专利名称：用于探测离心压缩机内的旋转失速的系统和方法
技术领域：
本发明通常涉及离心压缩机内的旋转失速的探测。更具体地说，本发明涉及通过检测从压缩机输出的声能变化来探测离心压缩机的扩散器部分内的旋转失速的系统和方法。
背景技术：
离心压缩机内的旋转失速可发生在压缩机的旋转叶轮或转子内或者发生在叶轮下游的压缩机的静止扩散器内。无论旋转失速是否发生在叶轮区域(叶轮旋转失速)或者发生在扩散器区域(扩散器旋转失速)中，与旋转失速相关的能量频率通常在一般范围数值内。在这两种情况下，旋转失速的出现都可不利地影响压缩机和/或系统的性能。但是，叶轮旋转失速通常具有更大的影响，这是因为其能够影响到叶轮的可靠性，特别是在诸如航空发动机的轴流式压缩机中，而扩散器旋转失速通常影响到系统总体的声音和振动水平。
用于探测和修正叶轮旋转失速的一些技术使用多个传感器，所述多个传感器靠近旋转叶轮周向设置。传感器被用于探测个别位置处的扰动。所述扰动然后与在其它位置处的数值比较或者与对应于最佳操作条件的数值相比较。经常，需进行非常复杂的计算来确定叶轮旋转失速开始的前兆。一旦探测到叶轮旋转失速，就采取一些修正措施，这些修正措施包括将废气排放到压缩机的吸入口或者利用挡板来修正吸入口流动角度或者改变叶片的位置。
在美国专利US6,010,303(“303”专利)中公开了用于探测轴流式压缩机内的叶轮旋转失速的技术的一个示例。所述“303”专利涉及在涡轮风扇发动机中空气动力学和航空力学的不稳定性的预测。不稳定性的前兆信号实时产生，从而预测在涡轮风扇发动机的脉动式压缩系统中的发动机喘振、失速或者叶片颤震，其中所述涡轮风扇发动机使用多级轴流式压缩机。探测与用于涡轮风扇发动机的压缩系统的空气动力学和航空力学共振相关的能量波，并产生了表示共振频率的信号。静压传感器或者应变仪被安装在风扇叶片附近或者安装在该风扇叶片上，从而探测系统的能量。实时信号在与所感兴趣的不稳定性相关的频率的预定范围内被带通滤波，如250-310Hz范围内。然后将带通信号的大小乘方。乘方后的信号然后被低通滤波，从而形成能量不稳定性前兆信号。低通滤波器提供了各个频率的平方和的平均值。前兆信号然后被用于预测并防止在涡轮风扇发动机内发生的空气动力学和航空力学的不稳定性。这个技术的一个缺点是，其仅仅能够探测轴流式压缩机内的叶轮旋转失速，而没有讨论扩散器旋转失速。
带有无叶片的径向扩散器的混合流式离心压缩机可在其操作范围内的一部分发生扩散器旋转失速，或者在一些情况下在其所有操作范围内发生扩散器旋转失速。通常，发生扩散器旋转失速是因为扩散器的设计无法在没有使某些流动在扩散器通道内分离的情况下容纳所有流动。扩散器旋转失速导致以基本频率在气流通道内产生低频率声能或脉动，所述基本频率通常低于压缩机叶轮的旋转频率。这种低频率声能及其相关的谐波通过压缩机气体通道传播到下游，进入管道、热交换器和其它容器内。低频率声能或声扰可具有很高的量级并且是不需要的，这是因为声扰动的出现可造成压缩机、其控制或其它相关部件/系统的过早失效。
因此，所需要的是一种用于探测并修正离心压缩机的扩散器内的旋转失速的系统和方法，该方法通过检测扩散器周围的气流的声能变化，然后采取措施修正压缩过程，从而避免或补救在扩散器内产生大量的旋转失速噪音的那些条件。
发明内容
本发明可以使用模拟电路或者数字电路(或者二者的组合)来探测扩散器内的旋转失速的出现。所述电路利用具有10Hz中断频率的高通滤波器处理来自压力传感器的信号，所述压力传感器置于扩散器内或者扩散器的下游，从而能够分析来自压力传感器的AC(或动力)波动。接下来，低通滤波器被用于将频率衰减至300Hz中断频率之上。低通滤波器和高通滤波器的操作可认为是与带宽为10到300Hz的低通滤波器的操作相同。10-300Hz范围是重要的，这是因为这个范围的AC成份的振幅随着离心压缩机的操作移动进入旋转失速而增大。
用有源全波整流器处理低通滤波器或带通滤波器的输出，从而获得信号，所述信号仅仅是正的并包括叠加在DC成份上的AC成份的组合。组合信号产生了DC(或平均)值，其中所述DC值需用于后续加工，其大小随着失速频率能量的振幅的增大而增大。低通滤波器紧跟全波整流器。低通滤波器具有大约0.16Hz的非常低的截止频率，从而仅仅通过波形的DC部分，这是因为这个波形的DC部分提供了对压力传感器的失速波动振幅的表示。信号的DC成份然后与临界值比较，从而确定旋转失速的出现。用于确定旋转失速的临界值取决于施加到来自压力传感器的信号上的增益量以及旋转失速量，所述旋转失速量在需要修正之前可以被容忍在扩散器中。
可替换地，本发明可以使用编程的DSP，从而对用于探测旋转失速的压力传感器的数字输出实时执行快速傅立叶变换(FFT)。FFT的使用容许在频域内而不是在如上所述的时域内直接探测失速。FFT被应用于来自压力传感器的信号，从而获得一系列频率和能量级。可以放弃来自FFT的一些频率，这些频率在感兴趣的频率(10-300Hz)范围之外。接下来，可将10-300Hz之间的能量级求和，从而产生求和的能量级值。为获得更准确的值，可以放弃与叶轮的旋转速度相关的能量级。然后将求和的能量级值与临界值比较，从而确定旋转失速的出现。而且，与其将频谱成份求和，还不如通过检查频谱的峰值是否超过预定的临界值来探测失速。
本发明的一个实施例涉及用于修正离心压缩机的径向扩散器中的旋转失速的方法。该方法包括测量表示与离心压缩机的径向扩散器中的旋转失速相关的声能的数值。该方法还包括用带通滤波器过滤测量值，从而获得过滤值；用全波整流器整流所述过滤值，从而获得整流值；以及用低通滤波器过滤整流值，从而获得失速能量成份。最后，该方法还包括将失速能量成份与临界值比较，从而确定径向扩散器内的旋转失速，其中在失速能量成份大于预定值时，旋转失速出现在径向扩散器中，并将控制信号发送到离心压缩机，从而响应于旋转失速的确定来调节离心压缩机的操作结构。
本发明的另一个实施例涉及用于探测离心压缩机内的旋转失速的方法。该方法包括测量表示与离心压缩机内的旋转失速相关的声能的数值，并基于测量值执行快速傅立叶变换，从而获得多个频率和相应的能量数值。该方法也包括从多个频率和能量数值选择与旋转失速相关的频率和相应的能量值的步骤，并将与旋转失速相关的所选择的频率的相应的能量数值求和。最后，该方法包括通过比较求和的能量数值和预定的临界值来探测离心压缩机内的旋转失速的步骤，其中在求和的能量值大于预定的临界值时，在离心压缩机内出现旋转失速。
本发明的又一个实施例涉及用于修正离心压缩机的径向扩散器内的旋转失速的系统。该系统包括传感器，其配置成用于测量表示与离心压缩机的径向扩散器内的旋转失速相关的声能的参数，并产生与测量参数相应的传感器信号。该系统也包括中断频率为10Hz的高通滤波器、中断频率为300Hz的第一低通滤波器和全波整流器。高通滤波器用于接收传感器信号并输出高通滤波信号。第一低通滤波器用于接收来自高通滤波器的高通滤波信号并输出低通滤波信号。全波整流器用于接收低通滤波信号并输出整流信号。该系统也包括控制电路系统和第二低通滤波器，以用于接收整流信号并输出失速能量成份信号。控制电路系统被配置成利用失速能量信号来确定径向扩散器内的旋转失速并输出控制信号，从而响应于旋转失速的确定来调节离心压缩机的操作结构。
本发明的又一个实施例涉及用于修正离心压缩机的径向扩散器内的旋转失速的系统。该系统包括传感器，所述传感器配置成测量表示与离心压缩机的径向扩散器内的旋转失速相关的声能的参数，并能够产生与测量的参数相应的传感器信号。模拟到数字转换器将传感器信号转换成数字信号。该系统还包括数字信号处理器，其接收从数字到模拟转换器的数字信号。所述数字信号处理器包括中断频率为10Hz的高通滤波器、中断频率为300Hz的第一低通滤波器、全波整流器以及第二低通滤波器。高通滤波器被配置成接收数字信号并输出高通滤波信号。第一低通滤波器被配置成从高通滤波器接收高通滤波信号并输出低通滤波信号。全波整流器被配置成接收低通滤波信号并输出整流信号。第二低通滤波器用于接收整流信号并输出仅含有整流信号的平均值的失速能量成份信号。数字到模拟转换器用于将失速能量成份信号转换成模拟信号。最后，该系统具有控制电路系统，该控制电路系统通过利用模拟信号来确定径向扩散器内的旋转失速并输出控制信号，从而响应于旋转失速的确定来调节离心压缩机的操作结构。
本发明的一个优点是使用电子和硬件的简单封装，从而探测压缩机的扩散器部分内的旋转失速。
本发明的另一个优点是旋转失速的确定可被用于决定采取可能的技术来降低或消除扩散器内产生的旋转失速噪音。
通过参考附图对优选实施例的更加详细的叙述，本发明的其它特征和优点将变得更加明显，其中所述附图以示例方式说明了本发明的原理。
图1示意性地示出本发明的制冷系统；图2示出本发明的离心压缩机和扩散器的局部剖视图；图3示出在本发明的一个实施例中用于探测和修正旋转失速情况的流程图；图4示意性地示出用于本发明的模拟电路的一个实施例；图5示意性地示出用于本发明的数字电路的一个实施例；图6示出在本发明的另一个实施例中用于探测和修正旋转失速情况的流程图。
无论在什么可能的情况下，在整个附图中相同的附图标记指示相同或类似的部件。
具体实施例方式
在图1中以示例方式说明了应用本发明的一般系统。如图所示，HVAC、冷冻或者液体冷却器系统100包括压缩机108、冷凝器112、水冷却器或者蒸发器126和控制面板140。控制面板140从系统100接收指示该系统100性能的输入信号，并将所述信号传递到系统100的各元件，从而控制系统100的操作。传统的液体冷却器系统100包括图1中未示出的许多其它特征。为易于说明这些特征已被有意删去以简化附图。
压缩机108压缩制冷剂蒸汽，并通过排出管线将蒸汽输送到冷凝器112。压缩机108优选是离心压缩机，然而，本发明也可以使用任何类型的压缩机，该压缩机可以发生旋转失速情况或者在能够发生旋转失速的流动下操作。输送到冷凝器112的制冷剂蒸汽与诸如空气或水的流体进行热交换并经历了到制冷剂液体的相变，这是与流体热交换的结果。来自冷凝器112的冷凝的液体制冷剂流入蒸发器126。在优选实施例中，冷凝器112中的制冷剂蒸汽，流过连接到冷却塔122的热交换器盘管116，与水进行热交换。冷凝器112中的制冷剂蒸汽经历了到制冷剂液体的相变，这是与热交换器盘管116中的水热交换的结果。
蒸发器126优选包括热交换器盘管128，其具有连接到冷却负荷130的供应管线128S和回流管线128R。热交换器盘管128可包括蒸发器126内的多个管束。次级流体经由回流管线128R流入蒸发器126并经由供应管线128S流出蒸发器126，其中所述次级流体优选是水，但是也可以是适当的任何其它次级流体，如乙烯、氯化钙卤水或者氯化钠卤水。蒸发器126内的液体制冷剂与热交换器盘管128内的次级流体进行热交换，以降低热交换器盘管128内的次级流体的温度。蒸发器126内的制冷剂液体经历了到制冷剂蒸汽的相变，这是与热交换器盘管128内的次级流体热交换的结果。蒸发器126内的蒸汽制冷剂离开蒸发器126并通过吸入管线返回到压缩机108，从而完成循环。尽管已经依据优选实施例叙述了使用冷凝器112和蒸发器126的系统100，但可以理解的是，只要能够在冷凝器112和蒸发器126内获得适当的制冷剂相变，任何合适结构的冷凝器112和蒸发器126都可用于系统100中。
在从蒸发器126到压缩机108的入口或进口处，有一个或多个预旋转叶片或者入口导向叶片120，其用来控制流入压缩机108的制冷剂的流动。致动器用于打开预旋转叶片120，以增加流入压缩机108的制冷剂量，并借此增大系统100的冷却能力。同样地，致动器用于闭合预旋转样品120，以降低流入压缩机108的制冷剂量，并借此降低系统100的冷却能力。
为了驱动压缩机108，系统100包括用于压缩机108的马达或驱动机构152。尽管采用术语“马达”作为用于压缩机108的驱动机构，但是可以理解，术语“马达”不限于马达，而是涵盖了任何可用于协同马达152驱动的元件，诸如各种速度驱动装置和电动起动机。在本发明的优选实施例中，所述马达或驱动机构152是电动马达和相关联的元件。然而，诸如蒸汽涡轮或者燃气涡轮或内燃机的其它驱动机构和相关联的元件可被用于驱动压缩机108。
图2示出本发明的优选实施例的压缩机108的局部剖视图。压缩机108包括用于压缩制冷剂蒸汽的叶轮202。压缩蒸汽然后流过扩散器119。扩散器119优选是无叶片的径向扩散器，并具有形成在扩散板206和喷嘴基板208之间的扩散器空间204，其用作制冷剂蒸汽的通道。喷嘴基板208与扩散环210一起使用。扩散环210用于控制通过扩散器通道202的制冷剂蒸汽的速度。扩散环210可被延伸到扩散器通道202内，从而增大流过通道的蒸汽速度，并可从扩散器通道202缩回，从而降低流过通道的蒸汽速度。可利用调节机构212来伸缩扩散环210。
回到图1，系统100还包括传感器160，其用于检测系统100的操作情况，所述系统100的操作情况可被用于确定扩散器119内的旋转失速情况。传感器160可被置于压缩机108的叶轮202的气体流动通道下游的任何位置处。然而，传感器160优选被置于压缩机排放通道(如图1中示意性所示)或者扩散器119内。传感器160优选是用于测量声压现象的压力传感器，然而，也可以使用其它类型的传感器。例如，加速计可被用于测量与振动有关的失速。压力传感器产生表示出现在排放管线内的失速能量的信号。来自传感器160的信号通过管线被传递到用于后续加工的控制面板140，从而确定并修正扩散器119内的旋转失速。
优选调节用于测量与旋转失速有关的能量的传感器160的输出，以便区分与失速有关的声能和由于其它声源或振动而产生的能量。在本发明的一个实施例中，通过简单测量频率范围内的能量的大小，就可以进行调节，其中所述频率包括基本的失速频率及其主要谐波。在其它调节方案中，在与失速有关的区域范围内的一些与失速无关的频率可被测量并从分析中去除，以便提高探测仅出现旋转失速能量的能力。来自传感器160的调节输出信号可协同下述的过程一起使用，从而采取修正行动来避免压缩机108产生的大量的旋转失速噪音。
已经对与旋转失速相关的声能的强度和频率含量进行了广泛的研究。在压缩机的操作进入旋转失速区域时，在大约10-300Hz范围内的确定频带内，声能的AC成份增大。已经发现，大量旋转失速的出现是相当突然的。因此，表示在气流中的声能的信号的频率分析表明，10-300Hz频带内的与旋转失速相关的能量的强度和大小的突然增大表示压缩机进入了旋转失速情形。
图3示出用于探测和修正压缩机108的扩散器119内的旋转失速的一个过程。该过程可在控制面板140上进行，所述控制面板140使用模拟元件(在图4中示意性示出该元件的一部分)、数字元件(在图5中示意性示出该元件的一部分)或者模拟元件和数字元件的组合(未示出)。该过程在步骤302开始，控制面板140从传感器160接收信号。如上所述，从传感器160接收的信号与表示旋转失速开始的能量大小相对应。在优选实施例中使用压力传感器160对声压现象的直接测量为旋转失速的存在提供了更加可靠的表示，并且避免了其它与旋转失速不相关的声音信号。例如，如果压缩机108的振动被用于探测旋转失速的开始，由于压缩机的马达152或者齿轮或者叶轮102的不平衡所产生的振动在与旋转失速噪声相同的频率范围内，可以提供这样大小的信号，这样其就干扰了仅仅探测与旋转失速噪声相关的元件的能力。
在步骤304中，来自传感器160的信号经过高通滤波器。在确定存在旋转失速时，来自传感器160的AC波动表示感兴趣的信号，而所述信号的DC部分是探测旋转失速所不需要的。因此，高通滤波器被用于去除信号的DC部分。高通滤波器优选具有大约10Hz的中断频率。中断频率可被设置成任何适当的值，其去除了信号的DC部分，而留下足够的信号的AC部分，以用于依据所需的探测准确度进行分析。在本发明的一个实施例中，高通滤波器可包括单极RC高通滤波器，其在10Hz时产生0.707的输入信号衰减，其在DC时(0Hertz)在这个频率之下降低到0。在本发明的其它实施例中，高阶高通滤波器可被用于过滤来自传感器160的信号。
在经过高通滤波器和增益放大器之后(如果需要)，信号然后在步骤306经过低通滤波器。低通滤波器被用于将频率削弱在中断频率或截止频率之上，其中中断频率限定了与旋转失速条件相关的高频率级。在本发明的优选实施例中，与旋转失速能量有关的高频率或中断频率是大约300Hz。在本发明的一个实施例中，六阶巴特沃思(Butterworth)低通滤波器被用于消除在失速频率范围之上、与旋转失速不相关的频率成份(大约10-300Hz)，所述不相关的频率可能导致旋转失速的错误显示。在本发明的其它实施例中，不同阶数(different order)优选较大阶数的低通滤波器可用于去除较高频率。
在本发明的另一个实施例中，步骤304和306可被组合成一步。在这个实施例中，不使用高通滤波器(步骤304)和低通滤波器(步骤306)，而是使用带通滤波器来去除传感器信号中的DC成份和高频率。带通滤波器优选在10-300Hz的频率范围内，其等效于在步骤304和306的高通滤波器和低通滤波器之后的频率范围。
在经过步骤306的低通滤波器之后，信号在步骤308经过有源全波整流器。有源全波整流器被用于将AC信号的负值部分转换或者“翻转(flip)”成相等的正值，而没有影响到AC信号的正值部分。全波整流信号仅仅具有正的成份并包括附加在DC成份上的AC成份的组合。组合信号产生了一个平均值(或DC)，其大小随着在失速频率时振幅内的能量的增加而增加。
在步骤310，来自有源全波整流器的信号经过低截止频率的低通滤波器，从而仅仅通过DC成份。如上所述，全波整流器波形的DC成份部分表示传感器160的失速波动振幅，因此，仅仅需要信号的DC成份以用于探测旋转失速。在本发明的一个实施例中，低通滤波器可具有0.16Hz的截止频率。然而，这个频率不是如0.1Hz的极限值或其它截止频率，可用于仅仅通过DC成份。
图4示意性地示出用于完成步骤304-310的模拟电路。高通滤波器402从传感器160接收信号，其中高通滤波器402如关于步骤304所述的那样过滤信号。如果需要，增益放大器404可用于加速或增强高通滤波器402的输出。与表示旋转失速条件的临界值相比较，增益放大器404可用于加速高通滤波器402的信号到达适当的值。低通滤波器406从增益放大器404或高通滤波器402接收信号，并如关于步骤306所述的那样过滤信号。有源全波整流器408用于调整来自低通滤波器406的信号，如步骤308所述的。为了消除由于使用全波电桥整流器而产生的DC残余偏差(offset)，优选采用有源全波整流器408。最终，使用低通滤波器410过滤来自有源全波整流器408的全波整流信号，所述低通滤波器410如关于步骤310所述的那样过滤信号，并将信号发送到控制电路，所述控制电路系统包括微处理器和/或比较器，以用于后续加工来自低通滤波器410的信号。
图5示意性地示出用于完成步骤304-310的数字电路。如果需要，为与表示旋转失速条件的临界值相比较，增益放大器502可用于加速或增强来自传感器160的信号到达适当的值。来自增益放大器502或传感器160的信号然后经过A/D转换器504从而将模拟信号转换成数字信号。来自A/D转换器504的数字信号然后优选地被提供到数字信号处理器(DSP)电路系统506，以用于完成步骤304-310。在DSP电路系统506中，高通滤波器508接收来自A/D转换器504的信号，其中所述高通滤波器508如关于步骤304所述的那样过滤信号。低通滤波器510从高通滤波器508接收信号，并如关于步骤306所述的那样过滤信号。全波整流器512用于调整来自低通滤波器510的信号，如步骤308所述那样。使用低通滤波器514过滤来自全波整流器512的全波整流信号，所述低通滤波器514如步骤310所述的那样过滤信号。最后，DSP电路系统506的低通滤波器514的信号然后通过D/A转换器516，所述D/A转换器516产生模拟信号并将模拟信号发送到控制电路系统，以用于模拟信号的后续加工，其中所述控制电路系统包括微处理器和/或比较器。
回到图3，从步骤310仅仅具有DC成份的低通过滤信号然后与临界值比较，从而在步骤312确定旋转失速的存在。如上所述，在比较器108移动进入旋转失速条件时，DC成份的大小增大。因此，通过确定何时DC成份或电压超过临界值，可以探测旋转失速的出现。临界值可被设置成与DC成份相应的正常操作值的倍数相等的数值，即在没有旋转失速时的DC成份的数值的倍数的值。例如，如果用于DC成份的正常操作值是0.2-0.4VDC，那么用于探测旋转失速的临界值可在0.8-1.2VDC之间。用于正常操作的值和临界值取决于施加到所述信号的增益。换句话说，在施加到信号的增益越多时，正常操作值就越大，临界值也将越大。如果在步骤312没有探测到旋转失速，那么过程就返回到步骤302，并从传感器160获得用于处理的新信号。
如果在步骤312探测了旋转失速，那么，在步骤314中就采取修正措施来修正旋转失速条件。修正措施可包括将径向扩散器119的扩散器空间204的宽度变窄、将径向扩散器119的长度变短或者在压缩机入口或者叶轮202的下游增大向压缩机108的流动，但是修正措施并不限于此。在本发明的优选实施例中，一旦探测到了旋转失速，控制面板140就将信号发送到扩散器119，并且特别地，扩散器119的调节机构212调节扩散环210的位置来修正旋转失速条件。扩散环210插入扩散器空间204内从而使扩散器空间204的宽度变窄以便修正旋转失速条件。
在本发明的另一个实施例中，可以使用快速傅立叶变换(FFT)来探测旋转失速的出现。图6示出使用FFT用于探测和修正压缩机108的扩散器119内的旋转失速的过程。在过程开始，在步骤602中控制面板140从传感器160接收信号，并在步骤604中优选使用A/D转换器将来自传感器160的信号转换成数字信号。接下来，在步骤606中，FFT被应用于从步骤604得到的数字信号，从而产生多个频率和能量值。FFT优选被编入控制面板140上的DSP芯片中，并可被实时执行。FFT DSP芯片被优选地配置成可执行任何必需的操作或者计算，如倍数或累加，从而实现FFT，FFT应用于来自传感器160的数字化的输入信号，这就容许在频域内而不是时域内直接探测旋转失速，如上参考图3所述。
由于在探测旋转失速时仅基本频率的特定范围是感兴趣的，如上在更详细叙述的约10-300Hz范围内，在步骤608，在频域内必须分析仅仅那些感兴趣的特定频率，即可以放弃那些与旋转失速无关的频率。另外，感兴趣的基本频率的特定范围总是等于或低于压缩机叶轮202的旋转频率，因此，通过考虑压缩机的速度，旋转失速的分析可被限于感兴趣的适当范围内。关于感兴趣的频率范围的这个限制在各种速度驱动(VSD)应用中是有益的，由于随着叶轮202的速度降低，感兴趣的频率范围变得更窄，且因此有助于消除将导致探测失误的外部频率。无论压缩机是以各种速度操作或者在固定速度操作，FFT中的与旋转失速有关的频率成份和其谐波被保持，而与叶轮的操作速度相关的频率成份及其谐波被去除(设置为零)。而且，在压缩机的叶轮202的旋转频率之下的其它非失速频率，如电干扰(60Hz和谐波)也可被去除，其可通过传感器耦合。
在步骤608中消除了外部频率之后，在步骤610中来自FFT的剩余成份或者频率然后被求和，从而确定合值是否在失速区域内。与在步骤312中的旋转失速的探测类似，在步骤610中旋转失速的探测基于求和或者合值，该值大于形成失速区域的临界值。临界值可被设置成来自FFT元件正常操作时的求和的或合成的值的倍数的值，即是在没有旋转失速时，来自FFT元件的求和的或合成的值的倍数的值。在本发明的优选实施例中，临界值可以是正常操作值的两到六倍。正常操作值和临界值取决于所分析的信号的强度以及放大量，其中所述放大量被应用于信号，从而提高信号对噪音的比率。在本发明的另一个实施例中，通过确定剩余频谱的峰值是否超过预先确定的临界值，来探测旋转失速。如果没有在步骤610中探测到旋转失速，过程返回到步骤602并从传感器160获得用于处理的新信号。
如果在步骤610探测了旋转失速，那么在步骤612中就采取修正措施来修正旋转失速条件。修正措施可包括将径向扩散器119的扩散器空间204的宽度变窄、将径向扩散器119的长度变短或者在压缩机入口或者叶轮202的下游增大向压缩机的流动，但是修正措施并不限于此。在本发明的优选实施例中，一旦探测了旋转失速，控制面板140就将信号发送到扩散器119的调节机构212，来调节扩散环210的位置，从而修正旋转失速条件。扩散环210插入扩散器空间204内，从而使扩散器空间204的宽度变窄，以便修正旋转失速条件。
尽管已经参考优选实施例叙述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不偏离本发明范围的前提下，可以做出各种变化并且等价物可被用于替代本发明的元件。另外，可以做出各种优化，以使特定情形或材料适应本发明的教导，而没有偏离本发明的范围。因此，本发明不限于这里作为执行本发明的最佳模式所披露的具体实施例，但是，本发明包括权利要求范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种用于修正离心压缩机的径向扩散器内的旋转失速的方法，该方法包括如下步骤测量表示与离心压缩机的径向扩散器内的旋转失速相关的声能的数值；用带通滤波器过滤所述测量值，从而获得过滤值；用全波整流器整流所述过滤值，从而获得整流值；用低通滤波器过滤所述整流值，从而获得失速能量成份；将所述失速能量成份与预定值比较，从而确定径向扩散器内的旋转失速，其中，在所述失速能量成份大于预定值时，旋转失速出现在径向扩散器内；以及将控制信号发送到离心压缩机，从而响应于旋转失速的确定而调节离心压缩机的操作结构。
2.如权利要求1所述的方法，其中，对表示与旋转失速相关的声能的数值的测量包括用压力传感器测量离心压缩机的径向扩散器内的声压的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述压力传感器被置于压缩机的排放通道内。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述用带通滤波器过滤测量值的步骤包括如下步骤用中断频率为10Hz的高通滤波器过滤测量值从而获得中间值；以及用中断频率为300Hz的低通滤波器过滤中间值。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述高通滤波器是单极RC高通滤波器，所述低通滤波器是六阶巴特沃思低通滤波器。
6.如权利要求4所述的方法，还包括用增益放大器将中间值放大的步骤。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述全波整流器是有源全波整流器。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述用低通滤波器过滤整流值以获得失速能量成份的步骤包括用截止频率为0.16Hz的低通滤波器来过滤整流值的步骤。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述确定值是在离心压缩机没有旋转失速的正常操作过程中计算的失速能量成份的倍数。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述确定值是在离心压缩机没有旋转失速的正常操作过程中计算的失速能量成份的2到6倍。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述控制信号发送到离心压缩机的步骤包括将控制信号发送到径向扩散器的步骤。
12.如权利要求11所述的方法，还包括响应于发送到径向扩散器的控制信号调节扩散环，从而使径向扩散器内的扩散器空间的宽度变窄的步骤。
13.如权利要求1所述的方法，还包括用增益放大器将测量值放大的步骤。
14.如权利要求1所述的方法，还包括用对测量值进行调节，从而去除与旋转失速无关的声能的步骤。
15.一种用于探测离心压缩机内的旋转失速的方法，该方法包括如下步骤测量表示与离心压缩机内的旋转失速有关的声能的数值；基于所述测量值进行快速傅立叶变换，从而获得多个频率和相应的能量值；从多个频率和相应的能量值中选择与旋转失速相关的频率和能量值；将与选择的与旋转失速相关的频率相应的能量值求和；以及通过比较求和的能量值与预定的临界值来确定离心压缩机内的旋转失速，其中在求和的能量值大于预定的临界值时，在离心压缩机内出现旋转失速。
16.如权利要求15所述的方法，其中，测量表示与旋转失速有关的声能的数值的步骤包括用压力传感器测量离心压缩机的径向扩散器内的声压的步骤。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述压力传感器被置于压缩机排放通道内。
18.如权利要求15所述的方法，其中，选择与旋转失速相关的频率和相应的能量值的步骤包括在大约10Hz到大约300Hz的频率范围内选择频率和相应的能量值的步骤。
19.如权利要求18所述的方法，还包括从大约10Hz到大约300Hz的频率范围内去除与旋转失速无关的频率和相应的能量值的步骤。
20.如权利要求15所述的方法，其中，所述预定的临界值是在离心压缩机没有旋转失速的正常操作过程中计算的求和的能量值的倍数。
21.如权利要求20所述的方法，其中，所述预定的临界值是在离心压缩机没有旋转失速的正常操作过程中计算的求和的能量值的2到6倍。
22.如权利要求15所述的方法，还包括如下步骤响应于旋转失速的探测，产生用于离心压缩机的径向扩散器的控制信号；以及将产生的控制信号发送到径向扩散器，从而改变径向扩散器的结构。
23.如权利要求22所述的方法，还包括响应于发送到径向扩散器的所述产生的控制信号，调节扩散环从而使径向扩散器内的扩散器空间的宽度变窄的步骤。
24.如权利要求15所述的方法，还包括用增益放大器将测量值放大的步骤。
25.如权利要求15所述的方法，还包括对测量值进行调节从而去除与旋转失速无关的声能的步骤。
26.一种用于修正离心压缩机的径向扩散器内的旋转失速的系统，该系统包括传感器，所述传感器用于测量表示与离心压缩机的径向扩散器内的旋转失速相关的声能的参数，并产生与测量的参数相应的传感器信号；具有10Hz的中断频率的高通滤波器，所述高通滤波器用于接收传感器信号并输出高通滤波器信号；具有中断频率为300Hz的第一低通滤波器，所述第一低通滤波器用于接收来自高通滤波器的高通滤波信号，并输出低通滤波信号；全波整流器，所述全波整流器用于接收低通滤波信号并输出整流信号；第二低通滤波器，所述第二低通滤波器用于接收整流信号，并输出失速能量成份信号；以及控制电路系统，所述控制电路系统用于使用失速能量成份信号来确定径向扩散器内的旋转失速，并输出控制信号，从而响应于旋转失速的确定来调节离心压缩机的操作结构。
27.如权利要求26所述的系统，其中，所述传感器包括压力传感器，用于测量离心压缩机的径向扩散器内的声压。
28.如权利要求27所述的系统，其中，一旦安装了压力传感器，所述压力传感器被置于离心压缩机的排放通道内。
29.如权利要求26所述的系统，其中，所述高通滤波器是单极RC高通滤波器。
30.如权利要求26所述的系统，其中，所述低通滤波器是六阶巴特沃思低通滤波器。
31.如权利要求26所述的系统，还包括增益放大器，所述增益放大器用于接收高通滤波信号并输出放大的信号到第一低通滤波器。
32.如权利要求26所述的系统，其中，所述全波整流器是有源全波整流器。
33.如权利要求26所述的系统，其中，所述第二低通滤波器的中断频率为0.16Hz。
34.如权利要求26所述的系统，其中控制电路系统包括比较器，其用于将失速能量成份信号与预定值比较；响应于比预定值大的失速能量成份信号，控制电路系统输出控制信号；以及预定值是在离心压缩机没有旋转失速的正常操作过程中计算的失速能量成份的值的倍数。
35.如权利要求34所述的系统，其中，所述预定值是在离心压缩机没有旋转失速的正常操作过程中计算的失速能量成份的值的2到6倍。
36.一种用于修正离心压缩机的径向扩散器内的旋转失速的系统，该系统包括传感器，该传感器用于测量表示与离心压缩机的径向扩散器内的旋转失速相关的声能的参数，并产生对应于测量参数的传感器信号；模拟到数字转换器，从而将传感器信号转换成数字信号；数字信号处理器，该数字信号处理器接收来自数字到模拟转换器的数字信号，并且数字信号处理器包括中断频率为10Hz的高通滤波器，该高通滤波器用于接收数字信号并输出高通滤波信号；中断频率为300Hz的第一低通滤波器，所述第一低通滤波器用于从高通滤波器接收高通滤波信号并输出低通滤波信号；以及全波整流器，所述全波整流器用于接收低通滤波器并输出整流信号；第二低通滤波器，该第二低通滤波器用于接收整流信号并输出失速能量成份信号；数字到模拟转换器，用于将失速能量成份信号转换成模拟信号；以及控制电路系统，所述控制电路系统用于利用模拟信号确定径向扩散器内的旋转失速，并输出控制信号，以响应于旋转失速的确定来调节离心压缩机的操作结构。
37.如权利要求36所述的系统，其中，所述传感器包括压力传感器，其用于测量离心压缩机内的径向扩散器的声压。
38.如权利要求37所述的系统，其中，一旦安装了压力传感器，所述压力传感器被置于离心压缩机的排放通道内。
39.如权利要求36所述的系统，还包括增益放大器，所述增益放大器用于接收测量的参数并输出整流信号到模拟数字转换器。
40.如权利要求36所述的系统，其中控制电路系统，其包括比较器，所述比较器用于将失速能量成份信号与预定值比较；响应于大于预定值的失速能量成份信号，控制电路系统输出控制信号；以及预定值是在离心压缩机没有旋转失速的正常操作过程中计算的失速能量成份的值的倍数。
41.如权利要求40所述的系统，其中，预定值是在离心压缩机没有旋转失速的正常操作过程中计算的失速能量成份的值的2到6倍。
全文摘要
本发明提供一种用于探测并控制离心压缩机(108)的扩散器区域(119)内的旋转失速的系统和方法。压力传感器(160)被置于叶轮(202)的气流通道的下游，优选被置于扩散器(119)中或压缩机的排放通道内，从而测量声压现象。接下来，使用模拟技术或者数字技术来处理来自压力传感器(160)的信号，从而确定旋转失速的压力。通过将探测的能量大小与响应于出现旋转失速的预定临界量比较，来探测旋转失速，其中所述探测的能量大小是基于测量的声压而探测的。最后，采取适当的修正措施，从而响应于旋转失速的探测而改变离心压缩机(108)的操作。
文档编号F04D27/02GK1675470SQ03819607
公开日2005年9月28日 申请日期2003年8月14日 优先权日2002年8月23日
发明者罗伯特·斯特布利, 格雷戈里·比弗森, 詹姆斯·本德 申请人:约克国际公司
技术领域：
本发明通常涉及离心压缩机内的旋转失速的探测。更具体地说，本发明涉及通过检测从压缩机输出的声能变化来探测离心压缩机的扩散器部分内的旋转失速的系统和方法。
背景技术：
离心压缩机内的旋转失速可发生在压缩机的旋转叶轮或转子内或者发生在叶轮下游的压缩机的静止扩散器内。无论旋转失速是否发生在叶轮区域(叶轮旋转失速)或者发生在扩散器区域(扩散器旋转失速)中，与旋转失速相关的能量频率通常在一般范围数值内。在这两种情况下，旋转失速的出现都可不利地影响压缩机和/或系统的性能。但是，叶轮旋转失速通常具有更大的影响，这是因为其能够影响到叶轮的可靠性，特别是在诸如航空发动机的轴流式压缩机中，而扩散器旋转失速通常影响到系统总体的声音和振动水平。
用于探测和修正叶轮旋转失速的一些技术使用多个传感器，所述多个传感器靠近旋转叶轮周向设置。传感器被用于探测个别位置处的扰动。所述扰动然后与在其它位置处的数值比较或者与对应于最佳操作条件的数值相比较。经常，需进行非常复杂的计算来确定叶轮旋转失速开始的前兆。一旦探测到叶轮旋转失速，就采取一些修正措施，这些修正措施包括将废气排放到压缩机的吸入口或者利用挡板来修正吸入口流动角度或者改变叶片的位置。
在美国专利US6,010,303(“303”专利)中公开了用于探测轴流式压缩机内的叶轮旋转失速的技术的一个示例。所述“303”专利涉及在涡轮风扇发动机中空气动力学和航空力学的不稳定性的预测。不稳定性的前兆信号实时产生，从而预测在涡轮风扇发动机的脉动式压缩系统中的发动机喘振、失速或者叶片颤震，其中所述涡轮风扇发动机使用多级轴流式压缩机。探测与用于涡轮风扇发动机的压缩系统的空气动力学和航空力学共振相关的能量波，并产生了表示共振频率的信号。静压传感器或者应变仪被安装在风扇叶片附近或者安装在该风扇叶片上，从而探测系统的能量。实时信号在与所感兴趣的不稳定性相关的频率的预定范围内被带通滤波，如250-310Hz范围内。然后将带通信号的大小乘方。乘方后的信号然后被低通滤波，从而形成能量不稳定性前兆信号。低通滤波器提供了各个频率的平方和的平均值。前兆信号然后被用于预测并防止在涡轮风扇发动机内发生的空气动力学和航空力学的不稳定性。这个技术的一个缺点是，其仅仅能够探测轴流式压缩机内的叶轮旋转失速，而没有讨论扩散器旋转失速。
带有无叶片的径向扩散器的混合流式离心压缩机可在其操作范围内的一部分发生扩散器旋转失速，或者在一些情况下在其所有操作范围内发生扩散器旋转失速。通常，发生扩散器旋转失速是因为扩散器的设计无法在没有使某些流动在扩散器通道内分离的情况下容纳所有流动。扩散器旋转失速导致以基本频率在气流通道内产生低频率声能或脉动，所述基本频率通常低于压缩机叶轮的旋转频率。这种低频率声能及其相关的谐波通过压缩机气体通道传播到下游，进入管道、热交换器和其它容器内。低频率声能或声扰可具有很高的量级并且是不需要的，这是因为声扰动的出现可造成压缩机、其控制或其它相关部件/系统的过早失效。
因此，所需要的是一种用于探测并修正离心压缩机的扩散器内的旋转失速的系统和方法，该方法通过检测扩散器周围的气流的声能变化，然后采取措施修正压缩过程，从而避免或补救在扩散器内产生大量的旋转失速噪音的那些条件。
发明内容
本发明可以使用模拟电路或者数字电路(或者二者的组合)来探测扩散器内的旋转失速的出现。所述电路利用具有10Hz中断频率的高通滤波器处理来自压力传感器的信号，所述压力传感器置于扩散器内或者扩散器的下游，从而能够分析来自压力传感器的AC(或动力)波动。接下来，低通滤波器被用于将频率衰减至300Hz中断频率之上。低通滤波器和高通滤波器的操作可认为是与带宽为10到300Hz的低通滤波器的操作相同。10-300Hz范围是重要的，这是因为这个范围的AC成份的振幅随着离心压缩机的操作移动进入旋转失速而增大。
用有源全波整流器处理低通滤波器或带通滤波器的输出，从而获得信号，所述信号仅仅是正的并包括叠加在DC成份上的AC成份的组合。组合信号产生了DC(或平均)值，其中所述DC值需用于后续加工，其大小随着失速频率能量的振幅的增大而增大。低通滤波器紧跟全波整流器。低通滤波器具有大约0.16Hz的非常低的截止频率，从而仅仅通过波形的DC部分，这是因为这个波形的DC部分提供了对压力传感器的失速波动振幅的表示。信号的DC成份然后与临界值比较，从而确定旋转失速的出现。用于确定旋转失速的临界值取决于施加到来自压力传感器的信号上的增益量以及旋转失速量，所述旋转失速量在需要修正之前可以被容忍在扩散器中。
可替换地，本发明可以使用编程的DSP，从而对用于探测旋转失速的压力传感器的数字输出实时执行快速傅立叶变换(FFT)。FFT的使用容许在频域内而不是在如上所述的时域内直接探测失速。FFT被应用于来自压力传感器的信号，从而获得一系列频率和能量级。可以放弃来自FFT的一些频率，这些频率在感兴趣的频率(10-300Hz)范围之外。接下来，可将10-300Hz之间的能量级求和，从而产生求和的能量级值。为获得更准确的值，可以放弃与叶轮的旋转速度相关的能量级。然后将求和的能量级值与临界值比较，从而确定旋转失速的出现。而且，与其将频谱成份求和，还不如通过检查频谱的峰值是否超过预定的临界值来探测失速。
本发明的一个实施例涉及用于修正离心压缩机的径向扩散器中的旋转失速的方法。该方法包括测量表示与离心压缩机的径向扩散器中的旋转失速相关的声能的数值。该方法还包括用带通滤波器过滤测量值，从而获得过滤值；用全波整流器整流所述过滤值，从而获得整流值；以及用低通滤波器过滤整流值，从而获得失速能量成份。最后，该方法还包括将失速能量成份与临界值比较，从而确定径向扩散器内的旋转失速，其中在失速能量成份大于预定值时，旋转失速出现在径向扩散器中，并将控制信号发送到离心压缩机，从而响应于旋转失速的确定来调节离心压缩机的操作结构。
本发明的另一个实施例涉及用于探测离心压缩机内的旋转失速的方法。该方法包括测量表示与离心压缩机内的旋转失速相关的声能的数值，并基于测量值执行快速傅立叶变换，从而获得多个频率和相应的能量数值。该方法也包括从多个频率和能量数值选择与旋转失速相关的频率和相应的能量值的步骤，并将与旋转失速相关的所选择的频率的相应的能量数值求和。最后，该方法包括通过比较求和的能量数值和预定的临界值来探测离心压缩机内的旋转失速的步骤，其中在求和的能量值大于预定的临界值时，在离心压缩机内出现旋转失速。
本发明的又一个实施例涉及用于修正离心压缩机的径向扩散器内的旋转失速的系统。该系统包括传感器，其配置成用于测量表示与离心压缩机的径向扩散器内的旋转失速相关的声能的参数，并产生与测量参数相应的传感器信号。该系统也包括中断频率为10Hz的高通滤波器、中断频率为300Hz的第一低通滤波器和全波整流器。高通滤波器用于接收传感器信号并输出高通滤波信号。第一低通滤波器用于接收来自高通滤波器的高通滤波信号并输出低通滤波信号。全波整流器用于接收低通滤波信号并输出整流信号。该系统也包括控制电路系统和第二低通滤波器，以用于接收整流信号并输出失速能量成份信号。控制电路系统被配置成利用失速能量信号来确定径向扩散器内的旋转失速并输出控制信号，从而响应于旋转失速的确定来调节离心压缩机的操作结构。
本发明的又一个实施例涉及用于修正离心压缩机的径向扩散器内的旋转失速的系统。该系统包括传感器，所述传感器配置成测量表示与离心压缩机的径向扩散器内的旋转失速相关的声能的参数，并能够产生与测量的参数相应的传感器信号。模拟到数字转换器将传感器信号转换成数字信号。该系统还包括数字信号处理器，其接收从数字到模拟转换器的数字信号。所述数字信号处理器包括中断频率为10Hz的高通滤波器、中断频率为300Hz的第一低通滤波器、全波整流器以及第二低通滤波器。高通滤波器被配置成接收数字信号并输出高通滤波信号。第一低通滤波器被配置成从高通滤波器接收高通滤波信号并输出低通滤波信号。全波整流器被配置成接收低通滤波信号并输出整流信号。第二低通滤波器用于接收整流信号并输出仅含有整流信号的平均值的失速能量成份信号。数字到模拟转换器用于将失速能量成份信号转换成模拟信号。最后，该系统具有控制电路系统，该控制电路系统通过利用模拟信号来确定径向扩散器内的旋转失速并输出控制信号，从而响应于旋转失速的确定来调节离心压缩机的操作结构。
本发明的一个优点是使用电子和硬件的简单封装，从而探测压缩机的扩散器部分内的旋转失速。
本发明的另一个优点是旋转失速的确定可被用于决定采取可能的技术来降低或消除扩散器内产生的旋转失速噪音。
通过参考附图对优选实施例的更加详细的叙述，本发明的其它特征和优点将变得更加明显，其中所述附图以示例方式说明了本发明的原理。
图1示意性地示出本发明的制冷系统；图2示出本发明的离心压缩机和扩散器的局部剖视图；图3示出在本发明的一个实施例中用于探测和修正旋转失速情况的流程图；图4示意性地示出用于本发明的模拟电路的一个实施例；图5示意性地示出用于本发明的数字电路的一个实施例；图6示出在本发明的另一个实施例中用于探测和修正旋转失速情况的流程图。
无论在什么可能的情况下，在整个附图中相同的附图标记指示相同或类似的部件。
具体实施例方式
在图1中以示例方式说明了应用本发明的一般系统。如图所示，HVAC、冷冻或者液体冷却器系统100包括压缩机108、冷凝器112、水冷却器或者蒸发器126和控制面板140。控制面板140从系统100接收指示该系统100性能的输入信号，并将所述信号传递到系统100的各元件，从而控制系统100的操作。传统的液体冷却器系统100包括图1中未示出的许多其它特征。为易于说明这些特征已被有意删去以简化附图。
压缩机108压缩制冷剂蒸汽，并通过排出管线将蒸汽输送到冷凝器112。压缩机108优选是离心压缩机，然而，本发明也可以使用任何类型的压缩机，该压缩机可以发生旋转失速情况或者在能够发生旋转失速的流动下操作。输送到冷凝器112的制冷剂蒸汽与诸如空气或水的流体进行热交换并经历了到制冷剂液体的相变，这是与流体热交换的结果。来自冷凝器112的冷凝的液体制冷剂流入蒸发器126。在优选实施例中，冷凝器112中的制冷剂蒸汽，流过连接到冷却塔122的热交换器盘管116，与水进行热交换。冷凝器112中的制冷剂蒸汽经历了到制冷剂液体的相变，这是与热交换器盘管116中的水热交换的结果。
蒸发器126优选包括热交换器盘管128，其具有连接到冷却负荷130的供应管线128S和回流管线128R。热交换器盘管128可包括蒸发器126内的多个管束。次级流体经由回流管线128R流入蒸发器126并经由供应管线128S流出蒸发器126，其中所述次级流体优选是水，但是也可以是适当的任何其它次级流体，如乙烯、氯化钙卤水或者氯化钠卤水。蒸发器126内的液体制冷剂与热交换器盘管128内的次级流体进行热交换，以降低热交换器盘管128内的次级流体的温度。蒸发器126内的制冷剂液体经历了到制冷剂蒸汽的相变，这是与热交换器盘管128内的次级流体热交换的结果。蒸发器126内的蒸汽制冷剂离开蒸发器126并通过吸入管线返回到压缩机108，从而完成循环。尽管已经依据优选实施例叙述了使用冷凝器112和蒸发器126的系统100，但可以理解的是，只要能够在冷凝器112和蒸发器126内获得适当的制冷剂相变，任何合适结构的冷凝器112和蒸发器126都可用于系统100中。
在从蒸发器126到压缩机108的入口或进口处，有一个或多个预旋转叶片或者入口导向叶片120，其用来控制流入压缩机108的制冷剂的流动。致动器用于打开预旋转叶片120，以增加流入压缩机108的制冷剂量，并借此增大系统100的冷却能力。同样地，致动器用于闭合预旋转样品120，以降低流入压缩机108的制冷剂量，并借此降低系统100的冷却能力。
为了驱动压缩机108，系统100包括用于压缩机108的马达或驱动机构152。尽管采用术语“马达”作为用于压缩机108的驱动机构，但是可以理解，术语“马达”不限于马达，而是涵盖了任何可用于协同马达152驱动的元件，诸如各种速度驱动装置和电动起动机。在本发明的优选实施例中，所述马达或驱动机构152是电动马达和相关联的元件。然而，诸如蒸汽涡轮或者燃气涡轮或内燃机的其它驱动机构和相关联的元件可被用于驱动压缩机108。
图2示出本发明的优选实施例的压缩机108的局部剖视图。压缩机108包括用于压缩制冷剂蒸汽的叶轮202。压缩蒸汽然后流过扩散器119。扩散器119优选是无叶片的径向扩散器，并具有形成在扩散板206和喷嘴基板208之间的扩散器空间204，其用作制冷剂蒸汽的通道。喷嘴基板208与扩散环210一起使用。扩散环210用于控制通过扩散器通道202的制冷剂蒸汽的速度。扩散环210可被延伸到扩散器通道202内，从而增大流过通道的蒸汽速度，并可从扩散器通道202缩回，从而降低流过通道的蒸汽速度。可利用调节机构212来伸缩扩散环210。
回到图1，系统100还包括传感器160，其用于检测系统100的操作情况，所述系统100的操作情况可被用于确定扩散器119内的旋转失速情况。传感器160可被置于压缩机108的叶轮202的气体流动通道下游的任何位置处。然而，传感器160优选被置于压缩机排放通道(如图1中示意性所示)或者扩散器119内。传感器160优选是用于测量声压现象的压力传感器，然而，也可以使用其它类型的传感器。例如，加速计可被用于测量与振动有关的失速。压力传感器产生表示出现在排放管线内的失速能量的信号。来自传感器160的信号通过管线被传递到用于后续加工的控制面板140，从而确定并修正扩散器119内的旋转失速。
优选调节用于测量与旋转失速有关的能量的传感器160的输出，以便区分与失速有关的声能和由于其它声源或振动而产生的能量。在本发明的一个实施例中，通过简单测量频率范围内的能量的大小，就可以进行调节，其中所述频率包括基本的失速频率及其主要谐波。在其它调节方案中，在与失速有关的区域范围内的一些与失速无关的频率可被测量并从分析中去除，以便提高探测仅出现旋转失速能量的能力。来自传感器160的调节输出信号可协同下述的过程一起使用，从而采取修正行动来避免压缩机108产生的大量的旋转失速噪音。
已经对与旋转失速相关的声能的强度和频率含量进行了广泛的研究。在压缩机的操作进入旋转失速区域时，在大约10-300Hz范围内的确定频带内，声能的AC成份增大。已经发现，大量旋转失速的出现是相当突然的。因此，表示在气流中的声能的信号的频率分析表明，10-300Hz频带内的与旋转失速相关的能量的强度和大小的突然增大表示压缩机进入了旋转失速情形。
图3示出用于探测和修正压缩机108的扩散器119内的旋转失速的一个过程。该过程可在控制面板140上进行，所述控制面板140使用模拟元件(在图4中示意性示出该元件的一部分)、数字元件(在图5中示意性示出该元件的一部分)或者模拟元件和数字元件的组合(未示出)。该过程在步骤302开始，控制面板140从传感器160接收信号。如上所述，从传感器160接收的信号与表示旋转失速开始的能量大小相对应。在优选实施例中使用压力传感器160对声压现象的直接测量为旋转失速的存在提供了更加可靠的表示，并且避免了其它与旋转失速不相关的声音信号。例如，如果压缩机108的振动被用于探测旋转失速的开始，由于压缩机的马达152或者齿轮或者叶轮102的不平衡所产生的振动在与旋转失速噪声相同的频率范围内，可以提供这样大小的信号，这样其就干扰了仅仅探测与旋转失速噪声相关的元件的能力。
在步骤304中，来自传感器160的信号经过高通滤波器。在确定存在旋转失速时，来自传感器160的AC波动表示感兴趣的信号，而所述信号的DC部分是探测旋转失速所不需要的。因此，高通滤波器被用于去除信号的DC部分。高通滤波器优选具有大约10Hz的中断频率。中断频率可被设置成任何适当的值，其去除了信号的DC部分，而留下足够的信号的AC部分，以用于依据所需的探测准确度进行分析。在本发明的一个实施例中，高通滤波器可包括单极RC高通滤波器，其在10Hz时产生0.707的输入信号衰减，其在DC时(0Hertz)在这个频率之下降低到0。在本发明的其它实施例中，高阶高通滤波器可被用于过滤来自传感器160的信号。
在经过高通滤波器和增益放大器之后(如果需要)，信号然后在步骤306经过低通滤波器。低通滤波器被用于将频率削弱在中断频率或截止频率之上，其中中断频率限定了与旋转失速条件相关的高频率级。在本发明的优选实施例中，与旋转失速能量有关的高频率或中断频率是大约300Hz。在本发明的一个实施例中，六阶巴特沃思(Butterworth)低通滤波器被用于消除在失速频率范围之上、与旋转失速不相关的频率成份(大约10-300Hz)，所述不相关的频率可能导致旋转失速的错误显示。在本发明的其它实施例中，不同阶数(different order)优选较大阶数的低通滤波器可用于去除较高频率。
在本发明的另一个实施例中，步骤304和306可被组合成一步。在这个实施例中，不使用高通滤波器(步骤304)和低通滤波器(步骤306)，而是使用带通滤波器来去除传感器信号中的DC成份和高频率。带通滤波器优选在10-300Hz的频率范围内，其等效于在步骤304和306的高通滤波器和低通滤波器之后的频率范围。
在经过步骤306的低通滤波器之后，信号在步骤308经过有源全波整流器。有源全波整流器被用于将AC信号的负值部分转换或者“翻转(flip)”成相等的正值，而没有影响到AC信号的正值部分。全波整流信号仅仅具有正的成份并包括附加在DC成份上的AC成份的组合。组合信号产生了一个平均值(或DC)，其大小随着在失速频率时振幅内的能量的增加而增加。
在步骤310，来自有源全波整流器的信号经过低截止频率的低通滤波器，从而仅仅通过DC成份。如上所述，全波整流器波形的DC成份部分表示传感器160的失速波动振幅，因此，仅仅需要信号的DC成份以用于探测旋转失速。在本发明的一个实施例中，低通滤波器可具有0.16Hz的截止频率。然而，这个频率不是如0.1Hz的极限值或其它截止频率，可用于仅仅通过DC成份。
图4示意性地示出用于完成步骤304-310的模拟电路。高通滤波器402从传感器160接收信号，其中高通滤波器402如关于步骤304所述的那样过滤信号。如果需要，增益放大器404可用于加速或增强高通滤波器402的输出。与表示旋转失速条件的临界值相比较，增益放大器404可用于加速高通滤波器402的信号到达适当的值。低通滤波器406从增益放大器404或高通滤波器402接收信号，并如关于步骤306所述的那样过滤信号。有源全波整流器408用于调整来自低通滤波器406的信号，如步骤308所述的。为了消除由于使用全波电桥整流器而产生的DC残余偏差(offset)，优选采用有源全波整流器408。最终，使用低通滤波器410过滤来自有源全波整流器408的全波整流信号，所述低通滤波器410如关于步骤310所述的那样过滤信号，并将信号发送到控制电路，所述控制电路系统包括微处理器和/或比较器，以用于后续加工来自低通滤波器410的信号。
图5示意性地示出用于完成步骤304-310的数字电路。如果需要，为与表示旋转失速条件的临界值相比较，增益放大器502可用于加速或增强来自传感器160的信号到达适当的值。来自增益放大器502或传感器160的信号然后经过A/D转换器504从而将模拟信号转换成数字信号。来自A/D转换器504的数字信号然后优选地被提供到数字信号处理器(DSP)电路系统506，以用于完成步骤304-310。在DSP电路系统506中，高通滤波器508接收来自A/D转换器504的信号，其中所述高通滤波器508如关于步骤304所述的那样过滤信号。低通滤波器510从高通滤波器508接收信号，并如关于步骤306所述的那样过滤信号。全波整流器512用于调整来自低通滤波器510的信号，如步骤308所述那样。使用低通滤波器514过滤来自全波整流器512的全波整流信号，所述低通滤波器514如步骤310所述的那样过滤信号。最后，DSP电路系统506的低通滤波器514的信号然后通过D/A转换器516，所述D/A转换器516产生模拟信号并将模拟信号发送到控制电路系统，以用于模拟信号的后续加工，其中所述控制电路系统包括微处理器和/或比较器。
回到图3，从步骤310仅仅具有DC成份的低通过滤信号然后与临界值比较，从而在步骤312确定旋转失速的存在。如上所述，在比较器108移动进入旋转失速条件时，DC成份的大小增大。因此，通过确定何时DC成份或电压超过临界值，可以探测旋转失速的出现。临界值可被设置成与DC成份相应的正常操作值的倍数相等的数值，即在没有旋转失速时的DC成份的数值的倍数的值。例如，如果用于DC成份的正常操作值是0.2-0.4VDC，那么用于探测旋转失速的临界值可在0.8-1.2VDC之间。用于正常操作的值和临界值取决于施加到所述信号的增益。换句话说，在施加到信号的增益越多时，正常操作值就越大，临界值也将越大。如果在步骤312没有探测到旋转失速，那么过程就返回到步骤302，并从传感器160获得用于处理的新信号。
如果在步骤312探测了旋转失速，那么，在步骤314中就采取修正措施来修正旋转失速条件。修正措施可包括将径向扩散器119的扩散器空间204的宽度变窄、将径向扩散器119的长度变短或者在压缩机入口或者叶轮202的下游增大向压缩机108的流动，但是修正措施并不限于此。在本发明的优选实施例中，一旦探测到了旋转失速，控制面板140就将信号发送到扩散器119，并且特别地，扩散器119的调节机构212调节扩散环210的位置来修正旋转失速条件。扩散环210插入扩散器空间204内从而使扩散器空间204的宽度变窄以便修正旋转失速条件。
在本发明的另一个实施例中，可以使用快速傅立叶变换(FFT)来探测旋转失速的出现。图6示出使用FFT用于探测和修正压缩机108的扩散器119内的旋转失速的过程。在过程开始，在步骤602中控制面板140从传感器160接收信号，并在步骤604中优选使用A/D转换器将来自传感器160的信号转换成数字信号。接下来，在步骤606中，FFT被应用于从步骤604得到的数字信号，从而产生多个频率和能量值。FFT优选被编入控制面板140上的DSP芯片中，并可被实时执行。FFT DSP芯片被优选地配置成可执行任何必需的操作或者计算，如倍数或累加，从而实现FFT，FFT应用于来自传感器160的数字化的输入信号，这就容许在频域内而不是时域内直接探测旋转失速，如上参考图3所述。
由于在探测旋转失速时仅基本频率的特定范围是感兴趣的，如上在更详细叙述的约10-300Hz范围内，在步骤608，在频域内必须分析仅仅那些感兴趣的特定频率，即可以放弃那些与旋转失速无关的频率。另外，感兴趣的基本频率的特定范围总是等于或低于压缩机叶轮202的旋转频率，因此，通过考虑压缩机的速度，旋转失速的分析可被限于感兴趣的适当范围内。关于感兴趣的频率范围的这个限制在各种速度驱动(VSD)应用中是有益的，由于随着叶轮202的速度降低，感兴趣的频率范围变得更窄，且因此有助于消除将导致探测失误的外部频率。无论压缩机是以各种速度操作或者在固定速度操作，FFT中的与旋转失速有关的频率成份和其谐波被保持，而与叶轮的操作速度相关的频率成份及其谐波被去除(设置为零)。而且，在压缩机的叶轮202的旋转频率之下的其它非失速频率，如电干扰(60Hz和谐波)也可被去除，其可通过传感器耦合。
在步骤608中消除了外部频率之后，在步骤610中来自FFT的剩余成份或者频率然后被求和，从而确定合值是否在失速区域内。与在步骤312中的旋转失速的探测类似，在步骤610中旋转失速的探测基于求和或者合值，该值大于形成失速区域的临界值。临界值可被设置成来自FFT元件正常操作时的求和的或合成的值的倍数的值，即是在没有旋转失速时，来自FFT元件的求和的或合成的值的倍数的值。在本发明的优选实施例中，临界值可以是正常操作值的两到六倍。正常操作值和临界值取决于所分析的信号的强度以及放大量，其中所述放大量被应用于信号，从而提高信号对噪音的比率。在本发明的另一个实施例中，通过确定剩余频谱的峰值是否超过预先确定的临界值，来探测旋转失速。如果没有在步骤610中探测到旋转失速，过程返回到步骤602并从传感器160获得用于处理的新信号。
如果在步骤610探测了旋转失速，那么在步骤612中就采取修正措施来修正旋转失速条件。修正措施可包括将径向扩散器119的扩散器空间204的宽度变窄、将径向扩散器119的长度变短或者在压缩机入口或者叶轮202的下游增大向压缩机的流动，但是修正措施并不限于此。在本发明的优选实施例中，一旦探测了旋转失速，控制面板140就将信号发送到扩散器119的调节机构212，来调节扩散环210的位置，从而修正旋转失速条件。扩散环210插入扩散器空间204内，从而使扩散器空间204的宽度变窄，以便修正旋转失速条件。
尽管已经参考优选实施例叙述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不偏离本发明范围的前提下，可以做出各种变化并且等价物可被用于替代本发明的元件。另外，可以做出各种优化，以使特定情形或材料适应本发明的教导，而没有偏离本发明的范围。因此，本发明不限于这里作为执行本发明的最佳模式所披露的具体实施例，但是，本发明包括权利要求范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种用于修正离心压缩机的径向扩散器内的旋转失速的方法，该方法包括如下步骤测量表示与离心压缩机的径向扩散器内的旋转失速相关的声能的数值；用带通滤波器过滤所述测量值，从而获得过滤值；用全波整流器整流所述过滤值，从而获得整流值；用低通滤波器过滤所述整流值，从而获得失速能量成份；将所述失速能量成份与预定值比较，从而确定径向扩散器内的旋转失速，其中，在所述失速能量成份大于预定值时，旋转失速出现在径向扩散器内；以及将控制信号发送到离心压缩机，从而响应于旋转失速的确定而调节离心压缩机的操作结构。
2.如权利要求1所述的方法，其中，对表示与旋转失速相关的声能的数值的测量包括用压力传感器测量离心压缩机的径向扩散器内的声压的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述压力传感器被置于压缩机的排放通道内。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述用带通滤波器过滤测量值的步骤包括如下步骤用中断频率为10Hz的高通滤波器过滤测量值从而获得中间值；以及用中断频率为300Hz的低通滤波器过滤中间值。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述高通滤波器是单极RC高通滤波器，所述低通滤波器是六阶巴特沃思低通滤波器。
6.如权利要求4所述的方法，还包括用增益放大器将中间值放大的步骤。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述全波整流器是有源全波整流器。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述用低通滤波器过滤整流值以获得失速能量成份的步骤包括用截止频率为0.16Hz的低通滤波器来过滤整流值的步骤。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述确定值是在离心压缩机没有旋转失速的正常操作过程中计算的失速能量成份的倍数。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述确定值是在离心压缩机没有旋转失速的正常操作过程中计算的失速能量成份的2到6倍。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述控制信号发送到离心压缩机的步骤包括将控制信号发送到径向扩散器的步骤。
12.如权利要求11所述的方法，还包括响应于发送到径向扩散器的控制信号调节扩散环，从而使径向扩散器内的扩散器空间的宽度变窄的步骤。
13.如权利要求1所述的方法，还包括用增益放大器将测量值放大的步骤。
14.如权利要求1所述的方法，还包括用对测量值进行调节，从而去除与旋转失速无关的声能的步骤。
15.一种用于探测离心压缩机内的旋转失速的方法，该方法包括如下步骤测量表示与离心压缩机内的旋转失速有关的声能的数值；基于所述测量值进行快速傅立叶变换，从而获得多个频率和相应的能量值；从多个频率和相应的能量值中选择与旋转失速相关的频率和能量值；将与选择的与旋转失速相关的频率相应的能量值求和；以及通过比较求和的能量值与预定的临界值来确定离心压缩机内的旋转失速，其中在求和的能量值大于预定的临界值时，在离心压缩机内出现旋转失速。
16.如权利要求15所述的方法，其中，测量表示与旋转失速有关的声能的数值的步骤包括用压力传感器测量离心压缩机的径向扩散器内的声压的步骤。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述压力传感器被置于压缩机排放通道内。
18.如权利要求15所述的方法，其中，选择与旋转失速相关的频率和相应的能量值的步骤包括在大约10Hz到大约300Hz的频率范围内选择频率和相应的能量值的步骤。
19.如权利要求18所述的方法，还包括从大约10Hz到大约300Hz的频率范围内去除与旋转失速无关的频率和相应的能量值的步骤。
20.如权利要求15所述的方法，其中，所述预定的临界值是在离心压缩机没有旋转失速的正常操作过程中计算的求和的能量值的倍数。
21.如权利要求20所述的方法，其中，所述预定的临界值是在离心压缩机没有旋转失速的正常操作过程中计算的求和的能量值的2到6倍。
22.如权利要求15所述的方法，还包括如下步骤响应于旋转失速的探测，产生用于离心压缩机的径向扩散器的控制信号；以及将产生的控制信号发送到径向扩散器，从而改变径向扩散器的结构。
23.如权利要求22所述的方法，还包括响应于发送到径向扩散器的所述产生的控制信号，调节扩散环从而使径向扩散器内的扩散器空间的宽度变窄的步骤。
24.如权利要求15所述的方法，还包括用增益放大器将测量值放大的步骤。
25.如权利要求15所述的方法，还包括对测量值进行调节从而去除与旋转失速无关的声能的步骤。
26.一种用于修正离心压缩机的径向扩散器内的旋转失速的系统，该系统包括传感器，所述传感器用于测量表示与离心压缩机的径向扩散器内的旋转失速相关的声能的参数，并产生与测量的参数相应的传感器信号；具有10Hz的中断频率的高通滤波器，所述高通滤波器用于接收传感器信号并输出高通滤波器信号；具有中断频率为300Hz的第一低通滤波器，所述第一低通滤波器用于接收来自高通滤波器的高通滤波信号，并输出低通滤波信号；全波整流器，所述全波整流器用于接收低通滤波信号并输出整流信号；第二低通滤波器，所述第二低通滤波器用于接收整流信号，并输出失速能量成份信号；以及控制电路系统，所述控制电路系统用于使用失速能量成份信号来确定径向扩散器内的旋转失速，并输出控制信号，从而响应于旋转失速的确定来调节离心压缩机的操作结构。
27.如权利要求26所述的系统，其中，所述传感器包括压力传感器，用于测量离心压缩机的径向扩散器内的声压。
28.如权利要求27所述的系统，其中，一旦安装了压力传感器，所述压力传感器被置于离心压缩机的排放通道内。
29.如权利要求26所述的系统，其中，所述高通滤波器是单极RC高通滤波器。
30.如权利要求26所述的系统，其中，所述低通滤波器是六阶巴特沃思低通滤波器。
31.如权利要求26所述的系统，还包括增益放大器，所述增益放大器用于接收高通滤波信号并输出放大的信号到第一低通滤波器。
32.如权利要求26所述的系统，其中，所述全波整流器是有源全波整流器。
33.如权利要求26所述的系统，其中，所述第二低通滤波器的中断频率为0.16Hz。
34.如权利要求26所述的系统，其中控制电路系统包括比较器，其用于将失速能量成份信号与预定值比较；响应于比预定值大的失速能量成份信号，控制电路系统输出控制信号；以及预定值是在离心压缩机没有旋转失速的正常操作过程中计算的失速能量成份的值的倍数。
35.如权利要求34所述的系统，其中，所述预定值是在离心压缩机没有旋转失速的正常操作过程中计算的失速能量成份的值的2到6倍。
36.一种用于修正离心压缩机的径向扩散器内的旋转失速的系统，该系统包括传感器，该传感器用于测量表示与离心压缩机的径向扩散器内的旋转失速相关的声能的参数，并产生对应于测量参数的传感器信号；模拟到数字转换器，从而将传感器信号转换成数字信号；数字信号处理器，该数字信号处理器接收来自数字到模拟转换器的数字信号，并且数字信号处理器包括中断频率为10Hz的高通滤波器，该高通滤波器用于接收数字信号并输出高通滤波信号；中断频率为300Hz的第一低通滤波器，所述第一低通滤波器用于从高通滤波器接收高通滤波信号并输出低通滤波信号；以及全波整流器，所述全波整流器用于接收低通滤波器并输出整流信号；第二低通滤波器，该第二低通滤波器用于接收整流信号并输出失速能量成份信号；数字到模拟转换器，用于将失速能量成份信号转换成模拟信号；以及控制电路系统，所述控制电路系统用于利用模拟信号确定径向扩散器内的旋转失速，并输出控制信号，以响应于旋转失速的确定来调节离心压缩机的操作结构。
37.如权利要求36所述的系统，其中，所述传感器包括压力传感器，其用于测量离心压缩机内的径向扩散器的声压。
38.如权利要求37所述的系统，其中，一旦安装了压力传感器，所述压力传感器被置于离心压缩机的排放通道内。
39.如权利要求36所述的系统，还包括增益放大器，所述增益放大器用于接收测量的参数并输出整流信号到模拟数字转换器。
40.如权利要求36所述的系统，其中控制电路系统，其包括比较器，所述比较器用于将失速能量成份信号与预定值比较；响应于大于预定值的失速能量成份信号，控制电路系统输出控制信号；以及预定值是在离心压缩机没有旋转失速的正常操作过程中计算的失速能量成份的值的倍数。
41.如权利要求40所述的系统，其中，预定值是在离心压缩机没有旋转失速的正常操作过程中计算的失速能量成份的值的2到6倍。
全文摘要
本发明提供一种用于探测并控制离心压缩机(108)的扩散器区域(119)内的旋转失速的系统和方法。压力传感器(160)被置于叶轮(202)的气流通道的下游，优选被置于扩散器(119)中或压缩机的排放通道内，从而测量声压现象。接下来，使用模拟技术或者数字技术来处理来自压力传感器(160)的信号，从而确定旋转失速的压力。通过将探测的能量大小与响应于出现旋转失速的预定临界量比较，来探测旋转失速，其中所述探测的能量大小是基于测量的声压而探测的。最后，采取适当的修正措施，从而响应于旋转失速的探测而改变离心压缩机(108)的操作。
文档编号F04D27/02GK1675470SQ03819607
公开日2005年9月28日 申请日期2003年8月14日 优先权日2002年8月23日
发明者罗伯特·斯特布利, 格雷戈里·比弗森, 詹姆斯·本德 申请人:约克国际公司
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