一種連續式跨聲速風洞喘振邊界測定方法
【專利摘要】本發明涉及一種連續式跨聲速風洞喘振邊界測定方法，針對安裝在連續式跨聲速風洞中的軸流式壓縮機，可以實現對連續式跨聲速風洞中軸流式壓縮機的喘振邊界測定，并充分保證了該喘振邊界適用于風洞今后的運行工況。壓縮機與風洞連接后工作與壓縮機單獨工作時的結構共振點往往不一樣，在本發明提出的方法中，由于壓縮機與風洞本體已經處于連接狀態，故在喘振邊界測試時還能避免壓縮機的共振點偏移帶來的潛在危害。
【專利說明】一種連續式跨聲速風洞喘振邊界測定方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種涉及軸流壓縮機喘振邊界測定方法，尤其適用于安裝在跨聲速風洞回路中軸流壓縮機的喘振邊界測定。風洞喘振邊界指的就是安裝在風洞回路中的軸流壓縮機的喘振邊界。
【背景技術】
[0002]軸流壓縮機發生喘振時，在壓縮機的流道內將出現強烈的氣流脈動，引起轉子和定子動應力的增加，從而引起機組劇烈振動，壓縮機無法正常工作，這種現象被稱之為“喘振”。喘振現象如不及時排除，將直接導致壓縮機組損壞。要避免壓縮機喘振現象的發生，必須事先找出壓縮機的喘振點，但目前尚無法通過計算準確地預估出來，只能在壓縮機性能測試時，根據實際情況來判斷其近似的喘振點。
[0003]軸流壓縮機主要用于大型廠礦或隧道的通風等用途，其進氣端一般接環境大氣，氣流經過壓縮機后將直接被送進礦洞，生產廠家往往都配有模擬該工作環境的壓縮機熱試平臺，在壓縮機出廠前已完成對其喘振邊界的測試，設定了對應的近喘保護邊界，其結果完全用于實際使用場所。
[0004]然而，風洞回路中壓縮機的工作環境是封閉式的風洞回路，壓縮機壓縮后的氣體流經風洞回路又回到壓縮機入口再次進入壓縮機。傳統的喘振邊界測定方法并不適于這種場合，即使出廠前在熱試平臺上進行過喘振邊界測定，但其喘振邊界若直接用于實際使用場合，則會產生很大的偏差，由此可能導致對壓縮機喘振判斷的失誤，從而造成壓縮機及其下游設備損壞的嚴重后果。
【發明內容】
[0005]要解決的技術問題
[0006]為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種連續式跨聲速風洞喘振邊界測定方法，以達到避免連續式跨聲速風洞中的軸流式壓縮機發生喘振的目標。
[0007]技術方案
[0008]一種連續式跨聲速風洞喘振邊界測定方法，其特征在于:軸流式壓縮機安裝在連續式跨聲速風洞中，測定步驟如下:
[0009]步驟1:持續采集壓縮機來流的壓力、溫度，并計算出流經壓縮機的體積流量Q ;
[0010]步驟2:設定壓縮機和風洞的初始狀態，啟動壓縮機，按照設定的階梯增加壓縮機的轉速n，使其保持在目標轉速上運行；
[0011]步驟3:按照設定的階梯關閉風洞防喘旁路上的快速閥，在此過程中，如果壓縮機接近喘振時打開風洞防喘旁路上的快速閥，并記錄此刻的壓縮機轉速nl和靜葉角β 1，此時流經壓縮機的體積流量Ql即為壓縮機在轉速nl及靜葉角β I時的喘振點，若直到靜葉角到達目標值β I壓縮機仍未發生喘振，則進入步驟4 ;
[0012]步驟4:按照設定的階梯增加壓縮機靜葉角β，在此過程中，如果壓縮機接近喘振時打開風洞防喘旁路上的快速閥，并記錄此刻的壓縮機轉速n2和靜葉角β 2，此時流經壓縮機的體積流量Q2即為壓縮機在轉速η2及靜葉角β 2時的喘振點，若直到靜葉角到達目標值β 2壓縮機仍未發生喘振，壓縮機正常運行進入步驟5 ；
[0013]步驟5:減小對流經壓縮機的氣體流量影響較大的運動機構的開度，按照設定的階梯降低壓縮機氣體流量；在此過程中，如果壓縮機接近喘振時打開風洞防喘旁路上的快速閥、將運動機構歸回原位，并記錄此刻的壓縮機轉速η3和靜葉角β 3，此時流經壓縮機的體積流量Q3即為壓縮機在轉速η3及靜葉角β 3時的喘振點，若直到運動機構關閉至最小壓縮機仍未發生喘振，則說明風洞在壓縮機轉速η3和靜葉角β 3下可任意運行；
[0014]步驟6:將步驟3、步驟4和步驟5中所得到的所有喘振點連成線，得到壓縮機在目標轉速η時的喘振邊界。
[0015]所述壓縮機的接近喘振的判斷依據為:壓縮機排氣的壓力脈動幅值大于正常值的15%，或壓縮機軸振動幅值大于正常運行值的1.5倍。
[0016]有益效果
[0017]本發明提出的一種連續式跨聲速風洞喘振邊界測定方法，針對安裝在連續式跨聲速風洞中的軸流式壓縮機，可以實現對連續式跨聲速風洞中軸流式壓縮機的喘振邊界測定，并充分保證了該喘振邊界適用于風洞今后的運行工況。壓縮機與風洞連接后工作與壓縮機單獨工作時的結構共振點往往不一樣，在本發明提出的方法中，由于壓縮機與風洞本體已經處于連接狀態，故在喘振邊界測試時還能避免壓縮機的共振點偏移帶來的潛在危害。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1:壓縮機喘振點測試試驗流程圖
[0019]圖2:NF-6風洞原理圖及壓縮機、柵指、防喘旁路所在位置示意
[0020]圖3:風洞擴散段柵指逼喘運動示意圖
[0021]圖4:壓縮機出口壓力與速度的波形圖
[0022](a)正常工況時
[0023](b)喘振工況時
[0024]圖5:壓縮機軸振動曲線圖
[0025]圖6:壓縮機轉速n=1600rpm的喘振點測試數據
[0026]圖7:壓縮機轉速n=2100rpm的喘振點測試數據
[0027]圖8:壓縮機喘振邊界
[0028]I 一壓縮機，2 —風洞試驗段，3 —柵指，4 一防喘旁路快速閥，5 —風洞側壁，6 —氣流方向，7 —壓縮機入口振動分量，8 —壓縮機出口振動分量，9 一壓縮機在1600rpm靜葉角為40°時的喘振點測試數據，10 一壓縮機在1600rpm靜葉角為50°時的喘振點測試數據，11 一壓縮機在1600rpm靜葉角為60°時的喘振點測試數據，12 一壓縮機在1600rpm靜葉角為70。時的喘振點測試數據，13—壓縮機在1600rpm靜葉角為80°時的喘振點測試數據，14 一壓縮機在2100rpm靜葉角為55°時的喘振點測試數據，15 一壓縮機在2100rpm靜葉角為65。時的喘振點測試數據，16—壓縮機在2100rpm靜葉角為75°時的喘振點測試數據，17 一壓縮機在1600rpm時的喘振邊界，18 一壓縮機在2100rpm時的喘振邊界，19 一壓縮機在2524rpm時的喘振邊界，20 —壓縮機在2900rpm時的喘振邊界，21 —壓縮機在3000rpm時的喘振邊界，22 —壓縮機在3200rpm時的喘振邊界。
【具體實施方式】
[0029]現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述:
[0030]本發明實施例如下:
[0031]步驟1:激活風洞數據采集程序，對壓縮機來流的壓力、溫度等參數實施連續采集，并計算出流經壓縮機的體積流量Q，此步驟強調持續采集，直到整個試驗結束才可停止米集；
[0032]步驟2:設定壓縮機和風洞的初始狀態，啟動壓縮機，分階梯增加壓縮機轉速n，最終設法使其保持在目標轉速；
[0033]步驟3:分階梯、緩慢地關閉風洞防喘旁路上的快速閥，過程中注意觀察并及時判斷壓縮機是否接近喘振，若接近喘振則立即、快速打開風洞防喘旁路上的快速閥，并記錄此刻的壓縮機轉速nl和靜葉角β 1，此時流經壓縮機的體積流量Ql即為壓縮機在轉速nl及靜葉角β I時的喘振點，若直到靜葉角到達目標值β I壓縮機仍未發生喘振，則進入步驟4 ；
[0034]步驟4:分階梯、緩慢地增加壓縮機靜葉角β，最終達到目標角度，過程中注意觀察并及時判斷壓縮機是否接近喘振，若接近喘振則快速打開風洞防喘旁路上的快速閥，并記錄此刻的壓縮機轉速η2和靜葉角β 2，此時流經壓縮機的體積流量Q2即為壓縮機在轉速η2及靜葉角β 2時的喘振點，若直到靜葉角到達目標值β 2壓縮機仍未發生喘振，則進入步驟5 ；
[0035]步驟5:找出在風洞正式運行時，對流經壓縮機的氣體流量影響較大的運動機構，如第二喉道等機構，設法通過減小機構開度分階梯、緩慢地降低壓縮機氣體流量，過程中注意觀察并及時判斷壓縮機是否接近喘振，若接近喘振則快速打開風洞防喘旁路上的快速閥、將運動機構歸回原位，并記錄此刻的壓縮機轉速η3和靜葉角β 3，此時流經壓縮機的體積流量Q3即為壓縮機在轉速η3及靜葉角β 3時的喘振點，若直到運動機構關閉至最小壓縮機仍未發生喘振，則說明風洞在壓縮機轉速η3和靜葉角β 3下可任意運行；
[0036]步驟6:將步驟3、步驟4、步驟5中所得到的的所有喘振點連成線，即得到壓縮機在目標轉速η時的喘振邊界。
[0037]其中，在步驟3、步驟4、步驟5中所述，關于壓縮機是否接近喘振的判斷依據主要為:壓縮機排氣的壓力脈動幅值大于正常值的15%，或壓縮機軸振動幅值大于正常運行值的1.5倍。
[0038]具體實施例為:
[0039]對西北工業大學的NF-6風洞的壓縮機進行喘振邊界測定。該風洞為一座連續式跨聲速風洞，動力源為一臺軸流式壓縮機。
[0040]步驟(I):激活風洞數據采集程序，對壓縮機來流的壓力、溫度等參數實施連續采集，并計算出流經壓縮機的體積流量Q ；
[0041]步驟(2):將壓縮機靜葉角β設定為初始值30°，風洞防喘旁路閥全開，風洞柵指二喉道全開。啟動壓縮機，按照0，100，300，500，...，的順序分階梯逐漸增加轉速，最終達到并保持在目標轉速1600rpm ；
[0042]步驟(3):分階梯、緩慢地增加壓縮機靜葉角β，最終達到目標角度，過程中注意觀察并及時判斷壓縮機是否接近喘振，若接近喘振則快速打開風洞防喘旁路上的快速閥、將壓縮機靜葉角恢復初始位置，并記錄此刻的靜葉角β 4，此時流經壓縮機的體積流量Q4即為壓縮機在轉速1600rpm及靜葉角β 4時的喘振點，若直到靜葉角到達目標值β 4壓縮機仍未發生喘振，則進入下一步；
[0043]步驟(4):分階梯、緩慢地關閉風洞防喘旁路上的快速閥，過程中注意觀察并及時判斷壓縮機是否接近喘振，若接近喘振則立即、快速打開風洞防喘旁路上的快速閥，并記錄此刻的靜葉角β 5，此時流經壓縮機的體積流量Q5即為壓縮機在轉速1600rpm及靜葉角β 5時的喘振點，若直到靜葉角到達目標值β 5壓縮機仍未發生喘振，則進入下一步；
[0044]步驟(5):設法通過增加柵指的插入量，分階梯、緩慢地降低壓縮機氣體流量，過程中注意觀察并及時判斷壓縮機是否接近喘振，若接近喘振則快速打開風洞防喘旁路上的快速閥、將壓縮機靜葉角和柵指恢復初始位置，并記錄此刻的靜葉角β 6，此時流經壓縮機的體積流量Q6即為壓縮機在轉速1600rpm及靜葉角β 6時的喘振點，若直到運動機構關閉至最小壓縮機仍未發生喘振，則說明風洞在壓縮機轉速1600rpm和靜葉角β 6下可任意運行；
[0045]步驟(6):將步驟(3)、步驟(4)、步驟(5)中得到的所有喘振點連成線，即得到壓縮機在目標轉速1600rpm時的喘振邊界。
[0046]步驟(7):再實施步驟(1)至步驟(6)即可得到另外一個目標轉速下的喘振邊界，將所有目標轉速下的 喘振曲線統一起來，即得到風洞壓縮機的喘振邊界。
[0047]其中，在步驟(3)、步驟(4)、步驟(5)中所述，關于壓縮機是否接近喘振的判斷依據主要為:
[0048]判據(I):監控壓縮機出口的壓力和速度變化
[0049]壓縮機正常運行時，其出口壓力和速度的變化是有規律性地增加或降低，但在臨近喘振點工作時，壓縮機的出口壓力和速度都將呈現出大幅度的周期性脈動。圖3給出了NF-6風洞壓縮機在正常工作時和臨近喘振時，壓縮機出口的壓力P和速度velocity隨時間變化的波形圖。
[0050]判據(2):監控壓縮機機體和軸承振動情況
[0051]壓縮機正常運行時，壓縮機機體和軸承的振動振幅很小，但在臨近喘振點工作時，壓縮機組的振動將會加劇，機體和軸承的振幅明顯增大。圖4給出了 NF — 6風洞在進行某轉速下喘振邊界測試時所采集的壓縮機軸振動隨壓縮機轉速變化的曲線，根據本風洞的具體情況，認為當軸振動大于4mm/s時，壓縮機接近喘振。
[0052]判據(3):監控及聆聽壓縮機出口發出的氣流噪聲
[0053]壓縮機正常運行時，整個系統的噪聲是平穩連續的，但在臨近喘振點工作時，會出現周期性的“呼哧……呼哧……”的聲音，這時的分貝值也明顯增大。通常聲音的變化相比壓力、振動、流量、功率等要遲緩一些。
[0054]以上壓縮機喘振點測試步驟的試驗流程圖如圖5所示。
[0055]根據以上步驟，得到壓縮機轉速n=1600rpm的喘振點測試數據見圖6，壓縮機轉速n=2100rpm的喘振點測試數據見圖7。最終得到的壓縮機喘振邊界如圖8，該喘振邊界滿足了風洞運行要求，達到了試驗目的。
【權利要求】
1.一種連續式跨聲速風洞喘振邊界測定方法，其特征在于:軸流式壓縮機安裝在連續式跨聲速風洞中，測定步驟如下: 步驟1:持續采集壓縮機來流的壓力、溫度，并計算出流經壓縮機的體積流量Q ; 步驟2:設定壓縮機和風洞的初始狀態，啟動壓縮機，按照設定的階梯增加壓縮機的轉速n，使其保持在目標轉速上運行； 步驟3:按照設定的階梯關閉風洞防喘旁路上的快速閥，在此過程中，如果壓縮機接近喘振時打開風洞防喘旁路上的快速閥，并記錄此刻的壓縮機轉速nl和靜葉角β 1，此時流經壓縮機的體積流量Ql即為壓縮機在轉速nl及靜葉角β I時的喘振點，若直到靜葉角到達目標值β I壓縮機仍未發生喘振，則進入步驟4 ； 步驟4:按照設定的階梯增加壓縮機靜葉角β，在此過程中，如果壓縮機接近喘振時打開風洞防喘旁路上的快速閥，并記錄此刻的壓縮機轉速η2和靜葉角β 2，此時流經壓縮機的體積流量Q2即為壓縮機在轉速η2及靜葉角β 2時的喘振點，若直到靜葉角到達目標值β 2壓縮機仍未發生喘振，壓縮機正常運行進入步驟5 ； 步驟5:減小對流經壓縮機的氣體流量影響較大的運動機構的開度，按照設定的階梯降低壓縮機氣體流量；在此過程中，如果壓縮機接近喘振時打開風洞防喘旁路上的快速閥、將運動機構歸回原位，并記錄此刻的壓縮機轉速η3和靜葉角β 3，此時流經壓縮機的體積流量Q3即為壓縮機在轉速η3及靜葉角β 3時的喘振點，若直到運動機構關閉至最小壓縮機仍未發生喘振，則說明風洞在壓縮機轉速η3和靜葉角β 3下可任意運行； 步驟6:將步驟3、步驟4和步驟5中所得到的所有喘振點連成線，得到壓縮機在目標轉速η時的喘振邊界。
2.根據權利要求1所述連續式跨聲速風洞喘振邊界測定方法，其特征在于:所述壓縮機的接近喘振的判斷依據為:壓縮機排氣的壓力脈動幅值大于正常值的15%，或壓縮機軸振動幅值大于正常運行值的1.5倍。
【文檔編號】G01M9/00GK103852234SQ201410083994
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月10日 優先權日:2014年3月10日
【發明者】張正科, 高超, 郗忠祥, 張國彪, 周廷波, 郝禮書, 惠增宏, 李一濱, 武潔 申請人:西北工業大學
專業數控銑床產品供應商
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