周恩民,程 松,許 靖,劉 愷,張 文,熊 波,王儀田

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

0 引 言

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

喘振是軸流和離心壓縮機的固有特性。進入喘振區(qū)后，若不能及時“脫喘”，將會導致機組振動加劇，造成轉(zhuǎn)子與定子碰撞、機組毀壞的嚴重事故，故壓縮機嚴禁在喘振區(qū)工作。

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

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

本文針對0.6m連續(xù)式風洞AV90-3軸流壓縮機的喘振邊界測試進行研究，得出靜葉角度和進氣壓力對喘振邊界的影響規(guī)律，并據(jù)此設置防喘振曲線，有效預防喘振發(fā)生。

1 壓縮機介紹

0.6m連續(xù)式風洞結構輪廓如圖1所示，其試驗段截面尺寸：0.6m×0.6m；穩(wěn)定段總壓：p0=(0.15～2.5)×105Pa；試驗段設計馬赫數(shù)：M=0.2～1.6；試驗雷諾數(shù):Re=(0.1～2.25)×106(參考長度c=0.06m)。

圖1 0.6m連續(xù)式風洞輪廓圖

1.1主壓縮機概況

主壓縮機位于風洞第一拐角段和第二拐角段之間，由2臺2500kW的電動機同步拖動，設計最高壓比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，從主壓縮機出口到入口之間設置有防喘振旁路，安裝有2個可以快速開啟的防喘振閥。

1.2喘振機理

當軸流壓縮機入口流量小于某個值時，葉片上就會出現(xiàn)流動“失速”，失速區(qū)壓力下降[2]。失速進一步加劇，就會導致壓縮機內(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)生除了與壓縮機內(nèi)部流動的惡化有關外，還與管網(wǎng)系統(tǒng)的特性密切相關。常規(guī)的高爐鼓風、空分等工業(yè)應用場合，喘振主要是由于管網(wǎng)阻力增加，壓縮機后部管道“憋壓”，導致機組運行工況點向小流量方向移動，最終進入喘振區(qū)。而連續(xù)式風洞是一種特殊的管網(wǎng)，風洞與壓縮機形成閉環(huán)回路，壓縮機后部一般不會“憋壓”，但是風洞試驗過程中，二喉道面積、模型迎角等參數(shù)的改變，會直接引起壓縮機入口流量的變化，從而帶來壓縮機運行狀態(tài)的變化，導致運行工況十分復雜、多變，稍有不慎極易進入喘振區(qū)，引起喘振。

2 測試方法

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

測試過程按照風洞穩(wěn)定段總壓范圍被劃分為常壓、增壓、負壓3個階段。

2.1喘振判別

喘振發(fā)生時，壓縮機會伴隨有持續(xù)的低頻噪聲、機組振動顯著增大、進排氣壓力振蕩等現(xiàn)象。因此，與之對應的喘振判別方法主要有聽噪聲法[3]、測振動法[3-4]和測壓力波動法[5]。由于低頻噪聲在喘振發(fā)生之前就會產(chǎn)生，且判別主要依靠測試人員的經(jīng)驗和主觀意識，故方法一不夠準確；而振動增大是深度喘振時的反應，稍有不慎，極易損壞機組，所以方法二風險很大。

因此，采用方法三，在主壓縮機進、排氣壓力測點處各引接1個精密壓力表，喘振瞬間發(fā)生時，進、排氣壓力會立即波動，引起壓力表指針擺動，可以準確測試出喘振點。

2.2數(shù)據(jù)采集處理

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

圖2 測試工況點

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

3 測試結果分析

3.1靜葉角對喘振邊界的影響

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

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

圖3 46°靜葉角喘振邊界測試結果(95kPa)

圖4 66°靜葉角喘振邊界測試結果(95kPa)

圖5 76°靜葉角喘振邊界測試結果(95kPa)

表1靜葉角對喘振點的影響

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進氣壓力對喘振邊界的影響

3.2.1增壓的影響

進氣壓力增大后，負載增大，受驅(qū)動電機功率限制，在穩(wěn)定段總壓為150和250kPa時，最高轉(zhuǎn)速分別只測試到了3000和2500r/min。

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

圖6 增壓條件下喘振點流量的變化

圖7 增壓條件下喘振邊界的變化

3.2.2負壓的影響

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

圖8 負壓條件下喘振邊界的變化

表2負壓條件下喘振點流量和壓比的變化

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實測結果與計算結果的對比

以66°靜葉角為例，將主壓縮機的實測喘振邊界線與計算預測的喘振邊界線進行對比分析。

圖9 實測喘振邊界線與預測喘振邊界線的對比

由圖9可以看出，實測喘振邊界線與氣動計算預測出的喘振邊界線趨勢一致，偏差較小，證明主壓縮機氣動計算結果比較可靠。

這個愿望就是全部的動力，而顧青，對她是真的好。會把大塊的肉夾給她，自己只吃米飯和蔬菜，會在回家時帶一些水果和零食，只是最便宜的東西，但溫簡也覺得是被寵愛的，他用了他所有的能力來待她好。

盡管如此，為確保機組運行安全，仍需在實測喘振邊界線的基礎上進行喘振預防，計算預測出的喘振邊界線可以作為輔助參考。

3.4喘振時的現(xiàn)象

測試中發(fā)現(xiàn)主壓縮機各工況點喘振發(fā)生時的現(xiàn)象存在一定的共性和差異。共性表現(xiàn)為喘振發(fā)生前，壓縮機都會發(fā)出持續(xù)的低頻噪聲，但機組的振動均未產(chǎn)生明顯變化。差異表現(xiàn)為常壓、增壓和負壓50kPa條件下，轉(zhuǎn)速小于2000r/min時，機組先失速，后喘振；轉(zhuǎn)速大于2000r/min時，沒有測試到明顯的失速點，喘振會突然發(fā)生。而負壓15kPa條件下，各轉(zhuǎn)速均測試到了明顯的失速點，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，也未測試到喘振點；在2000r/min以上，雖然測試到了喘振點，但由于風洞回路中的能量很小，因此喘振發(fā)生時壓力表指針的擺動非常緩慢，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，會導致失速提前。

4 喘振預防

4.1防喘振曲線設置

由3.1節(jié)的分析可以看出，靜葉角對主壓縮機喘振邊界的影響很大，因此風洞試驗中用到的每一個靜葉調(diào)節(jié)角度，必須設置相應的防喘振曲線。

由3.2節(jié)的分析可以看出，進氣壓力引起的喘振點流量變化很小，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行喘振預防。

以下以66°設計靜葉角為例，對防喘振曲線的設置方法進行說明，其它靜葉角依此類推。如圖10所示，將主壓縮機在常壓、66°靜葉角工況測試出的性能曲線右下方比喘振點流量大10％的工況點用光滑的曲線相連，就得到報警線；將比喘振點流量大5％的工況點用光滑的曲線相連，就得到防喘振線，即留有5％的喘振裕度。

圖10 報警線、防喘振曲線設置

4.2防喘振措施

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

假設報警線函數(shù)為：ε報警=f1(Q)，防喘振線函數(shù)為：ε防喘=f2(Q)。

在風洞試驗過程中，如果主壓縮機運行工況點實測壓比小于該流量下對應的報警壓比，即ε<ε報警時，機組運行安全；當二喉道面積和模型迎角等參數(shù)改變，導致運行工況點越過報警線，即ε≥ε報警時，控制系統(tǒng)會自動發(fā)出報警信息，提示操作人員注意；如果工況點再向左移動，越過防喘振線，即ε≥ε防喘時，控制系統(tǒng)將自動打開風洞防喘振旁路上的防喘振閥，增大進氣流量，使主壓縮機迅速遠離喘振區(qū)運行，確保機組安全。

4.3防喘振效果

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

5 結 論

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

(1) 靜葉角改變后，主壓縮機喘振邊界會發(fā)生較大偏移。風洞試驗中使用的靜葉角，必須設置相應的防喘振曲線。

(2) 主壓縮機增壓和負壓下的喘振邊界與常壓時基本重合，可以統(tǒng)一采用常壓下的防喘振曲線進行監(jiān)控，即對進氣壓力可以不做修正。

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

(4) 大型連續(xù)式風洞軸流壓縮機的葉片尺寸和葉型會產(chǎn)生較大變化，增壓、負壓以及轉(zhuǎn)速降低引起的Re數(shù)變化對壓縮機失速點、喘振點和喘振邊界的影響程度還需通過喘振邊界測試加以驗證和研究。

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作者簡介:

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