[发明专利]一种真假倍频压力脉动信号的区分方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种倍频压力脉动信号区分方法，特别是关于一种基于频谱分析和时域曲线对比的真假倍频压力脉动信号的区分方法。

背景技术

在水电站、水泵站运行及水力机械试验研究中，经常为了解和检验其水力稳定性而测量其压力脉动和振动，看其幅值是否超标；分析频谱特性，发现其主要频率成分，看那些频率成分是主要影响因素，提出避振或减振措施，避免共振，降低压力脉动，减轻振动，确保运行稳定。在进行压力脉动和振动信号的频谱分析时，目前所采用的主要方法是快速傅里叶变换，简称FFT。在这一变换中，把2N个离散数据看作周期函数，用0～N-1阶的调谐波进行合成。在转换分析出各阶傅里叶系数之后，再根据其实部和虚部的大小计算出各阶调谐波的幅值及相位，完成对压力脉动信号的频谱分析。但是，压力脉动的信号很复杂，组成这些复杂信号的各阶分量多数不是调谐波，大量的是锯齿波，有对称型，也有缓升急降型，更有大量的呈现急升缓降型(如图1所示)。在涡带等空化空腔存在时，空腔在高压作用下的溃灭或收缩会非常迅速，压力上升非常快，故造成大量的压力脉动信号以急升缓降的方式呈现。

当利用FFT技术对前述锯齿波进行频谱分析时，其结果如图2所示。如果信号是频率为f的对称型三角波(又称锯齿波)，通过FFT分析的频谱由主频f和奇数倍倍频3f、5f、7f…(2i-1)f…等若干个调谐波合成(其中i为整数，i＝1，2，3，…)，其幅值依次减小(如图2.1所示)。如果锯齿波不对称，无论是缓升急降，还是急升缓降，分析的结果都是由锯齿波频率f(其幅值小于锯齿波幅值)的调谐波和2f、3f、4f…Nf…等频率(其幅值依次降低)的调谐波合成(如图2.2、图2.3所示)。

如图3所示，在实际的压力脉动和振动测量中，不仅存在如图1所示的锯齿波，还分析出了如图3.1和图3.2所示的分析结果：在分析出涡带等主频率的同时，还分析出了2倍、3倍等许多倍频成分，其分频幅值也依次降低。在国际电工委员会(IEC)和我国的全国水轮机标准化委员会制定的《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验》国际标准(IEC60193：1999)和国家标准(GB/T 15613.3-2008)中均引用了如图4所示的压力脉动波形及分析的频谱曲线，也存在类似的锯齿波及梯度降低倍频现象。尽管在两个标准中均没有指出倍频现象，但其引用的频谱曲线均存在所谓的倍频现象(如图4.1～图4.4所示)，并在标准中有如下一段表述(斜体)：“水轮机和水泵在转频乘以转轮或叶轮叶片数的频率(通常称之为叶片过流频率)下会产生激振。由于转轮叶片与活动导叶/固定导叶/蜗壳之间的相互作用，可产生了k倍于叶片过流频率的高频，k值对于水轮机而言通常为l到2，而对于水泵和水泵水轮机而言通常为1到4”，说明已关注到该问题。

在日常的学术交流中，也有部分专家提出了该问题，提醒关注该现象。也就是说，在得到这样的分析结果之后，很可能把这些2倍频、3倍频甚至4倍频、5倍频分量压力脉动信以为真，如果再去花很大的人力物力去查找其物理根源，则可能误入歧途，浪费大量的财力和时间的同时，还影响对真正压力脉动根源的查寻。因此，有必要发明一种方法，在利用FFT对压力脉动或振动信号进行频谱分析时，如在发现某频率有较大幅值分量的同时，还发现其有2倍、3倍甚至更多倍数频率的较突出分量，能利用该方法分辨出这些倍频分量的真假。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种真假倍频压力脉动信号的区分方法，该方法有效去除了FFT“捏造”出的假倍频的影响，集中解决了真实频率分量带来的稳定性问题，能更高效直接地保障机组运行的稳定安全。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种真假倍频压力脉动信号的区分方法，其特征在于，所述区分方法步骤如下：1)查清水力机械设备的基本参数、测试压力脉动时的工况参数以及压力脉动的测量部位和测量分析方法；2)查找虚假倍频分量：对照压力脉动信号的波形和频谱曲线，排除各种锯齿波可能“捏造”出的虚假分量，根据倍频情况检查压力脉动波形是否会“捏造”出这些频率，列出疑似虚假倍频的频率清单；3)进一步证实倍频分量真假：对照测量压力脉动波形的工况及水力机械设备自身的物理参数判断是否有物理因素会产生所述步骤2)中所列出的疑似虚假倍频分量，以确定这些倍频分量的真假。

所述步骤1)中，所述水力机械设备的基本参数包括转轮叶片数Z、活动导叶数Z₀、固定导叶数Z_V；所述测试压力脉动时的工况参数主要是水轮机或水泵转速n和工频频率；所述压力脉动的测量分析方法包括采集频率、采集及分析点数。