離心壓縮機(jī)回流器葉片結(jié)構(gòu)對旋轉(zhuǎn)失速影響的試驗(yàn)研究

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司）

1 概述

目前限制壓縮機(jī)設(shè)計性能進(jìn)一步提高的一個重要因素是壓縮機(jī)常常出現(xiàn)的旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象。對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象是廣泛存在的，當(dāng)葉輪機(jī)械內(nèi)部流量較小時，進(jìn)氣沖角逐漸增大，氣流在葉片非工作面上發(fā)生邊界層分離，形成旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象[1-3]，如圖1所示。旋轉(zhuǎn)失速團(tuán)在葉輪流道內(nèi)沿著與葉輪相反的旋轉(zhuǎn)方向傳播，它限制機(jī)器的穩(wěn)定工作范圍，葉片經(jīng)過旋轉(zhuǎn)失速團(tuán)時受到交變應(yīng)力作用，會使葉片產(chǎn)生疲勞斷裂，影響風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行[4-6]。

圖1 旋轉(zhuǎn)失速的形成Fig.1 The cause of rotating stall

相關(guān)理論研究表明，旋轉(zhuǎn)失速團(tuán)的特征頻率為低頻，其頻率低于轉(zhuǎn)速頻率。當(dāng)壓縮機(jī)組發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時，該低頻信號產(chǎn)生，并且隨著流量的減小，其幅值不斷增大[7-12]?；诼晧盒盘栴l譜分析，未發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時其頻譜主要頻率成分為轉(zhuǎn)速頻率和葉片通過頻率及其相關(guān)倍頻，而發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速時會出現(xiàn)頻率較低的旋轉(zhuǎn)失速團(tuán)特征頻率。因此，可以通過分析流道內(nèi)部氣流頻率，來進(jìn)行旋轉(zhuǎn)失速方面的試驗(yàn)研究。這豐富了對壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象的認(rèn)識，為壓縮機(jī)組擴(kuò)穩(wěn)和安全運(yùn)行的設(shè)計和研究提供了試驗(yàn)依據(jù)。

2 試驗(yàn)裝置與測試系統(tǒng)

本試驗(yàn)在沈鼓離心壓縮機(jī)試驗(yàn)臺上進(jìn)行。選用試驗(yàn)葉輪為離心閉式葉輪，試驗(yàn)級數(shù)為單級，擴(kuò)壓器為無葉擴(kuò)壓器，在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)失速對比試驗(yàn)。一般情況下，在帶無葉擴(kuò)壓器的級中，旋轉(zhuǎn)失速團(tuán)常常首先出現(xiàn)在工作葉輪中，當(dāng)氣流由上一個部件流向后一個部件時，旋轉(zhuǎn)失速團(tuán)也沿著流道向后傳送[13-14]。因此本次試驗(yàn)采用PCB聲壓傳感器，在無葉擴(kuò)壓器流道內(nèi)A-A截面對氣流的聲壓信號進(jìn)行測量，經(jīng)處理轉(zhuǎn)換為頻率信號，通過頻譜分析完成對旋轉(zhuǎn)失速的試驗(yàn)研究[15]，如圖2所示。

圖2 測試截面說明圖Fig.2 The test section

本次試驗(yàn)研究不同結(jié)構(gòu)回流器在旋轉(zhuǎn)失速區(qū)的特征。在測量截面及其他條件完全相同的情況下進(jìn)行一組對比試驗(yàn)，分別測量不同結(jié)構(gòu)回流器在各個工況點(diǎn)的聲壓信號，研究回流器結(jié)構(gòu)對旋轉(zhuǎn)失速的影響，回流器結(jié)構(gòu)為單列葉片形式和雙列葉片形式，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 回流器葉片形式Fig.3 The return channel structure blade

本次試驗(yàn)的測試系統(tǒng)主要采用美國NI測試系統(tǒng)。流道內(nèi)部氣流的聲壓信號采用PCB聲壓傳感器測量，整個測試系統(tǒng)包括聲壓傳感器、NI數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)以及測試分析軟件。聲壓傳感器分辨率為0.00013kPa、靈敏度為725mV/kPa。測試系統(tǒng)流程為聲壓傳感器將流道內(nèi)部氣流的聲壓信號傳入NI數(shù)據(jù)采集卡，采集卡將采集到的數(shù)據(jù)傳入工控機(jī)中通過測試分析軟件進(jìn)行顯示，并在試驗(yàn)結(jié)束后對數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，得出相應(yīng)的頻譜圖。具體的試驗(yàn)系統(tǒng)框架圖見圖4。

圖4 測試系統(tǒng)Fig.4 The test system

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)試驗(yàn)臺情況，本次試驗(yàn)在4種轉(zhuǎn)速下，進(jìn)行不同回流器結(jié)構(gòu)對旋轉(zhuǎn)失速影響的對比試驗(yàn)。轉(zhuǎn)速由低到高分別標(biāo)記為轉(zhuǎn)速1，2，3，4。

3.1 旋轉(zhuǎn)失速的確定

根據(jù)相關(guān)理論研究，當(dāng)壓縮機(jī)組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)失速團(tuán)時，流道內(nèi)氣流會產(chǎn)生一組新的低于轉(zhuǎn)速頻率的低頻信號，即旋轉(zhuǎn)失速團(tuán)的特征頻率。在壓縮機(jī)組無葉擴(kuò)壓器處布置聲壓傳感器，測量流道內(nèi)氣流的聲壓信號，經(jīng)處理轉(zhuǎn)換為頻率信號。當(dāng)出現(xiàn)該低頻特征時，認(rèn)為此工況點(diǎn)已經(jīng)失速。由于轉(zhuǎn)子扭振、油膜渦動等也會形成轉(zhuǎn)子的低頻信號，可能會對試驗(yàn)測量產(chǎn)生影響，為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，排除機(jī)組其他條件的干擾，本次試驗(yàn)研究在轉(zhuǎn)子主軸處設(shè)置了一組電渦流傳感器，用于測量轉(zhuǎn)子的振動。測量過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流道內(nèi)氣流出現(xiàn)低頻特征時，轉(zhuǎn)子振動頻率依然只有轉(zhuǎn)速頻率，并未出現(xiàn)低頻信號，故可以排除轉(zhuǎn)子低頻信號對聲壓信號測量的干擾，該低頻特征由氣流產(chǎn)生，為旋轉(zhuǎn)失速特征頻率，該工況時機(jī)組已經(jīng)失速。

故通過測量機(jī)組流道內(nèi)氣流的聲壓信號，可以確定壓縮機(jī)組是否處于旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)。

3.2 旋轉(zhuǎn)失速特征頻率的幅值

為更好地對比不同回流器結(jié)構(gòu)對旋轉(zhuǎn)失速的影響，在同一運(yùn)行工況點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)失速特征的對比研究。

對比分析壓縮機(jī)在相同工況點(diǎn)下，單列和雙列回流器均處于旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)時，擴(kuò)壓器內(nèi)氣流的頻譜。轉(zhuǎn)速為4時，單列和雙列兩套試驗(yàn)裝置在76%流量點(diǎn)時均處于旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)，單列回流器旋轉(zhuǎn)失速特征頻率27.5Hz，為轉(zhuǎn)速頻率的11.7%，旋轉(zhuǎn)失速特征頻率的幅值3 419Pa，為轉(zhuǎn)速頻率幅值的18倍；雙列回流器旋轉(zhuǎn)失速特征頻率28.7Hz，為轉(zhuǎn)速頻率的12.2%，旋轉(zhuǎn)失速特征頻率的幅值841.6Pa，為轉(zhuǎn)速頻率幅值的6倍。由此可知單列回流器的旋轉(zhuǎn)失速特征頻率的頻率值與雙列接近，但其特征頻率的幅值遠(yuǎn)大于雙列，其頻譜圖如圖5所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)失速區(qū)氣流頻率幅值對比Fig.5 Amplitude of air flow frequency in rotating stall

不難看出，壓縮機(jī)在相同的工況下運(yùn)行，且均處于旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)時，不同的回流器結(jié)構(gòu)對旋轉(zhuǎn)失速特征頻率的頻率值基本沒有影響，但對其特征頻率的幅值存在一定的影響。

3.3 旋轉(zhuǎn)失速區(qū)的范圍

根據(jù)相關(guān)理論研究，壓縮機(jī)處于旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)時會產(chǎn)生低頻信號，故分析其頻譜即可確定壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)失速區(qū)的范圍。在4個試驗(yàn)轉(zhuǎn)速下，通過查找各工況點(diǎn)是否存在低頻信號，從而確定壓縮機(jī)組的旋轉(zhuǎn)失速起 始點(diǎn)，4個試驗(yàn)轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)失速區(qū)范圍如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)失速區(qū)范圍對比Fig.6 The range of rotating stall zone

圖6 中曲線為流量百分比與壓比的關(guān)系，圖中X軸為流量百分比，是不同工況下流量與設(shè)計點(diǎn)流量的比值，Y軸為壓縮機(jī)的單級壓比，曲線上方為單列回流器數(shù)據(jù)，下方為雙列回流器數(shù)據(jù)，陰影部分點(diǎn)為已經(jīng)失速。從圖6中可以看出，轉(zhuǎn)速1時，單列回流器的旋轉(zhuǎn)失速起始點(diǎn)約為74%設(shè)計點(diǎn)，而雙列回流器的旋轉(zhuǎn)失速起始點(diǎn)約為61%設(shè)計點(diǎn)。轉(zhuǎn)速2時，單列回流器的旋轉(zhuǎn)失速起始點(diǎn)約為75%設(shè)計點(diǎn)，而雙列回流器的旋轉(zhuǎn)失速起始點(diǎn)約為68%設(shè)計點(diǎn)。轉(zhuǎn)速3時，單列回流器的旋轉(zhuǎn)失速起始點(diǎn)約為89%設(shè)計點(diǎn)，而雙列回流器的旋轉(zhuǎn)失速起始點(diǎn)約為74%設(shè)計點(diǎn)。轉(zhuǎn)速4時，單列回流器的旋轉(zhuǎn)失速起始點(diǎn)約為90%設(shè)計點(diǎn)，而雙列回流器的旋轉(zhuǎn)失速起始點(diǎn)約為74%設(shè)計點(diǎn)。

由此可知，旋轉(zhuǎn)失速點(diǎn)的位置均隨著轉(zhuǎn)速的升高向設(shè)計點(diǎn)（100%流量點(diǎn)）靠近。而在旋轉(zhuǎn)失速范圍方面，單列回流器的旋轉(zhuǎn)失速區(qū)域大于雙列回流器，而且隨著轉(zhuǎn)速的升高，兩者的范圍差距更加明顯。

4 結(jié)論

此次試驗(yàn)主要研究了單級離心壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)失速情況，對比了單列與雙列回流器在旋轉(zhuǎn)失速區(qū)域的特性，得出以下結(jié)論：

1）通過在不同轉(zhuǎn)速下測量壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)失速，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)失速點(diǎn)的位置均隨著轉(zhuǎn)速的升高向設(shè)計點(diǎn)（100%流量點(diǎn)）靠近。與壓縮機(jī)在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)行工況范圍小相符合。

2）不同的回流器結(jié)構(gòu)對旋轉(zhuǎn)失速范圍存在一定的影響，單列回流器的旋轉(zhuǎn)失速區(qū)域大于雙列回流器，而且隨著轉(zhuǎn)速的升高，兩者的范圍差距更加明顯。

3）在旋轉(zhuǎn)失速特征頻率的幅值上，壓縮機(jī)在相同的運(yùn)行工況，并均處在旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)下，單列回流器旋轉(zhuǎn)失速特征頻率的幅值比雙列回流器大，幅值大小約為雙列回流器的3～5倍，說明不同的回流器結(jié)構(gòu)對旋轉(zhuǎn)失速特征頻率的頻率值基本沒有影響，但對旋轉(zhuǎn)失速特征頻率的幅值存在一定的影響。

4）使用聲壓傳感器對單級離心壓縮機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)失速試驗(yàn)，豐富了對壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)失速的認(rèn)識。為設(shè)計高性能、工作范圍寬的離心壓縮機(jī)提供了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和依據(jù)。

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