離心壓縮機(jī)喘振特性及噴射擴(kuò)穩(wěn)研究

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司 壓縮機(jī)技術(shù)國家重點實驗室，合肥 230031）

0 引言

現(xiàn)代離心壓縮機(jī)普遍具有寬工況高性能需求，其內(nèi)部流動現(xiàn)象復(fù)雜。失速和喘振因其流動機(jī)制的復(fù)雜性和后果的嚴(yán)重性，已成為限制寬工況寬高壓縮機(jī)研發(fā)的核心問題之一，為此深入研究喘振機(jī)理、拓寬壓縮機(jī)穩(wěn)定工作范圍是亟待解決的關(guān)鍵問題。

早在1955年，Emmons等［1］在離心壓縮機(jī)實驗中發(fā)現(xiàn)了兩種不同的喘振現(xiàn)象，即發(fā)生在靠近特性曲線最高點正斜率部分的輕度喘振和更低流量點的深度喘振，在轉(zhuǎn)速較低處，這兩種喘振現(xiàn)象中間存在一個無喘振區(qū)，但在轉(zhuǎn)速較高時，兩個喘振區(qū)重合，無喘振區(qū)消失，研究表明離心壓縮機(jī)的失速和喘振特性比軸流壓縮機(jī)要復(fù)雜得多。之后有關(guān)離心壓縮機(jī)喘振的研究大量展開。1988年，麻省理工的Fink［2］對某渦輪增壓器進(jìn)行了詳細(xì)的失速和喘振數(shù)據(jù)測量，研究了增壓器后帶不同體積容腔對喘振特性的影響，認(rèn)為誘導(dǎo)輪葉尖處的失速是引起喘振的關(guān)鍵因素。1999年，Ribi等［3］研究了輕度喘振情況下壓縮機(jī)與附屬管路間的能量交換問題，結(jié)果表明，輕度喘振情況下各部件對能量輸入的貢獻(xiàn)主要取決于各自穩(wěn)態(tài)特性曲線的斜率。Hiradate等［4］對多級離心壓縮機(jī)的喘振展開實驗研究，指出級間耦合會改變系統(tǒng)穩(wěn)定性，某級流動的失穩(wěn)會誘發(fā)系統(tǒng)輕喘。由于失速與喘振密切相關(guān)，且失速往往發(fā)生于喘振前，因此目前喘振研究較多關(guān)注與失速相關(guān)的輕度喘振。

目前離心壓縮機(jī)延遲喘振、拓寬喘振裕度的方法可分為被動控制和主動控制兩類，被動控制方法主要就是機(jī)匣處理。1975年，Amann等［5］對某車用渦輪增壓器的研究發(fā)現(xiàn)，有葉擴(kuò)壓器內(nèi)的失速限制了壓縮機(jī)工作范圍，在葉輪出口蓋側(cè)開周向槽且其后接氣腔，對拓寬穩(wěn)定性范圍有益。Jansen等［6］發(fā)現(xiàn)離心壓縮機(jī)工作范圍在低速時主要受誘導(dǎo)輪控制，而在高速時受有葉擴(kuò)壓器控制，于是研究了葉輪入口蓋側(cè)的軸向槽和擴(kuò)壓器入口盤側(cè)的徑向斜槽對穩(wěn)定性的影響，工況范圍擴(kuò)展了近30%。Fisher等［7］采用入口自循環(huán)放氣的方法，適當(dāng)選擇放氣位置，如誘導(dǎo)輪喉部之后，可實現(xiàn)減小喘振流量的同時增加堵塞流量。之后有關(guān)離心壓縮機(jī)機(jī)匣處理的研究大量開展。主動控制方法最早應(yīng)用于軸流壓縮機(jī)，Lim等［8］在一低速軸流壓縮機(jī)上比較了連續(xù)噴射和間斷噴射的效果，與連續(xù)噴射相比受控制的間斷噴射可額外提升喘振裕度，同時減少噴射空氣總量。針對離心壓縮機(jī)方面，噴射口一般布置于葉輪進(jìn)口或擴(kuò)壓器進(jìn)口前。Skoch［9］研究了某離心壓縮機(jī)擴(kuò)壓器入口處氣流切向噴射的擴(kuò)穩(wěn)效果，結(jié)果表明于擴(kuò)壓器葉排的入口氣流攻角減小是氣流噴射拓寬穩(wěn)定工況范圍的原因。Halawa等［10］研究了不同噴射質(zhì)量流量和角度對改善離心式壓縮機(jī)喘振裕度的影響。Hirano等［11］使用周向錯開角度的兩根噴管在葉輪機(jī)匣進(jìn)口噴氣，研究了周向相對位置對擴(kuò)穩(wěn)效果的影響。國內(nèi)目前少有離心壓縮機(jī)噴射擴(kuò)穩(wěn)的文獻(xiàn)，相關(guān)試驗研究有待開展。

本文建立了離心壓縮機(jī)工況動態(tài)特性監(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)行了喘振動態(tài)特性試驗?；谠撓到y(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)了主動控制機(jī)匣噴射擴(kuò)穩(wěn)方案，研究了不同噴射孔數(shù)和噴射流量對擴(kuò)穩(wěn)效果的影響。

1 喘振特性試驗

1.1 動態(tài)特性監(jiān)測系統(tǒng)

離心壓縮機(jī)動態(tài)特性監(jiān)測系統(tǒng)主要由變頻電機(jī)、增速齒輪箱、軸承箱、壓縮機(jī)主機(jī)、進(jìn)排氣管道、油路系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。該系統(tǒng)具有測量壓縮機(jī)實時性能參數(shù)和振動數(shù)據(jù)、變轉(zhuǎn)速和變負(fù)荷調(diào)節(jié)等功能。

圖1 工況特性監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 The monitoring system of working conditions

離心壓縮機(jī)采用半開式徑向葉輪，為單級懸臂結(jié)構(gòu)，葉片數(shù)16，采用無葉擴(kuò)壓器，設(shè)計轉(zhuǎn)速為14 250 r/min。試驗臺設(shè)計為開式系統(tǒng)，當(dāng)壓縮機(jī)工作時，處于室溫狀態(tài)的大氣進(jìn)入進(jìn)氣管道，經(jīng)壓縮后的氣體經(jīng)過出口管道和排氣電動閥，最終排入大氣。進(jìn)排氣管道布置溫度和壓力傳感器，排氣管道上設(shè)計孔板流量計以測量壓縮機(jī)流量。在變頻電機(jī)和增速齒輪箱之間安裝有扭矩儀用于測量主機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩，同時在壓縮機(jī)主軸安裝有軸振動傳感器，配合溫度傳感器等儀器對試驗系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測。采用美國NI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自主開發(fā)數(shù)采和控制程序，實現(xiàn)離心壓縮機(jī)溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速、扭矩等性能參數(shù)的測試，同時利用該系統(tǒng)對壓縮機(jī)的執(zhí)行部件如電動閥等進(jìn)行控制。

1.2 喘振特性

喘振監(jiān)測是主動擴(kuò)穩(wěn)的基礎(chǔ)，研究通過對離心壓縮機(jī)喘振工況下進(jìn)排氣壓力、流量等參數(shù)的測試分析，獲得壓縮機(jī)喘振發(fā)生前后特征參數(shù)的變化規(guī)律。通過數(shù)采系統(tǒng)控制排氣壓力調(diào)節(jié)閥的開度實現(xiàn)喘振工況，使壓縮機(jī)由正常工作狀態(tài)進(jìn)入喘振區(qū)，同時分別記錄壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速、進(jìn)排氣流量、溫度與壓力，再通過閥門調(diào)節(jié)退出喘振狀態(tài)，由此可獲得各個轉(zhuǎn)速的喘振臨界點。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速改變工況曲線，可得到離心壓縮機(jī)全轉(zhuǎn)速工況的喘振邊界。圖2示出離心壓縮機(jī)在轉(zhuǎn)速為14 750 r/min時，由穩(wěn)定工況進(jìn)入喘振工況和由喘振工況退出過程中的動態(tài)壓力波形。從圖2（a）中可以看出壓縮機(jī)系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時，進(jìn)氣壓力和排氣壓力的波動幅值較小，波形表現(xiàn)出一定的隨機(jī)特性。當(dāng)壓縮機(jī)從穩(wěn)態(tài)進(jìn)入喘振工況時，進(jìn)出口壓力波動幅度變大，并表現(xiàn)出一定的周期特性。出口壓力脈動幅度大大高于進(jìn)口壓力脈動，排氣壓力脈動峰峰值為0.027 2 MPa，進(jìn)氣壓力脈動峰峰值為0.008 8 MPa。喘振時，壓縮機(jī)進(jìn)口管段出現(xiàn)顯著的倒流現(xiàn)象，喘振頻率約為5.5 Hz。喘振時進(jìn)出口壓力脈動的平均值均低于穩(wěn)定工況的相應(yīng)壓力值。進(jìn)氣管道流動進(jìn)入深度喘振的起始時刻要落后于排氣管道進(jìn)入深度喘振的起始時刻，退喘時則相反。

圖3分別示出壓縮機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下喘振時進(jìn)排氣壓力的脈動波形。由圖可以看出，轉(zhuǎn)速越高，喘振時進(jìn)排氣壓力的脈動幅值也越大。在8 680 r/min時，進(jìn)、排氣壓力的脈動峰峰值約為0.002 9，0.009 5 MPa，隨著轉(zhuǎn)速的升高，在 10 700，12 690，14 750 r/min時進(jìn)氣壓力的脈動幅值分別為0.004 4，0.00 6，0.008 9 MPa；排氣壓力的脈動幅值分別為0.013 7，0.020 4，0.026 3 MPa。通過頻譜分析，在此4 個轉(zhuǎn)速下的喘振頻率分別為 6.3，6.1，5.8，5.5 Hz，隨著轉(zhuǎn)速的升高，壓縮機(jī)的喘振頻率略有降低。

2 噴射擴(kuò)穩(wěn)試驗

2.1 主動控制機(jī)匣噴射（ACCI）系統(tǒng)

針對目前離心壓縮機(jī)擴(kuò)穩(wěn)以機(jī)匣處理被動方式為主的情況，基于上述試驗系統(tǒng)提出了主動控制機(jī)匣噴射擴(kuò)穩(wěn)方案，如圖4所示。當(dāng)試驗臺終端顯示壓縮機(jī)進(jìn)出口流量及壓力出現(xiàn)顯著波動時，2種方案可供選擇，其一是打開防喘控制閥，退出喘振工況；另一方案是打開主動控制系統(tǒng)，通過從葉輪機(jī)匣表面的一圈小孔射入高壓氣體沖走端壁區(qū)域低能量流體，實現(xiàn)退喘。開孔機(jī)匣結(jié)構(gòu)如圖5所示，高壓空氣由金屬軟管引至機(jī)匣外部的環(huán)形腔內(nèi)，再由機(jī)匣內(nèi)側(cè)的小孔射入葉輪流道中。機(jī)匣一側(cè)的流場在葉輪流道拐彎后易出現(xiàn)流動分離，因此將小孔布設(shè)于葉輪子午流道曲率最大位置，通過噴氣抑制流動分離，改善該區(qū)域通流狀況?？讖綖? mm，孔軸線與葉輪軸線平行，通過封閉部分小孔可改變噴射孔的數(shù)目。

圖4 主動控制噴射擴(kuò)穩(wěn)系統(tǒng)Fig.4 The stability enhancement system with active control casing injection

圖5 機(jī)匣噴射結(jié)構(gòu)Fig.5 Configuration of casing injection

2.2 擴(kuò)穩(wěn)性能

氣流的射入會對壓縮機(jī)的流動特性產(chǎn)生影響，在相同的前蓋板結(jié)構(gòu)下，對不同數(shù)目噴射孔時的離心壓縮機(jī)工作性能進(jìn)行了測量。圖6示出噴射條件下實測的離心壓縮機(jī)擴(kuò)穩(wěn)效果，橫坐標(biāo)為壓縮機(jī)進(jìn)口的體積流量，縱坐標(biāo)為壓縮機(jī)出口管路測量的表壓。

圖6 不同開孔數(shù)目下的擴(kuò)穩(wěn)效果Fig.6 Effect of hole numbers on stability enhancement

表1所列為擴(kuò)穩(wěn)量和壓力提升的具體數(shù)值?？刂茋娚錃怏w流量為2.5 Nm3/min，壓力為0.45 MPa。由圖可以看出，機(jī)匣噴射能夠顯著地減小離心壓縮機(jī)的最小流量，增大壓縮機(jī)的穩(wěn)定運行工況范圍。

表1 不同開孔數(shù)目和轉(zhuǎn)速下的擴(kuò)穩(wěn)效果Tab.1 Stability enhancement with different hole numbers and rotational speeds

擴(kuò)穩(wěn)量Δφ定義為:

在開孔數(shù)目為8時，隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，擴(kuò)穩(wěn)效果降低，在轉(zhuǎn)速為10 580 r/min時，擴(kuò)穩(wěn)效果為29.26%，而隨著轉(zhuǎn)速的升高，當(dāng)轉(zhuǎn)速為12 650，14 730 r/min時，其擴(kuò)穩(wěn)效果降低為24.44%和9.36%。對于其它的開孔數(shù)目，也存在相同的趨勢。同時，由圖還可以看出，由于主動控制噴射系統(tǒng)的作用，壓縮機(jī)穩(wěn)定工況范圍在擴(kuò)大的同時，其排氣壓力也有了進(jìn)一步的提升。在開孔數(shù)目為8時，對于 10 580，12 650，14 730 r/min 的轉(zhuǎn)速，離心壓縮機(jī)的排氣壓力分別提高了7.8%，5.8%，7.2%。

圖7所示為開孔數(shù)目為4，噴射氣體流量分別為1，1.8，2.5 Nm3/min時的擴(kuò)穩(wěn)效果，橫縱坐標(biāo)的定義同圖5，上述噴射量分別為設(shè)計流量的1.8%，3.2%，4.5%。

圖7 噴射量對擴(kuò)穩(wěn)效果的影響（4孔）Fig.7 Effect of injection rate on stability enhancement（4 holes）

由圖可以看出，在噴射量為2.5 Nm3/min時擴(kuò)穩(wěn)效果要比噴射量較小時的擴(kuò)穩(wěn)效果明顯。但壓縮機(jī)的排氣壓力隨噴射量的增大無顯著升高。在10 580 r/min轉(zhuǎn)速下，隨噴射流量增大壓縮機(jī)的擴(kuò)穩(wěn)量分別為23.6%，25.5%，32.3%，在12 650 r/min轉(zhuǎn)速下，相應(yīng)的擴(kuò)穩(wěn)量分別為6.2%，11.2%，12.1%，在14 730 r/min轉(zhuǎn)速下擴(kuò)穩(wěn)量相對較小。

開孔數(shù)量為16時的擴(kuò)穩(wěn)和壓力提升效果與開孔數(shù)量為4時差異不大，在10 580，12 650 r/min轉(zhuǎn)速下，隨噴射量的增大壓縮機(jī)擴(kuò)穩(wěn)量逐漸增加，而排氣壓力增加不明顯。

2.3 小孔噴射流場

試驗測試只能獲得外特性數(shù)據(jù)，為分析小孔噴射的擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理，展開了相關(guān)數(shù)值研究。針對16孔的壓縮機(jī)機(jī)匣噴射，建立了數(shù)值分析模型，流動網(wǎng)格由21塊H型網(wǎng)格拼接而成，如圖8所示。計算由定常流場初始化，流道每劃過一個孔流場變化一個周期，期間設(shè)置30個物理時間步。圖9所示為一周期內(nèi)不同時刻流道中間切面的相對總壓云圖，由圖可見小孔噴射的流道區(qū)域相對總壓較周圍更高，而當(dāng)該區(qū)域遠(yuǎn)離小孔時，低總壓范圍延伸至該處，損失增大。噴射氣流吹散機(jī)匣附近的低能量流體，改善了流動狀況。

圖8 小孔噴射流場網(wǎng)格Fig.8 Computational mesh of the flow field with hole injection

圖9 不同時刻流道中間切面的相對總壓分布Fig.9 Distribution of relative total pressure in the middle of flow passage at different moments

3 結(jié)論

（1）出口壓力脈動幅度遠(yuǎn)高于進(jìn)口壓力脈動，進(jìn)氣管道入喘的起始時刻落后于排氣管道入喘的起始時刻，退喘時則相反，壓縮機(jī)喘振頻率隨轉(zhuǎn)速升高略有降低。

（2）葉輪機(jī)匣噴射在擴(kuò)大壓縮機(jī)穩(wěn)定工況范圍的同時，使排氣壓力亦獲得顯著的提升，隨噴射量的增大壓縮機(jī)擴(kuò)穩(wěn)量顯著增加；建立小孔噴射流場模型，通過數(shù)值模擬呈現(xiàn)了噴射氣流改善端壁區(qū)流動狀況而導(dǎo)致擴(kuò)穩(wěn)的機(jī)理。

研究工作可為寬高離心壓縮機(jī)的防喘和擴(kuò)穩(wěn)設(shè)計提供技術(shù)支撐，進(jìn)一步的工作可考慮研究機(jī)匣噴射結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓縮機(jī)擴(kuò)穩(wěn)能力的影響。