環(huán)境模擬風(fēng)洞高壓動力系統(tǒng)設(shè)計研究

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(1.中國航空工業(yè)空氣動力研究院，哈爾濱 150001 2.低速高雷諾數(shù)航空科技重點實驗室，哈爾濱 150001)

0 引言

環(huán)境模擬風(fēng)洞主要用于開展不同風(fēng)速、溫度、壓力條件下，被試件的云霧、雨雪、日光和積冰凍雨試驗。國內(nèi)環(huán)境模擬風(fēng)洞起步較晚，在2009年同濟大學(xué)才建成真正意義上的用于汽車試驗的環(huán)境模擬風(fēng)洞，此前一直以空氣動力學(xué)風(fēng)洞為基礎(chǔ)局部改造進行類模擬試驗。目前國內(nèi)建設(shè)的環(huán)境模擬風(fēng)洞，多以研究車輛、自然災(zāi)害、公共安全等目標對象為主，而動力系統(tǒng)作為能量來源，其具備優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性，顯得十分重要。以往的空氣動力學(xué)風(fēng)洞中，多關(guān)注轉(zhuǎn)速控制、調(diào)速范圍和自然常規(guī)工況的溫升特性[1]，而在不同風(fēng)速、壓力、溫度、濕度等綜合環(huán)境參數(shù)影響工況下的研究不多，涉及到動力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速功率特性、散熱性、軸承特性等多方面設(shè)計。

本課題通過對不同風(fēng)速、溫度條件下多噴口構(gòu)型的組合式環(huán)境風(fēng)洞動力系統(tǒng)設(shè)計，對轉(zhuǎn)速、功率、散熱、通風(fēng)、噴口構(gòu)型等多個特性進行研究，解決了高壓動力系統(tǒng)復(fù)雜參數(shù)狀態(tài)下的環(huán)境適應(yīng)性問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多氣候參數(shù)耦合作用實驗平臺是一種模擬風(fēng)速、溫度、噴霧、雨雪、日光等氣象參數(shù)的環(huán)境模擬風(fēng)洞。該風(fēng)洞采用臥式回流布局，試驗段具有6×5 m、4×3 m兩種構(gòu)型噴口，主要部件包括動力段、擴散段、拐角段、換熱段、穩(wěn)定段、收縮段、試驗段等[2]。其中，動力段使空氣在風(fēng)扇的作用下產(chǎn)生壓增，擴散段使具有湍流和旋渦的較差流態(tài)氣流均勻擴散、改善流場，拐角段使氣流以較小的阻力被引導(dǎo)至下一部段，換熱段能夠?qū)饬鬟M行溫度調(diào)節(jié)，穩(wěn)定段內(nèi)包括蜂窩器和阻尼網(wǎng)對氣流流態(tài)進行整流，收縮段使氣流加速流入試驗段噴口。風(fēng)洞的氣動輪廓構(gòu)型如圖1和圖2。

圖1 6×5 m試驗段風(fēng)洞氣動輪廓圖

圖2 4×3 m試驗段風(fēng)洞氣動輪廓圖

可知，該風(fēng)洞通過更換不同尺寸的噴口實現(xiàn)對應(yīng)的試驗段風(fēng)速范圍，按照設(shè)計，6×5 m試驗段最大風(fēng)速為35 m/s，4×3 m試驗段最大風(fēng)速為80 m/s，均通過動力段10 kV 4 MW電機驅(qū)動、變頻調(diào)速實現(xiàn)。此外，溫度模擬是基本參數(shù)指標，可實現(xiàn)溫度范圍-40～70 ℃。配套的環(huán)境子系統(tǒng)在上述指標下，可分別進行噴霧、雨雪、日光等環(huán)境參數(shù)試驗。當進行噴霧和雨雪試驗時，洞內(nèi)的濕度可達95%RH以上。

上述參數(shù)條件對動力系統(tǒng)的密閉性、散熱性、功率轉(zhuǎn)速與風(fēng)速匹配均形成約束條件。

1.2 動力系統(tǒng)工作原理

動力系統(tǒng)圍繞高壓變頻電機進行設(shè)計，主要包括10 kV完美無諧波變頻器、10 kV三相交流異步電機、散熱風(fēng)機系統(tǒng)、稀油站系統(tǒng)以及溫度傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、振動傳感器等。系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。

圖3 動力系統(tǒng)工作原理圖

該系統(tǒng)工作包括3大部分。

1)主驅(qū)動回路：

10 kV電力經(jīng)由高壓開關(guān)柜輸送至變頻器，變頻器對電力進行整流逆變后，輸出指定電壓、電流，對變頻電機進行矢量調(diào)速，從而改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

主驅(qū)動回路是動力系統(tǒng)的核心，為使得變頻電機具備良好的密閉性，將其放置在專用整流罩內(nèi)，將軸頭伸出罩外，采用軸頭端面法蘭壓緊和軸瓦潤滑油密封方式解決較大濕度工況對電機的絕緣性侵蝕。

2)散熱輔助系統(tǒng)：

散熱輔助系統(tǒng)包括稀油站系統(tǒng)、散熱風(fēng)機系統(tǒng)和空間加熱器裝置。系統(tǒng)在電機運行前對變頻電機進行除濕烘干，確保絕緣有效。在電機運行時，稀油站系統(tǒng)向前后軸瓦循環(huán)注入潤滑油，實現(xiàn)軸承頂起抬升30～50 μm，之后持續(xù)按照一定壓力、流量循環(huán)注油，維持軸瓦抬升，同時循環(huán)的潤滑油對旋轉(zhuǎn)軸承進行散熱。散熱風(fēng)機系統(tǒng)通過引風(fēng)機，將動力段外部自然空氣吸入，將動力段整流罩內(nèi)熱空氣抽出，實現(xiàn)對電機的風(fēng)冷。系統(tǒng)調(diào)節(jié)電機的溫升特性，使系統(tǒng)即便在高溫狀態(tài)下工作時維持合理溫度。

3)控制與監(jiān)視系統(tǒng)：

控制與監(jiān)視系統(tǒng)主要實現(xiàn)中控室內(nèi)主控計算機、變頻間內(nèi)控制柜、變頻器控制單元、現(xiàn)場各位置開關(guān)和傳感器的綜合聯(lián)動與狀態(tài)監(jiān)測。系統(tǒng)裝機功率較大，對于電機的監(jiān)測除了包括繞組與軸承的溫度，也包括軸振動、軸旋轉(zhuǎn)編碼器實時獲得的振幅和轉(zhuǎn)速，以便監(jiān)測軸升安全范圍和實現(xiàn)高達±0.1%轉(zhuǎn)速精度的變頻閉環(huán)矢量調(diào)速?？刂葡到y(tǒng)間的通訊主要采用ModbusTCP現(xiàn)場總線協(xié)議，本地控制系統(tǒng)則采用ProfibusDP總線協(xié)議，使設(shè)備間能夠高速實時交互。

此外，配置了專門的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，采用具有SIL3等級的控制器與各開關(guān)節(jié)點進行硬線聯(lián)鎖，當出現(xiàn)不同安全級別的故障狀態(tài)時系統(tǒng)及時進行處理，確保可靠運行。

2 動力電機的計算選取

動力電機選取時主要根據(jù)風(fēng)洞的試驗區(qū)風(fēng)速指標和風(fēng)洞各部段能量損失系數(shù)計算得到，其中的關(guān)鍵參數(shù)包括總損失系數(shù)∑K0，風(fēng)洞能量比ERt、風(fēng)扇效率ηf。

對于低速風(fēng)洞，設(shè)某部段損失系數(shù)K0、入口流速ν1，則通過該部段出口總壓P2與入口總壓P1的總壓差ΔP0與該部段入口的動壓ΔP1的比值計算得出K0，按下列式(1)～式(3)。

ΔP0=P2-P1

(1)

(2)

(3)

試驗段空氣密度ρ、截面積A、風(fēng)速v，風(fēng)洞能量比ERt、風(fēng)扇效率ηf(取值0.85)，電機軸功率P，均為國際標準單位，存在以下關(guān)系式(4)～(5)。

(4)

(5)

經(jīng)過計算，得到風(fēng)洞在表1和表2兩種狀態(tài)下的各部件損失系數(shù)K0。

表1 6×5 m試驗段35 m/s時風(fēng)洞各部件能量損失系數(shù)

表2 4×3 m試驗段80 m/s時風(fēng)洞各部件能量損失系數(shù)

可知，按空風(fēng)洞6×5 m噴口和4×3 m噴口最大試驗風(fēng)速35 m/s和80 m/s分別計算得到的軸頭功率值為2 542 446.0 W和3 153 958.8 W，則動力系統(tǒng)按照后者數(shù)值作為基準配置電機功率。此時，電機轉(zhuǎn)速為440 rpm，軸功率3.2 MW(轉(zhuǎn)速440 rpm時軸功率不小于3.154 MW)，承受52 130 N軸向力和71 358 N·m的扭矩。

綜合考慮被試件對試驗段造成的阻塞度(5%～10%之間)，預(yù)留1.25倍冗余系數(shù)，則實際選用的電機功率為4 MW。

3 電機實際參數(shù)選擇與特性分析

由于所選電機容量較大，用10 kV電壓等級較為適宜，對于縮小線徑有利，適于遠距離電力傳輸，對于電網(wǎng)的諧波無污染相對低壓變頻更小。

表3是電機的基本參數(shù)表，根據(jù)風(fēng)洞動力系統(tǒng)的設(shè)計，滿足額定值440 rpm的軸頭功率3.2 MW要求，選擇電機的額定工作點在48.3 Hz、4 000 kW。

表3 電機基本參數(shù)

圖4給出了電機電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性曲線，可以看出，電機啟動時，有高達6倍的額定電流產(chǎn)生，隨著轉(zhuǎn)速提高，電流逐步下降，在額定轉(zhuǎn)速480 rpm時電流降至額定。電機的轉(zhuǎn)矩特性不同，在啟動后至270 rpm時，轉(zhuǎn)矩不斷提高接近2.5倍值，之后開始快速下降，轉(zhuǎn)速至400 rpm時，轉(zhuǎn)矩降至1倍以下。

圖4 電流、轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速特性曲線

圖5可以看出，隨著電機功率增大，功率因數(shù)和效率不斷提高。在電機啟動后0.4～1.05額定功率時，功率因數(shù)從0.57提高到0.81，0.55～0.97額定功率時效率從93.5%提高到96%。0.6倍額定功率以后，電機的功率因數(shù)和效率有明顯提升。

圖5 功率因數(shù)、效率與功率特性曲線

以上特性表明，電機自然啟動對電網(wǎng)沖擊電流較大，低功率運行時效率和功率因數(shù)較低，須考慮軟啟或變頻方式驅(qū)動以發(fā)揮電機最大效能。

4 完美無諧波變頻驅(qū)動方式

圖6給出了48脈波整流的工作原理。完美無諧波變頻，輸入采用多重化移相變壓器和輸出采用多電平移相式PWM的單元串聯(lián)多電平技術(shù)方案，滿足IEEE 519電流諧波失真要求，兼容供電系統(tǒng)。采用了移相變壓器技術(shù)，即多副邊繞組移相的隔離變壓器，變壓器的原邊繞組采用星形接法，而副邊有多個繞組，采用延邊三角形接法，輸出電壓為750 V，根據(jù)已安裝的24個功率單元，形成優(yōu)于48 脈沖的電源質(zhì)量。變頻器能夠消除電源諧波失真，在沒有濾波器或諧波抑制設(shè)備時，也能滿足電能質(zhì)量標準。

圖6 48脈波整流逆變原理

圖7給出了48脈波完美無諧波變頻器的電能質(zhì)量情況曲線。對于輸入電能，電壓總失真THDv小于2%，電流總失真THDi小于5%。動力系統(tǒng)功率因數(shù)在92%～97%之間，效率在95%～97%之間，很大程度上提高了電機自然啟動時對電網(wǎng)的質(zhì)量影響。

圖7 48脈波整流多電平串聯(lián)逆變的諧波情況

在對電機從零速度加速調(diào)整的過程中，逐漸增加輸出功率，保持額定輸出轉(zhuǎn)矩，從而降低電機輸入涌流和機械應(yīng)力，使得電機平穩(wěn)啟動運行。

5 控制系統(tǒng)實現(xiàn)

5.1 ModbusTCP通訊

MODBUS/TCP是簡單的、中立廠商的用于管理和控制自動化設(shè)備的通訊協(xié)議，它覆蓋了使用TCP/IP協(xié)議的Internet環(huán)境中MODBUS報文的用途。Modbus主要的優(yōu)點為公開無版權(quán)要求，無須支付額外費用、硬件要求簡單容易部署、使用廣泛便于系統(tǒng)集成。Modbus采用半雙工的通訊方式，由1個子站和多個從站組成，允許多個設(shè)備連接在同一個網(wǎng)絡(luò)上進行通訊。

本系統(tǒng)中，主控計算機通訊程序采用LabVIEW編寫，通過程序庫中ModbusTCP協(xié)議與本地控制系統(tǒng)PLC、變頻器進行實時通訊。

圖8為ModbusTCP通訊的主程序，使用了NI Modbus.llb文件，通過指定IP地址和端口號，打開Modbus TCP/IP連接與指定設(shè)備建立通訊，WRITE VR向保持寄存器地址(例如40001)寫入整型或浮點型數(shù)據(jù)，READ VR向該地址讀取數(shù)據(jù)值，最后關(guān)閉Modbus TCP/IP連接完成通訊。

圖8 LabVIEW ModbusTCP通訊程序

相比ModbusRTU協(xié)議需要對數(shù)據(jù)進行CRC校驗，ModbusTCP由于TCP/IP協(xié)議的封裝無須額外校驗，系統(tǒng)可以較高的可靠性完成對目標設(shè)備的控制和狀態(tài)監(jiān)視。

5.2 控制系統(tǒng)軟件流程

控制系統(tǒng)系統(tǒng)軟件流程如圖9所示，主要分為3個階段，即準備階段、運行階段和結(jié)束階段。

圖9 系統(tǒng)系統(tǒng)工作流程圖

在準備階段，系統(tǒng)各電氣設(shè)備上電進行自檢，包括本地PLC控制柜、變頻器、稀油站控制柜、主控計算機，確保設(shè)備處于正常工作狀態(tài)。

在運行階段，各設(shè)備通過自檢并進入準備就緒狀態(tài)后，首先對高壓電氣設(shè)備啟動空間加熱器進行加熱除濕，同時打開散熱風(fēng)機系統(tǒng)對設(shè)備內(nèi)進行通風(fēng)，始終監(jiān)測高壓設(shè)備內(nèi)的溫濕度狀態(tài)、進出風(fēng)道溫度是否正常；另外，稀油站系統(tǒng)開始工作，通過高低壓油循環(huán)管路，向主電機前后軸瓦注油頂起、實現(xiàn)軸升，同時稀油站的冷卻水系統(tǒng)運行，實時對油路進行換熱。當檢測到溫度濕度、軸升等各參數(shù)指標正常后，系統(tǒng)進入到允許氣動狀態(tài)。操作員可通過主控機向本地控制系統(tǒng)發(fā)送轉(zhuǎn)速指令，變頻器按照預(yù)定轉(zhuǎn)速開始運行直至達到轉(zhuǎn)速狀態(tài)，到達轉(zhuǎn)速后根據(jù)新的指令要求調(diào)整至下一轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)運行期間，實時監(jiān)視電機溫升、軸振動、轉(zhuǎn)速等狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)異常時，根據(jù)故障代碼對異常位置進行檢查排故。

在結(jié)束階段，主風(fēng)機停車，變頻器進入待機狀態(tài)，之后散熱風(fēng)機系統(tǒng)、稀油站系統(tǒng)依次停止，最后進行系統(tǒng)下電。

6 實驗結(jié)果與分析

動力系統(tǒng)在6×5試驗段和4×3試驗段兩種構(gòu)型條件下，進行試驗溫度-40 ℃～70 ℃和最大風(fēng)速工況，驗證輸出功率、電機溫升、稀油站供油壓力參數(shù)變化。

6.1 不同試驗段噴口下最大風(fēng)速時的電機功率對比

圖10給出了6×5噴口最大風(fēng)速35 m/s和4×3噴口最大風(fēng)速80 m/s時，電機軸功率隨著試驗段溫度變化的特性?？梢钥闯?，4×3噴口在極限溫度-40 ℃時電機軸功率3.8 MW，接近滿功率，而6×5噴口在極限低溫試驗時達到3 MW軸功率，動力系統(tǒng)的電機選型滿足試驗要求。從變化趨勢上，兩個噴口的軸功率隨著試驗溫度的變化基本相同，只有溫度參量發(fā)生變化。

圖10 最大風(fēng)速時不同噴口和試驗溫度的電機軸功率

6.2 不同試驗段噴口最大風(fēng)速下的溫升特性

由于電機通過密封和保溫結(jié)構(gòu)嚴格放置與整流罩內(nèi)，與風(fēng)洞內(nèi)氣流的熱交換可以忽略，主要發(fā)熱和溫升仍來自于本身的熱損耗，通過試驗比較常壓時不同噴口最大風(fēng)速時連續(xù)運行30分鐘的溫升特性。散熱風(fēng)機此時的工作狀態(tài)為進風(fēng)溫度28 ℃、通風(fēng)量9.5 m3/s，持續(xù)通風(fēng)，電機的溫升特性如圖11所示。

圖11 不同噴口最大風(fēng)速時電機溫升特性

可知，電機在不同噴口試驗時輸出的軸功率存在差異，4×3噴口試驗時消耗更大的軸功率，隨著時間的變化，溫升增加較快，通過控制系統(tǒng)監(jiān)測獲得的熱損耗量143.39 kW；更換為6×5噴口后，溫升相對平緩，此時軸功率也降低為2.29 MW，監(jiān)測熱損耗量為109.1 kW?？傮w上，熱損耗在最大功率負荷的4%～5%，對于較大軸功率狀態(tài)時，電機溫升隨快，仍在安全范圍內(nèi)，距離報警溫度80 ℃和切斷溫度90 ℃，仍有較大的使用裕度。

6.3 不同試驗段噴口最大風(fēng)速下的供油壓力對比

試驗段溫度-40～70 ℃變化，測試動力系統(tǒng)在最大風(fēng)速狀態(tài)時稀油站供油壓力對比情況，實驗結(jié)果如圖12所示。

圖12 最大風(fēng)速時不同噴口和試驗溫度軸升供油壓力

可以看出，在維持相同的軸升高度30 μm，動力系統(tǒng)在兩種噴口最大風(fēng)速時開展試驗段溫度由低向高試驗時，軸升供油壓力不斷下降，隨著電機軸功率的降低而降低。在變化范圍上，4×3 m噴口由10.58 MPa下降到9.4 MPa，6×5 m噴口由9.7 MPa下降到9 MPa。上述特性表明，應(yīng)根據(jù)試驗溫度調(diào)整合適的供油壓力，確保軸升高度與動力系統(tǒng)的風(fēng)洞軸線重合。

7 結(jié)束語

本文通過對環(huán)境模擬風(fēng)洞的動力系統(tǒng)的設(shè)計，完成以下研究內(nèi)容：

1)根據(jù)風(fēng)洞的氣動輪廓，對動力系統(tǒng)的電機功率進行了計算選取。分別按照6×5 m試驗段和4×3 m試驗段兩種噴口的損失系數(shù)和能量比，得出對應(yīng)噴口最大風(fēng)速時所需的電機功率。

2)根據(jù)計算結(jié)果，對電機進行了選型和特性分析，給出了48脈波變頻調(diào)速后的電能質(zhì)量改善情況。對于10 kV 4 MW的電機，自然啟動和通過完美無諧波變頻器驅(qū)動兩種方式比較，對于電能質(zhì)量的影響較大，給出了應(yīng)用后者方式后最佳的電能情況。

3)設(shè)計了控制系統(tǒng)的通訊程序和軟件工作流程。主控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與本地控制系統(tǒng)通過國際通用的第三方ModbusTCP協(xié)議實現(xiàn)，以太網(wǎng)的封裝屬性和物理層實現(xiàn)確保了通訊網(wǎng)絡(luò)的可靠性。同時，給出了稀油站、散熱風(fēng)機、主風(fēng)機的控制邏輯關(guān)系流程，以安全合理運行系統(tǒng)，發(fā)揮動力系統(tǒng)效能。

本文進一步研究了環(huán)境模擬風(fēng)洞動力系統(tǒng)幾方面關(guān)鍵參數(shù)特性：

1)通過實驗測試，分析了不同噴口最大風(fēng)速狀態(tài)時電機軸功率運行情況，通過與設(shè)計點比較，表明設(shè)計過程正確，冗余系數(shù)選取合理。

2)另外通過實驗，測試了電機溫升特性和軸升供油壓力特性。電機溫升對10 kV高壓電機絕緣性影響較大，測試結(jié)果表明，現(xiàn)有的強制風(fēng)冷和密封隔熱措施對電機起到良好的散熱效果，溫升曲線增加緩慢。控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)試驗溫度適當調(diào)節(jié)供油壓力，以確保軸承中心線與風(fēng)洞中心線吻合。

本次研究仍有以下遺留問題需要進一步完善驗證：

1)增加雨雪、噴霧、日光模擬試驗后，電機軸功率相比未增加前的變化對比情況；

2)通過對現(xiàn)有動力系統(tǒng)的持續(xù)運行數(shù)據(jù)積累，控制系統(tǒng)進一步增加故障診斷和健康管理功能可行性并驗證效果。

本設(shè)計研究具有以下應(yīng)用前景：

1)對于環(huán)境模擬風(fēng)洞動力系統(tǒng)的設(shè)計過程提供了思路方法?？筛鶕?jù)所提的方法開展類似的環(huán)境風(fēng)洞動力系統(tǒng)設(shè)計；

2)對于動力系統(tǒng)的關(guān)鍵特性給出了分析思路和測試結(jié)果?？蓞⒖歼M行變頻驅(qū)動的功率、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)、效率監(jiān)測控制，優(yōu)化電能利用、提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)速性能；

3)對環(huán)境模擬風(fēng)洞動力系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)特性給出了分析思路和測試結(jié)果?？蓞⒖极@得不同的噴口構(gòu)型、溫度變化后的動力系統(tǒng)特性，作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，開展更為復(fù)雜的環(huán)境模擬試驗。