机运行时确定在运行状态中该压缩机的通流质量流量的特征值，其中这些运行状态通过该压缩机的通流质量流量的特征变量的不同值来区分，并且在此经历具有减少的通流质量流量的运行状态；并且在经历这些运行状态时借助压力传感器来记录以时间分辨的压力测量值，该压力传感器在该压缩机的壳体中布置在转子级的入口平面上游与之相邻。该装置具有分析装置，该分析装置被设置成：确定这些运行状态的偏度并且当对于在这些运行状态的通流质量流量的特征变量上该偏度的曲线走向确定了曲线斜率的符号改变时，确定用于该压缩机的不稳定性的指标。

对于热力涡轮工作机器(即轴流式或径流式压缩机)，借助所提出的技术能以可靠的方式来确定指标，该指标指示压缩机未来可能出现的不稳定性。在达到喘振极限之前，可以采取措施以避免在超过喘振极限时毁坏压缩机，无论是在试验台上用于确定压缩机的运行极限和/或是在使用和运行(例如在涡轮增压器或飞行器驱动装置中的)这种压缩机时的运行极限。

在经历不同的运行状态时，压缩机受到节流，即，彼此相继地设定通流质量流量逐步减少的运行状态。

在测量通流质量流量和压力测量值的特征值时，对该压缩机的这个或者这些转子(转子级)，压缩机的运行可以在同一个转速下实施。替代性地可以提出，在确定用于压缩机的不稳定性的指标时使用在不同转速下的测量值。

特征变量“偏度”为三阶统计矩，为了确定该三阶统计矩使用以时间分辨的压力测量值。用于确定偏度的方法是本身已知的。

记录以时间分辨的压力测量值可以用于测量定常压力。

在压缩机的壳体中，压力传感器可以布置在壳体的内壁上。在压缩机的壳体中，压力传感器可以表面齐平地布置压缩机的壳体的内壁上。在这个或者其他的实施方式中，还可以设置多个压力传感器，这些压力传感器在压缩机的壳体中布置在转子级的入口平面上游与之相邻，例如环绕地间隔开。可以提出，将该多个压力传感器记录的以时间分辨的压力测量值用于确定压缩机的不稳定性的指标。

在压缩机的壳体中，压力传感器可以布置在转子级的叶片的叶尖上方。

在记录经历这些运行状态时以时间分辨的压力测量值时，借助压力传感器可以以时间分辨的方式记录压力波动。在这个或其他的实施方式中，可以用介于大约20kHz与大约100kHz之间的频率来对以时间分辨的压力测量值进行采样，使得对于以时间分辨的方式来测量压力波动的情况，用大约10kHz至大约50kHz的频率来确定压力波动。

曲线斜率的符号改变可以指示经历局部最大值。当在这些运行状态的通流质量流量的特征变量上该偏度的曲线从通流质量流量的特征变量的较大值朝向较小值变动时，经历局部最大值意味着曲线斜率从负值转变为正值。

当对于在该通流质量流量的特征变量上该偏度的朝向较低通流质量流量的曲线走向确定了该曲线斜率的另外的符号改变时，确定用于压缩机的不稳定性的另外的指标。能够确定多种符号改变作为用于压缩机的可能或预期出现的不稳定性的、具有不同品量的、分离的指标，例如有关距喘振极限的不同距离，该距离能够借助喘振极限的通流质量流量的特征变量的值与符号改变时的值之差来确定。

曲线斜率的符号改变可以指示经历局部最小值。

可以将这些运行状态的流量系数和/或减少的通流质量流量确定为通流质量流量的特征变量。

从确定该指标和/或该另外的指标出发，可以生成警告信号作为压缩机不稳定性的早期预警并且经由输出装置将其输出。如果从曲线走向中确定该指标和/或该另外的指标，则相应相关的警告信号在视觉上和/或声学上向用户指示出在通流质量流量进一步减少时存在压缩机不稳定性的威胁。

压缩机可以在低于压缩机的喘振极限的运行状态中运行。所提出的是，在达到喘振极限(之后实际出现不稳定性)之前，中断对压缩机的节流和对由此促成的经历不同运行状态的节流。在试验台上测试压缩机时，可以避免对压缩机的损坏，因此可以实现多次测试。如果确定正在运行或者使用的压缩机的指标(例如作为飞行器驱动装置中的轴流式压缩机)，则避免了可能的损坏，由此可以延长其使用寿命。该指标和/或该另外的指标表示在实际出现压缩机的不稳定性之前可能出现的不稳定性。

关于用于确定压缩机不稳定性的指标的装置，在加以必要变更的情况下，对该方法实施方案的前述阐释也适用。

具体实施方式

下面参考附图来解释其他的实施例。附图中：

图1示出了用于测试轴流式压缩机的试验台的布置的示意图；

图2以截面图示出了轴流式压缩机的示意图；

图3以截面图示出了径流式压缩机的示意图；

图4示出了用于压缩机的运行状态的曲线走向的图形展示，其中在通流系数上描绘偏度；

图5示出了每分钟5500转的转速下的运行状态的图形展示，其中在通流系数上描绘偏度；并且

图6示出了每分钟9000转的转速下的运行状态的图形展示，其中在通流系数上描绘偏度。

图1示出了用于测量或确定轴流式压缩机的试验台的布置的示意图。在流动管道1中布置有具有叶片3的转子2以及用于使转子2旋转的驱动装置4。转子2的下游安装有定子叶片。图1还示出了正视图。

为了测量特征变量，设置有普朗特管(Prandtl-Rohr)5以及压力传感器6，该压力传感器布置在管壁7处，使得关于转子2的入口平面而言在上游邻近入口平面处在管壁7的内侧面上可以以时间分辨的方式记录压力测量值。使用普朗特管5以测量流动管道1中的动压。

压力传感器6用于测量非定常静压。该压力测量以时间分辨的方式进行，其中例如能够在大约10kHz到大约50kHz的频率范围内以高时间分辨率测量压力波动。

在图1的实施方案中，设置另一个压力传感器6a，通过该压力传感器可以记录与压力传感器6的测量值相当的以时间分辨的压力测量值，并且替代地可以省去该压力传感器。

此外，设置压力测量装置9用以测量在压缩机出口处的静压。因此，结合来自普朗特管5中的压力测量数据，可以确定由压缩机产生的压力状况。

图2示出了轴流式压缩机20的示意图，其中示例性地彼此前后地布置有多个级组(Stufenpakete)20.1、...、20.5，并且这些级组分别具有布置在压缩机壳体21中的叶片转子以及叶片定子。与图1的图示类似，压力传感器6邻近第一级组20.1的入口平面布置。替代性地，压力传感器6也可以邻近稍后的级组20.2、...、20.5的入口平面布置，用以记录以时间分辨的压力测量的测量值。

图3示出了具有转子31和定子32的径流式压缩机30的示意图，其中该压力传感器布置在类似的位置上。

借助于图1中所示的布置，可以针对该压缩机设定不同的运行状态，例如在转子2保持恒定的转速下。在经历这些运行状态时将压缩机节流的情况下，这些状态由不断减少的通流质量流量来表征。在经历这些运行状态时，借助压力传感器6来测量相应运行状态的通流质量流量以及以时间分辨的方式记录的相关的压力测量值。从非定常静压的测量值中可以确定作为积分参数的偏度(三阶统计矩)，如这些参数本身已知的。

所记录的测量值可以借助未示出的分析装置、例如借助具有处理器和存储器的计算器来分析。该分析装置可以与测量装置的不同元件相连，以便交换电子数据和信号。用于输出光学和/或声学信号、尤其用于输出一个或者多个警告信号的输出装置可以连接到分析装置。

图4示出了曲线40的示意图，当在通流质量流量的特征变量上绘制偏度时，在经历具有减少的通流质量流量的不同运行状态时得出该曲线，其中在图4中，具体给出了流量系数

如果考虑曲线40从较大的流量系数向较小的流量系数的走向，则结果是，在达到喘振极限42之前经历局部最大值43之前，首先经历一个局部最小值41。在经历局部极值41、43时，发生曲线40的斜率的符号改变，该符号改变可以分别被确定为进入喘振极限42的指标。在此，局部最大值43以及局部最小值41分别形成不同品质的指标，因为它们在流量系数

方面是与喘振极限42“距离不同”。

图5和图6示出了在每分钟5500以及9000转的转速下实验值的图形展图，其中在流量系数φ上描绘偏度。图中示出特征曲线走向，如对图4所阐释的。

下面解释用于确定这个或这些不稳定性指标的其他方面。

如果该轴流式压缩机位于试验台上(参照图1)，则可以有针对性地到达所有可能的运行点。在此，流经压缩机的质量流量以及压缩机形成的压力经由节流机构被分开地控制。下面说明可以如何确定压缩机的运行极限。

借助驱动装置4以一定转速运行压缩机。当转速保持恒定时，压缩机的出口开口依次减小，由此质量流量减小并且形成的压力增大。压缩机的所谓的节流只能在达到运行极限之前进行。也就是说，在任何转速下都存在最大可能的压力形成，此后在压缩机内部出现稳定的空气动力学的崩溃，压缩机进入所谓的“喘振”。

为了建立根据图3的曲线走向，在逐步节流的过程中记录或者计算以下参数。在x轴上绘制的通流特征变量表示用于比较不同压缩机质量流量的相似性参数并且在测试期间被测定。替代于通流特征变量，还可以在任何运行点上确定“减少的质量流量”。这两个相似性参数之间的选择对分析没有影响。对于要在y轴上绘制的参数，可以在任何运行点上在叶尖处测量高时间分辨率的压力波动。具有任意长度的压力信号可以缩减到一个积分参数，即三阶统计矩(偏度)。下面将由通流系数(减少的质量流量)和偏度组成的数值对转移到图3中的图表中。对于所有后续运行点重复该过程。

为了在早期辨别压缩机喘振，所提出的方法可以在不同的构形中分别使用两个彼此相继的运行点的值对，以便确定局部曲线斜率。借助于简单的差商，可以在各个运行点之间依次确定图形走向的斜率(曲线的斜率)。一旦在节流过程中第一次发生差商的符号改变(参照图3中的局部最小值41)，该事件就被解释为压缩机喘振的预备阶段。如果后续发生另一次符号改变(参照图3中的局部最大值43)，则最后设定的运行点就表征了在达到喘振极限42之前最后的稳定运行点。在这一点上，该方法提供了输出对应的建议，即中断节流过程，用以防止超过喘振极限。

在以上说明、权利要求书和附图中公开的特征单独地以及以任何组合的形式对于实现不同的实施方式都是重要的。

Claims (12)

1.一种确定用于预测压缩机中不稳定性的指标的方法，该压缩机被实施为轴流式或径流式压缩机，该方法具有以下步骤；

-在运行状态中运行实施为轴流式或径流式压缩机的压缩机，这些运行状态通过该压缩机的通流质量流量的特征变量的不同值来区分，其中在此，经历具有减少的通流质量流量的运行状态；

-确定这些运行状态的通流质量流量的特征值的数值；

-在经历这些运行状态时借助压力传感器(6)记录以时间分辨的压力测量值，该压力传感器在该压缩机的壳体中布置在转子级(2)的入口平面上游与所述转子级的入口平面相邻；

-确定这些运行状态的偏度并且

-当对于在这些运行状态的通流质量流量的特征变量上该偏度的曲线走向确定了曲线斜率的符号改变时，确定用于该压缩机的不稳定性的指标。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该压力传感器(6)在该压缩机的壳体中布置在该壳体的内壁上。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该压力传感器(6)在该压缩机的壳体中布置在该转子级(2)的叶片(3)的叶尖上方。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在经历这些运行状态时借助该压力传感器(6)记录以时间分辨的压力测量值时，以时间分辨的方式记录压力波动。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该曲线斜率的符号改变指示经历局部最大值(43)。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当对于在该通流质量流量的特征变量上该偏度的朝向较低通流质量流量的曲线走向确定了该曲线斜率的另外的符号改变时，确定用于该压缩机的不稳定性的另外的指标。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该曲线斜率的另外的符号改变指示经历局部最小值(41)。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将这些运行状态的通流系数和/或该减少的通流质量流量确定为该通流质量流量的特征变量。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，从确定该指标和/或该另外的指标出发，生成警告信号作为压缩机不稳定性的早期预警并且经由输出装置输出该警告信号。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该压缩机在低于该压缩机的喘振极限的运行状态中运行。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述方法能够：

-在试验台上确定实施为轴流式或径流式压缩机的压缩机的运行极限或者

-在运行中监测具有实施为轴流式或径流式压缩机的压缩机的驱动装置。

12.一种确定用于预测压缩机中不稳定性的指标的装置，该压缩机被实施为轴流式或径流式压缩机，该装置具有：

-压缩机，该压缩机实施为轴流式或径流式压缩机；

-测量装置，该测量装置被设置成，

-在该压缩机运行时确定在运行状态中该压缩机的通流质量流量的特征值，其中这些运行状态通过该压缩机的通流质量流量的特征变量的不同值来区分，并且在此经历具有减少的通流质量流量的运行状态；并且

-在经历这些运行状态时借助压力传感器(6)来记录以时间分辨的压力测量值，该压力传感器在该压缩机的壳体中布置在转子级的入口平面上游与所述转子级的入口平面相邻；以及

-分析装置，该分析装置被设置成，

-确定这些运行状态的偏度并且

-当对于在这些运行状态的通流质量流量的特征变量上该偏度的曲线走向确定了曲线斜率的符号改变时，确定用于该压缩机的不稳定性的指标。

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