周恩民 張文 劉愷*/中國空氣動力研究與發(fā)展中心

王儀田 施宏博 程超/西安陜鼓動力股份有限公司

E71-3離心壓縮機(jī)熱力性能試驗研究

周恩民 張文 劉愷*/中國空氣動力研究與發(fā)展中心

王儀田 施宏博 程超/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（簡稱氣動中心）新建的一座連續(xù)式高速風(fēng)洞。該風(fēng)洞配置了主、輔兩套壓縮機(jī)，其中主壓縮機(jī)為AV90-3軸流壓縮機(jī)，用于驅(qū)動風(fēng)洞主回路的氣流流動；輔壓縮機(jī)為E71-3三級離心壓縮機(jī)，用于跨聲速時的駐室抽氣。隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、流量等參數(shù)的變化，其壓比、功率、效率、噪聲等性能參數(shù)也會隨之變化。這種變化關(guān)系集中體現(xiàn)了壓縮機(jī)的性能特點，是選擇與使用壓縮機(jī)的重要前提。然而，由于現(xiàn)階段壓縮機(jī)理論還不夠成熟和完善，特別是壓縮機(jī)內(nèi)部的各種損失難以精確計算，并難以用理論方法計算和繪制出準(zhǔn)確的壓縮機(jī)性能曲線。因此，性能試驗就成為了獲取壓縮機(jī)性能參數(shù)的主要途徑[1]。

目前，國內(nèi)對常規(guī)工業(yè)透平壓縮機(jī)性能試驗的測試與研究比較多[2-6]，主要側(cè)重于獲得機(jī)組性能曲線和研究不同試驗裝置、不同葉輪結(jié)構(gòu)對機(jī)組性能的影響，范秀香等人還采用VB和MATLAB混合編程的方法開發(fā)了一套壓縮機(jī)性能測試軟件[7]。然而國內(nèi)的連續(xù)式高速風(fēng)洞起步較晚、數(shù)量較少，對這種特殊管網(wǎng)系統(tǒng)中壓縮機(jī)的性能測試，特別是進(jìn)氣壓力變化對機(jī)組性能影響的研究還很缺乏。

本文針對0.6m連續(xù)式風(fēng)洞中的E71-3離心壓縮機(jī)進(jìn)行了熱力性能試驗研究。

1 壓縮機(jī)介紹

0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞結(jié)構(gòu)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；試驗段馬赫數(shù)M＝0.2～1.6。

風(fēng)洞總體設(shè)計要求在馬赫數(shù)0.8～1.4范圍內(nèi)運(yùn)行輔壓縮機(jī)進(jìn)行駐室抽氣。

圖10 .6m連續(xù)式風(fēng)洞輪廓圖

輔壓縮機(jī)位于風(fēng)洞駐室抽氣回路內(nèi)，由1臺1 500kW的電動機(jī)和1臺速比為2.857的齒輪箱拖動，設(shè)計工作轉(zhuǎn)速（5 100～8 571）r/min，采用旁通回流預(yù)防喘振。

2 測試方法

每次試驗前，將風(fēng)洞穩(wěn)定段總壓和輔壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到試驗工況，逐步調(diào)節(jié)進(jìn)口流量調(diào)節(jié)閥開度，改變輔壓縮機(jī)進(jìn)氣流量進(jìn)行試驗。試驗氣路流程圖見圖2。

圖2 試驗氣路流程圖

測試過程按照風(fēng)洞穩(wěn)定段總壓被劃分為負(fù)壓（20kPa）、常壓（96kPa）、增壓（140kPa）三個階段。總壓由安裝在風(fēng)洞穩(wěn)定段的壓力傳感器直接測得，分為150kPa（負(fù)壓、常壓）和300kPa（增壓）兩個量程，精度均為0.2％。

2.1 性能曲線測試

在各測試轉(zhuǎn)速下，將進(jìn)口流量調(diào)節(jié)閥開度從100％，按照10％或5％的階梯逐步減小，采用壓力波動法[8]進(jìn)行喘振判別。

輔壓縮機(jī)進(jìn)口體積流量由質(zhì)量流量換算而來。質(zhì)量流量則由安裝在輔壓縮機(jī)出口的流量計測量并計算得到。計算公式如下：

其中：

C'為質(zhì)量流量系數(shù)；p2為壓縮機(jī)出口氣流壓力，Pa；pd為流量計差壓，Pa；T1為壓縮機(jī)進(jìn)口溫度，K；T2為壓縮機(jī)出口溫度，K；Zf為壓縮常數(shù)，1.000 11；R為氣體常數(shù)，287.1J/kg·K。

壓比為輔壓縮機(jī)出口氣流與入口氣流壓力之比。進(jìn)、出口氣流壓力則由安裝在輔壓縮機(jī)進(jìn)、出口管道上的壓力變送器測得，精度均為0.15％。

2.2 多變效率測試

多變效率是壓縮機(jī)常用的一種效率表達(dá)方式，等于壓力升高所需的多變壓縮功與實際所消耗功的比值，是反映氣體壓縮過程中流動損失大小的一個指標(biāo)[9-10]。

在各測試轉(zhuǎn)速下，從最大流量工況點到最接近失速點或喘振點的穩(wěn)定工況點，按流量平均取4個點來進(jìn)行多變效率測試。

根據(jù)能量守恒定律，采用熱平衡法[11]，通過測量達(dá)到熱平衡狀態(tài)后的壓縮機(jī)壓比和進(jìn)、出口溫升間接確定壓縮機(jī)多變效率[2]。計算公式如下：

其中：k為空氣絕熱指數(shù)，取1.4；T1為壓縮機(jī)進(jìn)口氣流溫度，K；T2為壓縮機(jī)出口氣流溫度，K；p1為壓縮機(jī)進(jìn)口氣流壓力，Pa；p2為壓縮機(jī)出口氣流壓力，Pa。

溫度由安裝在輔壓縮機(jī)進(jìn)、出口管道上的Pt100熱電阻直接測得，精度為0.1級。

2.3 噪聲測試

離心壓縮機(jī)是一種高噪設(shè)備,其噪聲來自綜合性的噪聲源,主要包括機(jī)械性噪聲、空氣動力性噪聲以及電氣噪聲。其中，機(jī)械性噪聲是由轉(zhuǎn)動部分的摩擦、撞擊、不平衡以及結(jié)構(gòu)共振所產(chǎn)生，而空氣動力性噪聲則是由氣體流動產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲組成[12]。

采用HS5670A型積分平均聲級計對機(jī)組主軸水平面內(nèi)距各組件殼體表面1米處[13]的7個測點的A聲級LA進(jìn)行測量。測點位置示意圖見圖3。

圖3 噪聲測點示意圖

由公式（3）計算機(jī)組的平均A聲級LA[13]。

其中：LA為平均A聲級，dB（A）；L1、L2……Ln為A聲級測量值，dB（A）；n為測點數(shù)。

3 測試結(jié)果分析

3.1 性能曲線測試結(jié)果

圖4、圖5、圖6分別為負(fù)壓20kPa、常壓96kPa、增壓140kPa下的壓比-流量性能曲線測試結(jié)果。受電機(jī)功率限制，增壓下只測試到8 000r/min。

圖4 性能曲線測試結(jié)果（20kPa）

圖5 性能曲線測試結(jié)果（96kPa）

圖6 性能曲線測試結(jié)果（140kPa）

可以看出，輔壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，流量減小，壓比增大，但流量都有一個最小極限值，如果流量再減小即會發(fā)生失速或喘振，在風(fēng)洞試驗中要堅決杜絕流量過小，越過喘振邊界線，發(fā)生喘振的現(xiàn)象，否則將發(fā)生機(jī)組毀壞，甚至風(fēng)洞破壞的嚴(yán)重事故。

試驗結(jié)果表明，在相同轉(zhuǎn)速和進(jìn)口流量調(diào)節(jié)閥開度下，不同的穩(wěn)定段總壓對機(jī)組的流量、壓比有一定的影響。以7 084r/min為例（具體數(shù)據(jù)見表1），與常壓（96kPa）相比，穩(wěn)定段總壓引起的流量變化最大為4.5％，壓比變化最大為2.4％。因此，在防喘振曲線設(shè)置時，必須對進(jìn)氣壓力進(jìn)行實時修正，以消除總壓變化帶來的影響。

3.2 多變效率測試結(jié)果

由圖7和表2可以看出，轉(zhuǎn)速一定時，輔壓縮機(jī)在中間的某個流量（對應(yīng)入口調(diào)節(jié)閥開度約60％左右）多變效率最高，這主要是因為不同流量對應(yīng)著不同的葉片沖角，在某流量下，沖角有最佳值。如偏離此值，不論沖角增大或減小，均會在葉片中出現(xiàn)氣流分離，損失增大，多變效率下降。

表1 進(jìn)氣壓力對壓縮機(jī)性能的影響7 084r/min

圖7 多變效率測試結(jié)果

還可以看出，相同轉(zhuǎn)速下，隨著穩(wěn)定段總壓的升高，多變效率曲線向下方移動，多變效率明顯降低。這主要是因為，進(jìn)氣壓力增大后，密度增大，氣體難于壓縮，壓縮過程產(chǎn)生的損失增大，導(dǎo)致多變效率降低。

3.3 噪聲測試結(jié)果

表2 多變效率測試結(jié)果

由圖8和表3可以看出，相同總壓下，隨著轉(zhuǎn)速升高，各測點噪聲和平均噪聲均逐漸增大，這主要是因為轉(zhuǎn)速升高，機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的摩擦、撞擊和不平衡加劇，導(dǎo)致機(jī)械性噪聲增大。而相同轉(zhuǎn)速下，隨著進(jìn)氣壓力升高，噪聲逐漸變大，負(fù)壓20kPa下各測點噪聲和平均噪聲最小。這主要是因為進(jìn)氣壓力升高后，密度增大，氣體流動產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲增大，導(dǎo)致空氣動力性噪聲增大。

圖8 平均噪聲測試結(jié)果

3.4 設(shè)計指標(biāo)達(dá)到情況

根據(jù)熱力性能試驗結(jié)果，輔壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍、進(jìn)氣體積流量、壓比、設(shè)計點（M＝1.4，p0＝1.5×105Pa）多變效率等參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)，滿足使用要求，詳見表4。

表3 噪聲測試結(jié)果

表4 設(shè)計指標(biāo)滿足情況

4 結(jié)論

通過0.6m連續(xù)式風(fēng)洞E71-3離心壓縮機(jī)的熱力性能試驗，測試出了機(jī)組性能，獲得的試驗結(jié)果和規(guī)律，可為后續(xù)連續(xù)式風(fēng)洞壓縮機(jī)的調(diào)試提供借鑒和參考。

1）在相同轉(zhuǎn)速和進(jìn)口流量調(diào)節(jié)閥開度下，進(jìn)氣壓力對壓縮機(jī)的壓比-流量性能曲線存在一定的影響。在防喘振曲線設(shè)置時，必須對進(jìn)氣壓力進(jìn)行實時修正，以消除總壓變化帶來的影響。

2）轉(zhuǎn)速一定時，在進(jìn)口流量閥開度60％左右對應(yīng)的中間某個流量，E71-3離心壓縮機(jī)多變效率有最大值。

3）隨著進(jìn)氣壓力的升高，機(jī)組損失增大，多變效率降低，氣體流動產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲增大，導(dǎo)致各測點噪聲和平均噪聲增大。

4）E71-3離心壓縮機(jī)工作轉(zhuǎn)速、流量、壓比、多變效率等參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)，滿足使用要求。

5）后續(xù)還需通過理論分析、數(shù)值計算、試驗研究相結(jié)合的方法，對進(jìn)氣壓力升高對性能曲線、多變效率、噪聲產(chǎn)生影響的原因和機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

[1]雷劍宇，廖明夫，楊伸記.鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)性能測試系統(tǒng)設(shè)計與實踐[D].西安：西北工業(yè)大學(xué),2005.

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為了測試出0.6m連續(xù)式風(fēng)洞E71-3離心壓縮機(jī)的性能，進(jìn)行了熱力性能試驗。介紹了性能曲線、多變效率和噪聲的測試方法。結(jié)果表明：機(jī)組工作轉(zhuǎn)速范圍、進(jìn)氣體積流量、壓比及設(shè)計點多變效率等參數(shù)均達(dá)到設(shè)計指標(biāo)要求，進(jìn)氣壓力對性能曲線有一定影響，進(jìn)氣壓力增大后多變效率降低、噪聲增大?？蔀楹罄m(xù)連續(xù)式風(fēng)洞壓縮機(jī)的熱力性能試驗提供借鑒參考。

連續(xù)式風(fēng)洞；壓縮機(jī)；熱力性能；多變效率；噪聲

ThermodynamicPerformanceTest and Research of E71-3 Centrifugal Compressor

Zhou Enmin，Zhang Wen，Liu Kan，Cheng Song，XiongBo/ChinaAerodynamics Research and Development Center
Wang Yitian，Shi Hongbo，Cheng Chao/ Xi'an Shaangu Power Co.,Ltd

continuouswindtunnel; compressor;thermodynamic performance; polytropic efficiency;noise

TH452;TK05

A

1006-8155（2015）06-0039-06

10.16492/j.fjjs.2015.06.15016

*本文其他作者：程松熊波/中國空氣動力研究與發(fā)展中心

2015-02-04四川綿陽621000

Abstract：In order to test the E71-3 centrifugalcompressor'sperformancein the0.6mcontinuouswindtunnel,the thermodynamicperformancetestwas conducted.The method of how to test performance curve,polytropic efficiency and noise were introduced in the paper. The conclusion shows that the range of workingrotation,inletvolumeflow, pressure ratio and polytropic efficiency in design point of the compressor have all reached the design requirements.The inlet pressurehasalittleeffectonthe compressor's performance,the polytropic efficiency become lower and the noise increase as the inlet pressure increases.It providedthereferencetolarge-scale continuouswindtunnelcompressor's thermodynamic performance test.