某工業(yè)用離心式壓縮機(jī)失速和喘振識別試驗(yàn)研究*

王睿 李健偉 趙強(qiáng) 么立新 曾鳴 李凱華 劉德重

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司）

0 引言

失速和喘振的識別、診斷和控制對離心式壓縮機(jī)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。喘振控制線是離心式壓縮機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行控制的關(guān)鍵指標(biāo)之一。失速或者喘振工況的識別可以作為喘振控制線設(shè)置的重要依據(jù)。在壓縮機(jī)中，失速可被視為擴(kuò)壓器或葉柵中靜壓持續(xù)升高的停止。葉片通道可能部分或完全失速。如果質(zhì)量流量繼續(xù)減少，它可能會轉(zhuǎn)向喘振并導(dǎo)致可聽見的流量波動[1]。Cheshire[2]在1945 年首先發(fā)現(xiàn)了離心壓縮機(jī)的失速現(xiàn)象。Frigne[3]采用試驗(yàn)方法研究了使用無葉擴(kuò)壓器的離心壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)失速和擴(kuò)壓器失速。Madhavans[4]通過試驗(yàn)方法研究了離心式風(fēng)機(jī)壓力面流動分離產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)失速。Wagner[5]研究了齒輪式壓縮機(jī)葉輪疲勞失效與喘振控制線的關(guān)系。張磊[6]使用數(shù)值模擬方法研究了旋轉(zhuǎn)失速的氣動噪聲特性。Bianchini[7]研究了無葉擴(kuò)壓器失速對離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子動力學(xué)的影響。石嵩[8]采用CFD 數(shù)值仿真方法模擬了軸流壓氣機(jī)全通道的失速工況。Sorokes[9]總結(jié)了離心壓縮機(jī)的空氣動力誘導(dǎo)力和轉(zhuǎn)子振動特性的關(guān)系。李文溥[10]研究了回流器葉片結(jié)構(gòu)對失速的影響。薛翔[11]應(yīng)用模態(tài)波理論，通過試驗(yàn)識別壓縮機(jī)的失速和喘振現(xiàn)象。趙新維[12]對失速引起的葉片振動進(jìn)行了測試，并觀察到了信號調(diào)制現(xiàn)象。姚金鑫[13]采用MPE-CEEMD 算法進(jìn)行了軸流壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)失速狀態(tài)識別。文獻(xiàn)[14]研究了帶有有葉擴(kuò)壓器離心壓縮機(jī)的劇烈喘振和擴(kuò)壓器失速。文獻(xiàn)[15]采用數(shù)值和試驗(yàn)方法研究了某離心壓縮機(jī)的失速和喘振工況。

本文使用試驗(yàn)方法對某工業(yè)用離心壓縮機(jī)進(jìn)行失速和喘振的識別研究。在不同轉(zhuǎn)速和不同壓比工況下，考察壓縮機(jī)的壓力脈動的頻域特征，識別了失速和喘振工況點(diǎn)。

1 失速和喘振的頻域特征

根據(jù)文獻(xiàn)[1,7,12,15]，當(dāng)失速團(tuán)生成時(shí)，在頻域內(nèi)可以觀測到失速團(tuán)對應(yīng)的特征頻率fs。如果是擴(kuò)壓器失速，該頻率值范圍一般在0.1倍軸頻至0.25倍軸頻，即

同時(shí)在軸頻fr附近可以觀測到由失速團(tuán)引起的調(diào)制特征頻率，即

如果是轉(zhuǎn)子失速（即旋轉(zhuǎn)失速），該頻率值范圍一般在0.14倍軸頻至0.82倍軸頻[3]，即

特殊情況可能達(dá)到0.9 倍軸頻或更高[4]，即fs∈（0.14fr～0.9fr）。同時(shí)在葉通頻fBPF附近可以觀測到由失速團(tuán)引起的調(diào)制特征頻率，即

式中n=1,2。由失速團(tuán)的傳播特點(diǎn)可知，當(dāng)特征頻率fs和調(diào)制特征頻率f1或f2同時(shí)在頻域內(nèi)觀測到時(shí)，可以判斷失速已經(jīng)發(fā)生，并可推斷失速發(fā)生的位置。

喘振是壓縮機(jī)的氣體流量和排氣壓力周期性地低頻率、大振幅波動的現(xiàn)象，是一種壓縮機(jī)和管網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行的工況條件[16]。在頻域內(nèi)，喘振的主振頻率fsurge一般較低（低于30Hz），幅值相對較大（遠(yuǎn)大于軸頻fr和葉通頻fBPF的幅值），并伴有倍頻（2×fsurge等）。

2 試驗(yàn)裝置和測試設(shè)備

采用沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司的某工業(yè)離心壓縮機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)裝置如圖1 所示。該離心壓縮機(jī)為軸向進(jìn)氣，葉輪出口直徑（D2）約為450mm，采用無葉擴(kuò)壓器，圖1（a）中紅色箭頭代表流動方向。在四個(gè)截面進(jìn)行壓力測量，截面分別是：1）葉輪進(jìn)口；2）葉輪出口（即擴(kuò)壓器進(jìn)口）；3）擴(kuò)壓器出口；4）有葉回流器出口。在以上四個(gè)截面，每個(gè)截面周向均布三個(gè)壓力脈動傳感器。

圖1 離心式壓縮機(jī)和試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Diagrams of the centrifugal compressor and test device

壓力測量采用PCB公司的116B壓力傳感器。采集使用北京東方所的INV3062 多通道采集儀。采樣頻率為20kHz，在采樣完成后，應(yīng)用快速傅里葉變換方法對壓力脈動的時(shí)域信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使用矩形窗，得到各種工況下的頻域結(jié)果。

3 多轉(zhuǎn)速工況下的測試

在三種轉(zhuǎn)速下，對離心壓縮機(jī)進(jìn)行測試。單級葉輪，葉片數(shù)為15。試驗(yàn)得到的流量與壓比曲線如圖2所示。圖中橫坐標(biāo)為相對流量。設(shè)計(jì)點(diǎn)是表1中轉(zhuǎn)速Ⅱ，相對流量100%的工作點(diǎn)。在圖2中定義若干特征點(diǎn)：P點(diǎn)是喘振或失速前的一個(gè)工況點(diǎn)；S 點(diǎn)是葉輪失速點(diǎn)，即旋轉(zhuǎn)失速點(diǎn)；S1點(diǎn)是葉輪和擴(kuò)壓器共同失速點(diǎn)，即混合失速點(diǎn)；VS是Violent Surge的縮寫，代表劇烈喘振點(diǎn)。

表1 壓縮機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速Tab.1 Compressor operating speeds

圖2中，連接VS工況點(diǎn)的紅色線是喘振線；綠色的虛線代表有一定運(yùn)行裕度的喘振控制示意線；藍(lán)色虛線可以作為單參數(shù)控制的喘振控制示意線。以下給出特征工況點(diǎn)的頻率結(jié)果。

圖2 流量與壓比圖Fig.2 Diagram of flow vs pressure ratio

3.1 設(shè)計(jì)點(diǎn)頻率特征

本節(jié)給出設(shè)計(jì)點(diǎn)的四個(gè)截面測得壓力脈動的頻域結(jié)果。設(shè)計(jì)點(diǎn)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為11420r/min。圖3和圖4分別為低頻區(qū)（0～350Hz）和高頻區(qū)（葉通頻附近，2500～3100Hz）的結(jié)果。四個(gè)截面位置分別為：葉輪進(jìn)口、葉輪出口、擴(kuò)壓器出口及回流器出口。

此工況軸頻和葉通頻的理論值分別為190.3Hz 和2855Hz。從圖3 可以看出，除回流器外，軸頻（190Hz）是低頻區(qū)主要成分，而回流器內(nèi)無明顯主要頻率。在低頻區(qū)還有一些振幅相對較高的低頻成分，估計(jì)與此壓縮機(jī)內(nèi)的實(shí)際流動有關(guān)。本文主要研究了與失速和喘振相關(guān)的特征頻率，上述這些低頻成分與本文研究內(nèi)容無直接關(guān)聯(lián)，所以在這里對其成因不做具體分析。從圖4 可以看出，四個(gè)監(jiān)控截面都顯示有葉通頻（2849.4Hz）。

圖3 低頻區(qū)結(jié)果Fig.3 The results of low frequency region

圖4 高頻區(qū)結(jié)果Fig.4 The results of high frequency region

3.2 喘振/失速前工況點(diǎn)頻率特征

本節(jié)給出喘振/失速前工況點(diǎn)（P 點(diǎn)）的四個(gè)截面測得壓力脈動的頻域結(jié)果。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為11420r/min。圖5 和圖6 分別為低頻區(qū)（0～350Hz）和高頻區(qū)（葉通頻附近，2500～3100Hz）的結(jié)果。

圖5 低頻區(qū)結(jié)果Fig.5 The results of low frequency region

圖6 高頻區(qū)結(jié)果Fig.6 The results of high frequency region

從圖5可以看出，在低頻區(qū)一些頻率成分的振幅已經(jīng)大于軸頻（190Hz），但是均不滿足公式（2）中的代數(shù)關(guān)系。從圖6可以看出，高頻區(qū)仍以葉通頻（2849.3Hz）為主。

3.3 旋轉(zhuǎn)失速點(diǎn)頻率特征

本節(jié)給出失速工況點(diǎn)（S 點(diǎn)）的四個(gè)截面測得的壓力脈動頻域結(jié)果。此時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為9672r/min。圖7和圖8分別為低頻區(qū)（0～350Hz）和高頻區(qū)（葉通頻附近，2100～2700Hz）的結(jié)果。

此工況軸頻和葉通頻的理論值分別為161.2Hz 和2418Hz。從圖7（a～c）可以看出軸頻（161.3Hz）及其2倍頻（322.6Hz）。在圖7（a）中還能觀察到96.6Hz（fs）和65.8Hz（f1）的頻率成分；在圖8（a～d）中能觀察到葉通頻2419.4Hz（fBPF）及2322.7 或2322.9（f2）Hz。此時(shí)失速團(tuán)頻率fs=96.6Hz。并存在代數(shù)關(guān)系f1=fr-fs=161.3-96.6=64.7Hz和f2=fBPF-fs=2419.4-96.6=2322.8Hz。根據(jù)以上代數(shù)關(guān)系和傳感器位置可以判斷此時(shí)在葉輪發(fā)生了旋轉(zhuǎn)失速。

圖7 低頻區(qū)結(jié)果Fig.7 The results of low frequency region

圖8 高頻區(qū)結(jié)果Fig.8 The results of high frequency region

3.4 VS點(diǎn)頻率特征

此節(jié)考察混合失速工況點(diǎn)（S1點(diǎn)）的四個(gè)截面測得壓力脈動的頻域結(jié)果。此時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為12986r/min。圖9、圖10和圖11分別為全頻區(qū)（0～10000Hz）、低頻區(qū)（0～700Hz）和高頻區(qū)（葉通頻附近，2900～3500Hz）的結(jié)果。

此工況軸頻和葉通頻的理論值分別為216.4Hz 和3246.5Hz。首先考察全頻區(qū)，即10000Hz以下振幅的整體分布。從圖9 可以看出，在此工況下，頻率1.98Hz 的幅值明顯高于其他頻率幅值；另外頻率176.1Hz（或174.1。此頻率由1.98Hz與176.1Hz調(diào)制而成）及其倍頻也是十分顯著；軸頻不明顯。在圖9（a～c）還可觀察到葉頻（3245.9Hz）及其倍頻。下面考察低頻區(qū)和高頻區(qū)的結(jié)果，如圖10和圖11所示。

圖9 全頻區(qū)結(jié)果Fig.9 The results of the entire frequency region

圖10 低頻區(qū)結(jié)果Fig.10 The results of low frequency region

圖11 高頻區(qū)結(jié)果Fig.11 The results of high frequency region

從圖10（a）可以看出頻率fsurge=1.98Hz 及其2 倍頻（3.97Hz）異常顯著，可以判斷此時(shí)發(fā)生了喘振。在葉輪出口至擴(kuò)壓器出口均有失速團(tuán)頻率fs=19.8Hz，并在圖10（b）中調(diào)制峰值196.7Hz（f1），存在代數(shù)關(guān)系f1=fr-fs=216.4-19.8=196.6Hz。可以判斷此時(shí)存在擴(kuò)壓器失速。

在圖10（a～d）中存在另外的失速團(tuán)頻率fs=176.1Hz及其倍頻。在圖11（a～d）中能觀察到葉通頻3245.9Hz（fBPF）及3071（f2）和3422.4（f2’）Hz。此時(shí)失速團(tuán)頻率fs=176.1Hz。存在代數(shù)關(guān)系f2=fBPF-fs=3245.9-176.1=3069.8Hz和f2’=fBPF+fs=3245.9+176.1=3422Hz?？梢耘袛啻藭r(shí)存在葉輪的旋轉(zhuǎn)失速。

4 結(jié)論

本文研究了某工業(yè)用離心式壓縮機(jī)在多轉(zhuǎn)速下的失速和喘振工況點(diǎn)的識別。通過試驗(yàn)測試，采集離心式壓縮機(jī)壓力時(shí)域數(shù)據(jù)，采用快速傅里葉變換進(jìn)行頻域分析，總結(jié)出失速和喘振的典型頻域特征，可以得到如下結(jié)論：

1）使用本文提出的頻率分析方法，通過特征頻率的識別，分析軸頻，葉通頻，失速團(tuán)頻率和調(diào)制頻率的代數(shù)關(guān)系，可以識別失速工況；

2）由測得的特征頻率結(jié)合傳感器位置信息，可以判斷失速位置，分辨旋轉(zhuǎn)失速和擴(kuò)壓器失速；

3）通過對整個(gè)分析頻段和極低頻段的頻率分析，可以識別喘振工況點(diǎn)；

4）對失速和喘振工況點(diǎn)的識別，可以為該離心式壓縮機(jī)喘振控制線的確定提供理論依據(jù)。