本發明涉及柴油機渦輪增壓技術，具體涉及基于特征頻率的渦輪增壓器喘振預測裝置及預測方法。

背景技術：

渦輪增壓器的喘振是壓氣機的氣流量和轉速嚴重偏離設計指標而引發的一種嚴重故障。增壓器的壓力過低，柴油機突然進入低工況狀態，排氣煙度過高或者相機增壓切換的過程都有可能引起喘振的發生。喘振的發生將會造成壓氣機氣流紊亂，整個壓氣機的軸向低頻振動加劇。這不僅影響了壓氣機的正常工作，嚴重時甚至會造成柴油機的停機甚至損壞。因此如何有效的預測喘振現象的發生，是保證渦輪增壓器安全穩定運行所面臨的重大問題。

在現有的增壓器喘振預測方法中，美國通用公司在中國申請的發明專利“自動檢測和避免發動機上渦輪增壓器喘振的裝置和方法”(授權專利號：cn103558003a)通過測量增壓器轉速來判斷是否發生喘振，并且該方法只是在喘振發生時對喘振現象進行了判斷，不能在喘振未發生前對喘振現象進行預測。王銀燕等的發明專利“相繼增壓系統喘振預測控制裝置及控制方法”(授權專利號為：cn104314668a)通過壓氣機的轉速和氣流量來預測喘振的發生，然而轉速傳感器和流量計的布置需要布置在壓氣機內部或在壓氣機外壁上開孔，這樣不可避免得對壓氣機原有流場狀態造成了影響。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種不改變壓氣機原有流場狀態的渦輪增壓器喘振預測裝置及預測方法，用于在喘振發生前對喘振進行預測。

本發明的目的是這樣實現的：

基于特征頻率的渦輪增壓器喘振預測裝置，包括：加速度傳感器，傳聲器，信號采集卡，單片機，喘振報警信號燈。加速度傳感器、傳聲器連接于信號采集卡，信號采集卡與單片機相連，單片機與喘振報警信號燈相連。

基于特征頻率的渦輪增壓器喘振預測方法，包括如下步驟：

步驟一.加速度傳感器布置于渦輪增壓器的軸承處，傳聲器布置于渦輪增壓器中壓氣機一端；通過控制渦輪增壓器的進氣量，測定并采集喘振發展過程中渦輪增壓器軸承處的振動加速度和壓氣機一端輻射噪聲，傳輸至信號采集卡，并進行信號預處理和a/d轉換；

步驟二.利用單片機對軸承處的振動加速度進行處理，得到喘振發展過程中軸頻與葉頻的波動，設定軸頻與葉頻波動的上限。

步驟三.觀察輻射噪聲并提取渦輪增壓器的特征頻帶。

步驟四.統計輻射噪聲在特征頻帶內的能量與測試總頻帶內的能量，得到特征頻帶的噪聲能量比。

所述能量比r的計算公式為：

式中，ec是特征頻段內噪聲的能量；et測試總頻段內噪聲的能量。

步驟五.設定噪聲能量比的閾值。

步驟六.設置渦輪增壓器為工作狀態，獲取渦輪增壓器的軸承處振動軸頻和葉頻的波動，以及壓氣機一端的輻射噪聲能量比，進行喘振判斷；

若渦輪增壓器軸承處的軸頻與葉頻波動達到上限，且壓氣機一端的輻射噪聲能量比達到所設噪聲能量比的閾值，則預測喘振將要發生，喘振報警信號燈亮起。

本發明具有如下有益效果：

1、本發明根據渦輪增壓器喘振發生時進出口出現強烈的氣流脈動特征變化，這種氣流脈動在特定的腔室空間會產生特定頻率的噪聲向外輻射，并引起轉子特定頻率下的振動。本發明方法可以實時測定監測增壓器工作過程中的振動和噪聲，準確地提取到轉子的低頻特性，基于監測的頻譜特征，能夠在喘振發生前對喘振的發生進行有效的預警。

2、本發明所用傳感器均布置于壓氣機外部，不會對原有流場狀態進行影響。同時無需在壓氣機上開孔，安裝方便。

3、本發明能夠在在線監測整個喘振發展的過程，在喘振發生前對其進行預測。相較于傳統轉速監測能夠更早地預測出喘振故障。

4、本發明僅在同時滿足雙重條件(即渦輪增壓器軸承處的軸頻與葉頻波動達到上限，且壓氣機一端的輻射噪聲能量比達到所設噪聲能量比的閾值)時，進行喘振預警，可靠性高。

附圖說明

圖1是本發明的喘振預測裝置結構示意圖

圖2是本發明的喘振預測方法流程圖

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進行更加細致的闡述：

結合圖1，本發明的喘振預測裝置主要由振動加速度傳感器1，傳聲器2，信號采集卡3，單片機4，喘振警報燈5組成。加速度傳感器1、傳聲器2連接于信號采集卡3，信號采集卡3與單片機4相連，單片機4與喘振報警信號燈5相連。

加速度傳感器1通過膠粘的方式固定于渦輪增壓器的軸承座上采集軸承處的加速度信號。傳聲器2安裝于渦輪增壓器靠近的壓氣機一側，采集壓氣機一側的輻射噪聲。

采集到的信號經信號線傳遞至信號采集卡3進行信號的預處理和a/d轉換，得到的數字信號經單片機4計算處理得到喘振發展過程中軸頻與葉頻的波動、統計輻射噪聲在特征頻帶內的能量與測試總頻帶內的能量。

本發明的基于特征頻率的渦輪增壓器喘振預測方法為：預先通過控制進氣量對待檢測增壓器的喘振發展過程中軸承處振動加速度和壓氣機一端輻射噪聲進行測試。對軸承處測得的加速度信號進行處理，得到喘振發展過程中軸頻與葉頻的波動，設定波動的上限。觀察輻射噪聲并提取渦輪增壓器的特征頻帶。統計輻射噪聲在特征頻帶內的能量與測試總頻帶內的能量作比。設定噪聲能量比的閾值。再對工作狀態下的渦輪增壓器，測定其軸承處的振動加速度和壓氣機一端輻射噪聲，再計算渦輪增壓器軸承處的軸頻與葉頻波動，且壓氣機一端的輻射噪聲能量比。若渦輪增壓器軸承處的軸頻與葉頻波動達到上限，且壓氣機一端的輻射噪聲能量比達到所設噪聲能量比的閾值，則預測喘振將要發生，喘振報警信號燈亮起。

本發明方法包括如下步驟：

步驟一.加速度傳感器1布置于渦輪增壓器的軸承處，傳聲器2布置于渦輪增壓器中壓氣機一端；通過控制渦輪增壓器的進氣量，測定并采集喘振發展過程中渦輪增壓器軸承處的振動加速度和壓氣機一端輻射噪聲，傳輸至信號采集卡3，并進行信號預處理和a/d轉換；

步驟二.利用單片機對軸承處的振動加速度進行處理，得到喘振發展過程中軸頻與葉頻的波動，設定軸頻與葉頻波動的上限。

設定軸頻波動上限的方法為軸頻極大值的50％；

設定葉頻波動上限的方法為葉頻極大值的50％；

步驟三.觀察輻射噪聲并提取渦輪增壓器的特征頻帶。

步驟四.統計輻射噪聲在特征頻帶內的能量與測試總頻帶內的能量，得到特征頻帶的噪聲能量比。

所述能量比r的計算公式為：

式中，ec是特征頻段內噪聲的能量；et測試總頻段內噪聲的能量。

步驟五.設定噪聲能量比的閾值。

設定噪聲能量比的閾值為噪聲能量比極大值的50％；

步驟六.設置渦輪增壓器為工作狀態，獲取渦輪增壓器的軸承處振動軸頻和葉頻的波動，以及壓氣機一端的輻射噪聲能量比，進行喘振判斷；

若渦輪增壓器軸承處的軸頻與葉頻波動達到上限，且壓氣機一端的輻射噪聲能量比達到所設噪聲能量比的閾值，則預測喘振將要發生，喘振報警信號燈亮起。

將計算得到的特征頻帶能量比與預設閾值進行比較，同時觀察軸頻與葉頻波動是否達到閾值，判斷喘振是否發生。為避免干擾，只有在噪聲能量比幅值達到閾值的同時，且軸頻與葉頻波動也達到上限，單片機4發出指令，使喘振警報燈5亮起，預報喘振。