0.6m連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞AV90-3軸流壓縮機(jī)喘振邊界測(cè)試研究

周恩民,程 松,許 靖,劉 愷,張 文,熊 波,王儀田

(1.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心,四川 綿陽 621000; 2.陜鼓鼓風(fēng)機(jī)(集團(tuán))有限公司,西安 710075)

0 引 言

0.6m×0.6m連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞(簡(jiǎn)稱0.6m連續(xù)式風(fēng)洞)是中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心(CARDC)新建的一座連續(xù)式高速風(fēng)洞。該風(fēng)洞配置了主、輔兩套壓縮機(jī)，其中主壓縮機(jī)為AV90-3靜葉可調(diào)、三級(jí)軸流壓縮機(jī)，為風(fēng)洞的動(dòng)力系統(tǒng)，用于代替常規(guī)中壓氣源驅(qū)動(dòng)風(fēng)洞主回路的氣流流動(dòng)；輔壓縮機(jī)為E71-3離心壓縮機(jī)，用于跨聲速時(shí)的駐室抽氣。

喘振是軸流和離心壓縮機(jī)的固有特性。進(jìn)入喘振區(qū)后，若不能及時(shí)“脫喘”，將會(huì)導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)加劇，造成轉(zhuǎn)子與定子碰撞、機(jī)組毀壞的嚴(yán)重事故，故壓縮機(jī)嚴(yán)禁在喘振區(qū)工作。

因此，在連續(xù)式風(fēng)洞建成投入運(yùn)行前，必須首先測(cè)定壓縮機(jī)的喘振邊界，確定其在風(fēng)洞中的安全運(yùn)行范圍，并采取必要的防喘振措施，確保機(jī)組運(yùn)行安全和風(fēng)洞試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

在國內(nèi)，由于目前連續(xù)式高速風(fēng)洞數(shù)量較少，對(duì)這種特殊管網(wǎng)系統(tǒng)中壓縮機(jī)的喘振機(jī)理及喘振邊界的測(cè)試研究還很缺乏[1-2]。

本文針對(duì)0.6m連續(xù)式風(fēng)洞AV90-3軸流壓縮機(jī)的喘振邊界測(cè)試進(jìn)行研究，得出靜葉角度和進(jìn)氣壓力對(duì)喘振邊界的影響規(guī)律，并據(jù)此設(shè)置防喘振曲線，有效預(yù)防喘振發(fā)生。

1 壓縮機(jī)介紹

0.6m連續(xù)式風(fēng)洞結(jié)構(gòu)輪廓如圖1所示，其試驗(yàn)段截面尺寸：0.6m×0.6m；穩(wěn)定段總壓：p0=(0.15～2.5)×105Pa；試驗(yàn)段設(shè)計(jì)馬赫數(shù)：M=0.2～1.6；試驗(yàn)雷諾數(shù):Re=(0.1～2.25)×106(參考長(zhǎng)度c=0.06m)。

圖1 0.6m連續(xù)式風(fēng)洞輪廓圖

1.1主壓縮機(jī)概況

主壓縮機(jī)位于風(fēng)洞第一拐角段和第二拐角段之間，由2臺(tái)2500kW的電動(dòng)機(jī)同步拖動(dòng)，設(shè)計(jì)最高壓比1.475，最高轉(zhuǎn)速3600r/min，轉(zhuǎn)速控制精度≤0.03％，靜葉角可調(diào)范圍46°～76°。為防止喘振發(fā)生，從主壓縮機(jī)出口到入口之間設(shè)置有防喘振旁路，安裝有2個(gè)可以快速開啟的防喘振閥。

1.2喘振機(jī)理

當(dāng)軸流壓縮機(jī)入口流量小于某個(gè)值時(shí)，葉片上就會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)“失速”，失速區(qū)壓力下降[2]。失速進(jìn)一步加劇，就會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)氣流沿軸向產(chǎn)生劇烈、大幅振蕩，即“喘振”的發(fā)生。

喘振的發(fā)生除了與壓縮機(jī)內(nèi)部流動(dòng)的惡化有關(guān)外，還與管網(wǎng)系統(tǒng)的特性密切相關(guān)。常規(guī)的高爐鼓風(fēng)、空分等工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，喘振主要是由于管網(wǎng)阻力增加，壓縮機(jī)后部管道“憋壓”，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行工況點(diǎn)向小流量方向移動(dòng)，最終進(jìn)入喘振區(qū)。而連續(xù)式風(fēng)洞是一種特殊的管網(wǎng)，風(fēng)洞與壓縮機(jī)形成閉環(huán)回路，壓縮機(jī)后部一般不會(huì)“憋壓”，但是風(fēng)洞試驗(yàn)過程中，二喉道面積、模型迎角等參數(shù)的改變，會(huì)直接引起壓縮機(jī)入口流量的變化，從而帶來壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化，導(dǎo)致運(yùn)行工況十分復(fù)雜、多變，稍有不慎極易進(jìn)入喘振區(qū)，引起喘振。

2 測(cè)試方法

每次試驗(yàn)前，首先將風(fēng)洞穩(wěn)定段總壓、主壓縮機(jī)靜葉角和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到試驗(yàn)工況，然后慢慢關(guān)閉防喘振閥。如果喘振未發(fā)生，再調(diào)節(jié)二喉道面積，逐步減小主壓縮機(jī)進(jìn)氣流量，直至喘振現(xiàn)象出現(xiàn)。

測(cè)試過程按照風(fēng)洞穩(wěn)定段總壓范圍被劃分為常壓、增壓、負(fù)壓3個(gè)階段。

2.1喘振判別

喘振發(fā)生時(shí)，壓縮機(jī)會(huì)伴隨有持續(xù)的低頻噪聲、機(jī)組振動(dòng)顯著增大、進(jìn)排氣壓力振蕩等現(xiàn)象。因此，與之對(duì)應(yīng)的喘振判別方法主要有聽噪聲法[3]、測(cè)振動(dòng)法[3-4]和測(cè)壓力波動(dòng)法[5]。由于低頻噪聲在喘振發(fā)生之前就會(huì)產(chǎn)生，且判別主要依靠測(cè)試人員的經(jīng)驗(yàn)和主觀意識(shí)，故方法一不夠準(zhǔn)確；而振動(dòng)增大是深度喘振時(shí)的反應(yīng)，稍有不慎，極易損壞機(jī)組，所以方法二風(fēng)險(xiǎn)很大。

因此，采用方法三，在主壓縮機(jī)進(jìn)、排氣壓力測(cè)點(diǎn)處各引接1個(gè)精密壓力表，喘振瞬間發(fā)生時(shí)，進(jìn)、排氣壓力會(huì)立即波動(dòng)，引起壓力表指針擺動(dòng)，可以準(zhǔn)確測(cè)試出喘振點(diǎn)。

2.2數(shù)據(jù)采集處理

如圖2所示，在每一測(cè)試轉(zhuǎn)速，主要采集“逼喘”過程中4個(gè)典型工況點(diǎn)的進(jìn)氣體積流量Q(m3·min-1)和壓比ε。其中：工況點(diǎn)1為防喘振閥全關(guān)的測(cè)試點(diǎn)；工況點(diǎn)2為測(cè)試出的失速開始點(diǎn)(即壓比ε不再隨進(jìn)氣體積流量Q減小而增大，開始下降的工況點(diǎn))或喘振點(diǎn)；工況點(diǎn)3為失速或喘振臨界點(diǎn)(流量約為工況點(diǎn)2的102％)；工況點(diǎn)4為工況點(diǎn)1和3之間的壓比平均點(diǎn)。

圖2 測(cè)試工況點(diǎn)

將不同轉(zhuǎn)速下測(cè)試到的失速開始點(diǎn)或喘振點(diǎn)用光滑曲線相連即得到主壓縮機(jī)的喘振邊界線。

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1靜葉角對(duì)喘振邊界的影響

在風(fēng)洞穩(wěn)定段總壓為常壓(95kPa)條件下，調(diào)節(jié)主壓縮機(jī)靜葉角進(jìn)行試驗(yàn)。圖3～5分別為46°、66°和76°靜葉角下的測(cè)試結(jié)果。

從圖3～5可以看出：靜葉角對(duì)喘振點(diǎn)和喘振邊界的影響很大，靜葉角增大后，同一轉(zhuǎn)速下喘振點(diǎn)的流量和壓比增大，喘振邊界線向右上方拉伸。結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)可以看出，與66°設(shè)計(jì)靜葉角相比，46°和76°靜葉角下，3600r/min時(shí)的喘振點(diǎn)流量變化已超過20％。

圖3 46°靜葉角喘振邊界測(cè)試結(jié)果(95kPa)

圖4 66°靜葉角喘振邊界測(cè)試結(jié)果(95kPa)

圖5 76°靜葉角喘振邊界測(cè)試結(jié)果(95kPa)

表1靜葉角對(duì)喘振點(diǎn)的影響

Table1Theeffectofstaticbladeangleonsurgepoint

靜葉角/(°)1500r/min2500r/min3600r/min流量/(m3·min?1)壓比流量/(m3·min?1)壓比流量/(m3·min?1)壓比461642．21．0812827．01．2234441．11．460662016．11．1063468．01．3185625．71．740762191．31．1163899．61．3537021．61．844

3.2進(jìn)氣壓力對(duì)喘振邊界的影響

3.2.1增壓的影響

進(jìn)氣壓力增大后，負(fù)載增大，受驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率限制，在穩(wěn)定段總壓為150和250kPa時(shí)，最高轉(zhuǎn)速分別只測(cè)試到了3000和2500r/min。

結(jié)合圖6和7可以看出，增壓對(duì)喘振點(diǎn)的影響很小。與常壓相比，流量和壓比的變化均小于1％，增壓時(shí)的喘振邊界與常壓時(shí)基本重合。這主要是因?yàn)樵鰤汉?，雖然流經(jīng)葉柵的Re數(shù)隨之增大1.5～2.5倍，但其對(duì)葉柵的擾流特性并沒有產(chǎn)生大的影響。

圖6 增壓條件下喘振點(diǎn)流量的變化

圖7 增壓條件下喘振邊界的變化

3.2.2負(fù)壓的影響

由圖8可以看出，穩(wěn)定段總壓50kPa時(shí)的喘振邊界與常壓時(shí)基本重合；而15kPa時(shí)的喘振邊界與常壓相比略向右下方移動(dòng)。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，在3000 r/min時(shí)喘振點(diǎn)的流量最大增大了3.8％，這主要是因?yàn)?5kPa時(shí)流經(jīng)葉柵的Re數(shù)隨之減小到常壓時(shí)的1/6左右，Re數(shù)很小，導(dǎo)致葉柵失速提前。

圖8 負(fù)壓條件下喘振邊界的變化

表2負(fù)壓條件下喘振點(diǎn)流量和壓比的變化

Table2Thechangeofsurgepoint’sinletflowandpressureratiobelowatmosphericpressuret

總壓(kPa)1500r/min2500r/min3000r/min3600r/min流量(m3/min)壓比流量(m3/min)壓比流量(m3/min)壓比流量(m3/min)壓比152036．41．1033530．41．3064476．71．4675704．41．735502030．31．1033461．51．3124334．31．4735693．31．738952016．11．1063468．01．3184311．11．4805625．71．740

3.3實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比

以66°靜葉角為例，將主壓縮機(jī)的實(shí)測(cè)喘振邊界線與計(jì)算預(yù)測(cè)的喘振邊界線進(jìn)行對(duì)比分析。

圖9 實(shí)測(cè)喘振邊界線與預(yù)測(cè)喘振邊界線的對(duì)比

由圖9可以看出，實(shí)測(cè)喘振邊界線與氣動(dòng)計(jì)算預(yù)測(cè)出的喘振邊界線趨勢(shì)一致，偏差較小，證明主壓縮機(jī)氣動(dòng)計(jì)算結(jié)果比較可靠。

這個(gè)愿望就是全部的動(dòng)力，而顧青，對(duì)她是真的好。會(huì)把大塊的肉夾給她，自己只吃米飯和蔬菜，會(huì)在回家時(shí)帶一些水果和零食，只是最便宜的東西，但溫簡(jiǎn)也覺得是被寵愛的，他用了他所有的能力來待她好。

盡管如此，為確保機(jī)組運(yùn)行安全，仍需在實(shí)測(cè)喘振邊界線的基礎(chǔ)上進(jìn)行喘振預(yù)防，計(jì)算預(yù)測(cè)出的喘振邊界線可以作為輔助參考。

3.4喘振時(shí)的現(xiàn)象

測(cè)試中發(fā)現(xiàn)主壓縮機(jī)各工況點(diǎn)喘振發(fā)生時(shí)的現(xiàn)象存在一定的共性和差異。共性表現(xiàn)為喘振發(fā)生前，壓縮機(jī)都會(huì)發(fā)出持續(xù)的低頻噪聲，但機(jī)組的振動(dòng)均未產(chǎn)生明顯變化。差異表現(xiàn)為常壓、增壓和負(fù)壓50kPa條件下，轉(zhuǎn)速小于2000r/min時(shí)，機(jī)組先失速，后喘振；轉(zhuǎn)速大于2000r/min時(shí)，沒有測(cè)試到明顯的失速點(diǎn)，喘振會(huì)突然發(fā)生。而負(fù)壓15kPa條件下，各轉(zhuǎn)速均測(cè)試到了明顯的失速點(diǎn)，特別是2000r/min以下，失速區(qū)非常大，直至將二喉道面積調(diào)至最小，也未測(cè)試到喘振點(diǎn)；在2000r/min以上，雖然測(cè)試到了喘振點(diǎn)，但由于風(fēng)洞回路中的能量很小，因此喘振發(fā)生時(shí)壓力表指針的擺動(dòng)非常緩慢，幅度也很小。

這些現(xiàn)象的產(chǎn)生，主要是由流經(jīng)主壓縮機(jī)葉柵的Re數(shù)變化和其自身葉型的特性決定的，特別是壓力減小和轉(zhuǎn)速降低引起Re數(shù)減小較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致失速提前。

4 喘振預(yù)防

4.1防喘振曲線設(shè)置

由3.1節(jié)的分析可以看出，靜葉角對(duì)主壓縮機(jī)喘振邊界的影響很大，因此風(fēng)洞試驗(yàn)中用到的每一個(gè)靜葉調(diào)節(jié)角度，必須設(shè)置相應(yīng)的防喘振曲線。

由3.2節(jié)的分析可以看出，進(jìn)氣壓力引起的喘振點(diǎn)流量變化很小，最大變化3.8％，其余均小于2％，因此可以統(tǒng)一采用常壓下的防喘振曲線進(jìn)行喘振預(yù)防。

以下以66°設(shè)計(jì)靜葉角為例，對(duì)防喘振曲線的設(shè)置方法進(jìn)行說明，其它靜葉角依此類推。如圖10所示，將主壓縮機(jī)在常壓、66°靜葉角工況測(cè)試出的性能曲線右下方比喘振點(diǎn)流量大10％的工況點(diǎn)用光滑的曲線相連，就得到報(bào)警線；將比喘振點(diǎn)流量大5％的工況點(diǎn)用光滑的曲線相連，就得到防喘振線，即留有5％的喘振裕度。

圖10 報(bào)警線、防喘振曲線設(shè)置

4.2防喘振措施

工業(yè)上常用的壓縮機(jī)防喘振措施是放空和打回流，但是針對(duì)連續(xù)式風(fēng)洞的特殊情況，有效的方法是旁通回流[6-7]。

假設(shè)報(bào)警線函數(shù)為：ε報(bào)警=f1(Q)，防喘振線函數(shù)為：ε防喘=f2(Q)。

在風(fēng)洞試驗(yàn)過程中，如果主壓縮機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)實(shí)測(cè)壓比小于該流量下對(duì)應(yīng)的報(bào)警壓比，即ε<ε報(bào)警時(shí)，機(jī)組運(yùn)行安全；當(dāng)二喉道面積和模型迎角等參數(shù)改變，導(dǎo)致運(yùn)行工況點(diǎn)越過報(bào)警線，即ε≥ε報(bào)警時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息，提示操作人員注意；如果工況點(diǎn)再向左移動(dòng)，越過防喘振線，即ε≥ε防喘時(shí)，控制系統(tǒng)將自動(dòng)打開風(fēng)洞防喘振旁路上的防喘振閥，增大進(jìn)氣流量，使主壓縮機(jī)迅速遠(yuǎn)離喘振區(qū)運(yùn)行，確保機(jī)組安全。

4.3防喘振效果

在0.6m連續(xù)式風(fēng)洞綜合性能調(diào)試過程中，多次出現(xiàn)工況點(diǎn)越過報(bào)警線和防喘振線的情況，機(jī)組控制系統(tǒng)均及時(shí)、自動(dòng)進(jìn)行了報(bào)警和防喘振閥打開操作，保證了機(jī)組運(yùn)行安全，證明采取的防喘振措施是可行、有效的。

5 結(jié) 論

通過0.6m連續(xù)式風(fēng)洞AV90-3軸流壓縮機(jī)喘振邊界的測(cè)試，摸索出了一套行之有效的喘振邊界測(cè)試方法，獲得的試驗(yàn)結(jié)果和試驗(yàn)規(guī)律可以為后續(xù)大型連續(xù)式風(fēng)洞壓縮機(jī)的研制和調(diào)試提供一定的借鑒和參考。

(1) 靜葉角改變后，主壓縮機(jī)喘振邊界會(huì)發(fā)生較大偏移。風(fēng)洞試驗(yàn)中使用的靜葉角，必須設(shè)置相應(yīng)的防喘振曲線。

(2) 主壓縮機(jī)增壓和負(fù)壓下的喘振邊界與常壓時(shí)基本重合，可以統(tǒng)一采用常壓下的防喘振曲線進(jìn)行監(jiān)控，即對(duì)進(jìn)氣壓力可以不做修正。

(3) 將進(jìn)氣體積流量作為防喘振的控制參數(shù)，通過設(shè)置留有5％喘振裕度的防喘振線，采取旁通回流的措施，可以有效預(yù)防喘振發(fā)生，保證機(jī)組運(yùn)行安全。

(4) 大型連續(xù)式風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)的葉片尺寸和葉型會(huì)產(chǎn)生較大變化，增壓、負(fù)壓以及轉(zhuǎn)速降低引起的Re數(shù)變化對(duì)壓縮機(jī)失速點(diǎn)、喘振點(diǎn)和喘振邊界的影響程度還需通過喘振邊界測(cè)試加以驗(yàn)證和研究。

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作者簡(jiǎn)介:

周恩民(1980-)，男，山東招遠(yuǎn)人，工程師。研究方向：連續(xù)式風(fēng)洞動(dòng)力系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)研究。通信地址：四川綿陽中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心(621000)。E-mail：zhouenmin@sina.com