張文 周恩民 劉愷/中國空氣動力研究與發(fā)展中心

王儀田 楊岐平 王勇*/西安陜鼓動力股份有限公司

風(fēng)洞軸流壓縮機安全特性研究與運行保護

張文 周恩民 劉愷/中國空氣動力研究與發(fā)展中心

王儀田 楊岐平 王勇*/西安陜鼓動力股份有限公司

0 引言

0.6 m×0.6m連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞（簡稱0.6m連續(xù)式風(fēng)洞）是中國空氣動力研究與發(fā)展中心建設(shè)的首座連續(xù)式高速風(fēng)洞。該風(fēng)洞采用軸流壓縮機作為動力系統(tǒng)，驅(qū)動氣流在洞體回路內(nèi)連續(xù)流動，在試驗段建立穩(wěn)態(tài)流場。區(qū)別于高爐鼓風(fēng)、空分等工業(yè)應(yīng)用[1-2]，0.6m連續(xù)式風(fēng)洞軸流壓縮機安裝在閉合回路的風(fēng)洞管道內(nèi)，進口與出口均與洞體相連。風(fēng)洞總壓、模型姿態(tài)角和二喉道開度等試驗參數(shù)耦合多變，使壓縮機運行工況極為復(fù)雜[1]，對軸承箱密封性、軸系運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和喘振預(yù)防控制等均提出了非常嚴(yán)格的要求。

目前，國內(nèi)僅有兩座連續(xù)式高速風(fēng)洞，專門針對軸流壓縮機在連續(xù)式風(fēng)洞應(yīng)用中的安全運行研究還很少，對軸流壓縮機在連續(xù)式風(fēng)洞這種特殊閉合管網(wǎng)中的運行和保護經(jīng)驗較為缺乏，亟需進行安全運行研究與保護，嚴(yán)防安全事故發(fā)生。

1 風(fēng)洞及壓縮機簡介

1.1 風(fēng)洞介紹

0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞試驗段截面尺寸0.6m× 0.6m，穩(wěn)定段總壓P0＝（0.15～2.5）×105Pa，試驗段馬赫數(shù)M＝0.2～1.6。結(jié)構(gòu)輪廓圖見圖1。

圖10 .6m連續(xù)式風(fēng)洞結(jié)構(gòu)輪廓圖

1.2 壓縮機介紹

位于風(fēng)洞主回路的軸流壓縮機為AV90-3靜葉可調(diào)式，具有效率高、能耗低、流量調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點[3]。轉(zhuǎn)子輪轂名義直徑900mm，具有3級動葉片。設(shè)計最高壓比1.475，最大軸功率3 800kW，最高轉(zhuǎn)速3 600r/min，轉(zhuǎn)速控制精度≤0.03％，靜葉角可調(diào)范圍46°～76°。壓縮機采取雙出軸設(shè)計，安裝于風(fēng)洞第一和第二拐角段之間，由高壓變頻器驅(qū)動2臺2 500kW的交流異步電機進行雙端同步驅(qū)動。壓縮機布置圖見圖2。

圖2 軸流壓縮機布置圖

2 安全特性研究

通過壓縮機的安全特性及其與風(fēng)洞的安全相關(guān)性分析，突出安全防范重點，為安全運行措施提供實施依據(jù)。

2.1 壓縮機安全特性

1）結(jié)構(gòu)型式與運行工況復(fù)雜，密封性要求高。壓縮機進、排氣側(cè)軸承箱均布置在風(fēng)洞流道內(nèi)，風(fēng)洞試驗時有正壓和負(fù)壓兩種工況，均不允許軸承箱漏油，否則潤滑油進入流道會造成機組轉(zhuǎn)子、葉片、洞體設(shè)備及試驗?zāi)Ｐ臀廴?，并影響氣流純凈和露點，造成試驗車次報廢等事故。

2）軸系跨度和負(fù)載變化范圍大，機械運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性要求高。采取“電機+聯(lián)軸器+軸流壓縮機+聯(lián)軸器+電機”水平布置方式，整個軸系總長達14m，在馬赫數(shù)0.2～1.6、總壓（0.15～2.5）× 105Pa的寬調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，軸系同軸度、運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和動力傳遞可靠性要求高。

3）運行工況多變，防喘振要求高。喘振是軸流壓縮機的固有特性[4]，壓縮機與風(fēng)洞管網(wǎng)聯(lián)合工作圖見圖3。風(fēng)洞馬赫數(shù)調(diào)節(jié)范圍寬、試驗參數(shù)多變等復(fù)雜工況造成風(fēng)洞管網(wǎng)阻力增加，工況點向左移動，容易使壓縮機進入喘振區(qū)，引起氣流周期性振蕩[5-6]和機組振動加劇，造成密封和軸承損壞[7-8]，甚至機組毀壞的嚴(yán)重事故。

圖3 壓縮機與風(fēng)洞管網(wǎng)聯(lián)合工作圖

4）附屬子系統(tǒng)多，聯(lián)鎖監(jiān)控要求高。配置防喘振系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、電/自控系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)和密封充氣系統(tǒng)，各子系統(tǒng)安全運行控制參數(shù)多，安全聯(lián)鎖及上位機實時監(jiān)控要求高。

2.2 壓縮機與風(fēng)洞的安全相關(guān)性

1）壓縮機與風(fēng)洞第一、第二拐角段整體設(shè)計，進出口與洞體通過波紋管相連，安裝質(zhì)量直接影響風(fēng)洞流場品質(zhì)和洞體回路安全；同時軸系振動異常容易造成各連接件損壞，甚至軸線偏移、風(fēng)洞基礎(chǔ)動搖等嚴(yán)重后果。

2）風(fēng)洞管道為閉合回路，試驗時洞體內(nèi)部焊接件、螺栓螺母、試驗?zāi)Ｐ妥兘菈K等異物一旦脫落，極易沖破壓縮機進口防護網(wǎng)（4孔/平方英寸）進入機組內(nèi)流道，打壞轉(zhuǎn)子和葉片，造成重大安全事故。

3）風(fēng)洞二喉道中心體或調(diào)節(jié)片等試驗條件變化會直接引起壓縮機進口流量變化，使機組運行工況極為復(fù)雜多變；壓縮機進口流道的通流面積過小使進口流量變小，容易誘發(fā)喘振。

2.3 安全運行風(fēng)險分析

綜上分析，密封性、軸系穩(wěn)定性、防喘振安全性是影響壓縮機安全運行最為核心的因素，也是事關(guān)風(fēng)洞試驗安全順利開展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一旦安全防護或監(jiān)控不力，便可導(dǎo)致軸承箱漏油、轉(zhuǎn)子或驅(qū)動電機損壞，甚至風(fēng)洞設(shè)備損壞的嚴(yán)重后果，直接威脅到風(fēng)洞試驗安全。

因此，必須進行安全運行設(shè)置，主動保護壓縮機安全，確保機組與風(fēng)洞安全運行。下面結(jié)合0.6m連續(xù)式風(fēng)洞軸流壓縮機的現(xiàn)場安裝、考核及運行情況進行說明。

3 安全運行措施

3.1 現(xiàn)場安裝

1）密封結(jié)構(gòu)安裝。氣封采用三段迷宮型密封[9-11]，油封和氣封之間設(shè)置與大氣相通的放空腔，在靠近油封的一段氣封充氣，阻滯流道內(nèi)氣流泄漏，示意圖見圖4；油封共有兩段，分別防止軸承箱兩端和聯(lián)軸器處漏油。安裝時，油封和氣封間隙均要求≤0.35mm；所有密封面均涂抹密封膠，保證封體和軸承箱之間的密封效果。

圖4 氣密封示意圖

2）機組找正對中。找正對中目的是保證電機與壓縮機的同軸度，使機組平穩(wěn)、安全、可靠運行[12]。找正工具由法蘭盤、伸長桿、表架與百分表組成[13]，采用打表法的找正示意圖見圖5。找正分為粗找和精找，機組正式組裝扣合前進行粗找，精找時須將定子上半部分及軸承箱蓋裝好，消除機組自重產(chǎn)生的撓度影響。機組徑向找正公差≤0.03mm，端面找正公差≤0.015mm。

圖5 找正架示意圖

3）風(fēng)洞接口安裝。壓縮機主軸線為風(fēng)洞管道的短軸基準(zhǔn)線，風(fēng)洞長軸同軸度≤3mm，短軸同軸度≤1mm。安裝時通過調(diào)整底座頂絲達到軸線標(biāo)高要求，同時使各支承全面接觸，機殼水平度相對允許誤差軸向≤0.04mm/m，橫向≤0.06mm/m。設(shè)備基礎(chǔ)復(fù)檢、基礎(chǔ)標(biāo)高及地腳螺栓尺寸符合要求后，再進行機組軸線和接口法蘭復(fù)測，確認(rèn)無誤后對地腳螺栓孔灌漿。

3.2 現(xiàn)場考核試驗

考核試驗的目的是檢驗壓縮機的設(shè)計和安裝效果，為后續(xù)機組的安全參數(shù)設(shè)置與運行提供依據(jù)，主要包括以下幾項內(nèi)容。

3.2.1 密封性能考核

結(jié)合目前情況下，2019年中怡康對家電市場的預(yù)判：從零售額角度看，除了彩電外，冰箱、洗衣機、熱水器、洗碗機、凈水設(shè)備等品類增速都會放緩，空調(diào)及廚衛(wèi)產(chǎn)品可能會迎來負(fù)增長。2018遇冷僅僅是個開始，2019年壓力會更大。在這種情況下，對于家電行業(yè)來講，回歸是核心。經(jīng)濟好的時候，強調(diào)市場上的攻城略地，而在整體運行承壓的情況下，回歸產(chǎn)品、回歸用戶、回歸零售本質(zhì)，圍繞成本、效率、服務(wù)體驗等精耕細(xì)作，聚焦強化核心競爭力，才能在殘酷的競爭中突圍逆襲?？偠灾?，雖然整體家電市場增速在下滑，但向前增長的動力并不缺乏。對于2019年，中國家電市場在新驅(qū)動力的作用下，定將取得新的成績。

密封性能考核目的是檢驗壓縮機段的密封性能。分為兩個階段，第一階段為靜態(tài)氣密性試驗，檢驗機組靜態(tài)密封性能。將壓縮機與風(fēng)洞洞體脫離，封閉機組進出口，通過真空泵抽氣，測量壓縮機段的極限真空度；第二階段為運轉(zhuǎn)狀態(tài)氣密性試驗，將抽真空系統(tǒng)與壓縮機連接，靜葉角設(shè)置46°，在機組1 500r/min下測量壓縮機段的極限真空度和抽氣時間。

試驗驗證了壓縮機段的靜、動態(tài)密封性能良好，獲得了密封供氣壓力安全設(shè)置范圍；機組運轉(zhuǎn)時最低負(fù)壓下的大氣吸入量為0.114kg/s，滿足機組及風(fēng)洞安全運行要求。

3.2.2 機械運轉(zhuǎn)性能考核

通過現(xiàn)場單機機械運轉(zhuǎn)試驗，目的在于檢驗機組的二次裝配質(zhì)量和最終特性。壓縮機進出口管路布置見圖6。

圖6 單機機械運轉(zhuǎn)壓縮機進出口管路布置圖

現(xiàn)場單機機械運轉(zhuǎn)試驗包括單電機驅(qū)動和雙機同步驅(qū)動試驗，分別考核單電機及雙電機驅(qū)動對機組軸系、軸瓦的機械性能影響及電機功率平衡情況。試驗時將壓縮機與風(fēng)洞洞體脫開，進口安裝節(jié)流孔板和濾網(wǎng)，選取幾個典型轉(zhuǎn)速和靜葉角，每個狀態(tài)連續(xù)運行2小時后，檢測機組軸系振動、位移、溫度和電機功率等參數(shù)情況。

試驗表明：機組在電機單驅(qū)和雙電機同步驅(qū)動，以及固定靜葉和調(diào)節(jié)靜葉條件下，進/排氣側(cè)軸振動、軸瓦溫度和軸位移等指標(biāo)良好，電機功率平衡，滿足機組和風(fēng)洞安全運行需求。

3.2.3 防喘振安全性考核

包括喘振邊界測試和防喘振曲線設(shè)置，目的在于測試出壓縮機的安全運行范圍，在程序中固化后作為機組防喘振控制的依據(jù)。

1）喘振邊界測試。測試過程按照風(fēng)洞總壓范圍，劃分為常壓、負(fù)壓和增壓三個階段，測試工況點如圖7所示。工況點1為防喘閥全關(guān)測試點，工況點2為失速開始點或喘振點，工況點3為失速或喘振臨界點，工況點4為工況點1和3之間的壓比平均點。

圖7 喘振邊界測試工況點圖

2）防喘曲線設(shè)置。防喘曲線包括報警線、防喘線和喘振線，如圖8所示，x軸為壓縮機進口體積流量Q（m3/min），y軸為壓比ε。將喘振邊界測試實測喘振點的流量和壓比進行20℃溫度修正，各轉(zhuǎn)速下的喘振點以擬合曲線相連即為喘振線。將實測喘振點的流量分別增大6％和12％，壓比保持不變，各轉(zhuǎn)速下的工況點以擬合曲線相連即為防喘線和報警線。報警線用于警示，防喘線將觸發(fā)旁通回路防喘閥開閥輸出，防止壓縮機進入喘振區(qū)。

圖8 常壓下66°靜葉角防喘振曲線設(shè)置圖

3.3 聯(lián)鎖監(jiān)控設(shè)計

主要功能包括：啟機條件聯(lián)鎖、運行工況監(jiān)測、抽真空條件聯(lián)鎖、洞體超壓控制和風(fēng)洞聯(lián)鎖通訊等。

1）啟機條件聯(lián)鎖。將壓縮機啟機所需的潤滑油、密封冷卻氣、電/自控系統(tǒng)等條件在程序中進行互鎖，所有條件均滿足時方可啟動機組，防止誤操作或忽略啟機條件而盲目啟機，造成安全事故。

2）運行工況監(jiān)測。通過下位機程序和上位機監(jiān)控畫面，實時監(jiān)測、顯示、判斷壓縮機運行參數(shù)和工況，使機組運行異常時有聲音或圖像等明確的報警信息，隨時掌握機組運行狀態(tài)。

3）抽真空條件聯(lián)鎖。將氣封和油封充氣的壓力信號與風(fēng)洞抽氣系統(tǒng)聯(lián)鎖，密封氣壓力正常時才允許風(fēng)洞抽真空；抽氣過程中一旦密封氣壓力異常，將復(fù)位允許抽氣信號，風(fēng)洞快速恢復(fù)常壓，避免潤滑油吸入流道。

4）洞體超壓控制。將風(fēng)洞內(nèi)部壓力信號與壓縮機控制系統(tǒng)聯(lián)鎖，采集機組出口壓力并進行程序設(shè)計，當(dāng)洞體壓力過高時，機組開始降速，靜葉角回到46°，降低機組和風(fēng)洞部件損壞風(fēng)險。

5）風(fēng)洞聯(lián)鎖通訊。壓縮機啟機條件就緒后，向風(fēng)洞安全聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)送申請啟動信號；風(fēng)洞各子系統(tǒng)滿足試驗條件時，向壓縮機控制系統(tǒng)發(fā)送允許啟機信號。規(guī)范應(yīng)答模式，規(guī)避風(fēng)洞與壓縮機通訊安全風(fēng)險。

3.4 物理應(yīng)急措施

為提供壓縮機安全運行后備保護，在風(fēng)洞控制中控臺設(shè)置了急停、正常停機和防喘閥快開等應(yīng)急物理按鈕，降低風(fēng)洞試驗時因出現(xiàn)模型顫抖、流場退卻或模型姿態(tài)角機構(gòu)異常等極端工況造成的設(shè)備和試驗安全風(fēng)險。

4 結(jié)論

0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞軸流壓縮機運行至今，無一起安全事故發(fā)生，運行狀態(tài)良好，為風(fēng)洞試驗提供了動力保障，獲得了安全運行經(jīng)驗。

1）壓縮機安全特性及其與風(fēng)洞的安全相關(guān)性研究是必要的，可為機組和風(fēng)洞的安全運行保護提供充分的實施依據(jù)；

2）本文提出的安全運行措施是合理可行的，滿足壓縮機自身及風(fēng)洞試驗安全需求；

3）研究結(jié)果和安全防護措施具有一定的通用性，可為后續(xù)連續(xù)式高速風(fēng)洞軸流壓縮機安全運行提供參考。

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為了確保0.6m連續(xù)式風(fēng)洞軸流壓縮機的運行安全，分析了軸流壓縮機的安全運行特性及其與風(fēng)洞的安全相關(guān)性，同時介紹了壓縮機現(xiàn)場安裝、調(diào)試與運行中采取的安全保護措施，獲得了安全運行經(jīng)驗。

連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞；軸流壓縮機；安全運行；保護

Safety Characteristics Research and Operational Protection of an Axial Compressor in the Wind Tunnel

Zhang Wen,Zhou Enmin,Liu Kai/China Aerodynamics Research and Development Center
Wang Yitian,Yang Qiping,Wang Yong,Li Huaiqing/Xi’an ShaanGu Power Co.,Ltd.

continuous transonic wind tunnel;axial compressor;safety operation; protection

TH452；TK05

A

1006-8155（2015）01-0078-05

10.16492/j.fjjs.2015.01.120

*本文其他作者：李懷慶/西安陜鼓動力股份有限公司

2014-08-21四川綿陽621000

Abstract：In order to protect an axial compressor in 0.6m×0.6m continuous transonic wind tunnel actively,the safety characteristics of the axial compressor and its safety correlation with wind tunnel was researched,also the safety measure of on-site installation,commissioning and operation was expatiated.The running process proved that experience of safety operation was achieved.