干湿同路多适况试验系统及压气机、涡轮性能测试方法

本发明涉及试验系统，具体而言，涉及干湿同路多适况试验系统及压气机、涡轮性能测试方法。

背景技术：

1、随着国民经济的发展，空气压缩机简称空压机的设计制造技术取得了很大进步，在社会生产中已被广泛的运用，空压机是气体传输系统的核心，是氢能源燃料电池发动机核心零部件。

2、空压机的正常工作是安全生产的关键，但是目前对于空压机的性能测试研究缺乏有效的手段，现有的空压机测试设备结构复杂，当需要维修或更换其中的部件时拆卸不便，并且不能准确地测试出两级湿压缩所取得效率收益以及级间中冷湿压缩下冷却液供给功耗降低收益，阀门调控的准确性和及时性低。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的提出了干湿同路多适况试验系统及压气机、涡轮性能测试方法，所述干湿同路多适况试验系统拆卸简便，提高了部件利用率，精确有效的获得两级湿压缩所取得效率收益以及级间中冷湿压缩下冷却液供给功耗降低收益，提高了阀门调控的准确性和及时性。

2、为了实现上述技术目的，本发明提供了一种干湿同路多适况试验系统，包括进气系统、待测样机、冷却系统、干湿同路进排气系统、变湿调控系统；

3、所述进气系统包括：双扭线流量计、雾化喷头、进气管；

4、所述待测样机包括：两级电驱空压机和涡辅电驱空压机；

5、所述冷却系统包括：冷却水泵、水箱、中冷器、中冷器进气管路、中冷器主排气管、中冷器副排气管、冷却液出口主管道、冷却液出口支管道1/2/3、冷却液回流支管路1/2/3、冷却液回流主管路、气动阀门1、截止阀1、截止阀2、截止阀3；

6、所属中冷器还包括：热端进口、热端出口，热端进口与中冷器进气管路一端连接，中冷器进气管路另一端与1s空压机出口以软连接的方式通过热端出口与中冷器主排气管路连接，中冷器主排气管路与中冷器副排气管以三通连接，中冷器主排气管路下游安设截止阀2；

7、所述干湿同路进排气系统包括：干湿进排主管、干湿主排气管、干湿辅排气管、2s/涡轮进排管、涡轮排气管、气动阀门2、气动阀门3、截止阀4；

8、所述变湿调控系统包括：蒸汽发生器、减压阀、稳压罐、调节阀1、调节阀2、供液泵，蒸汽发生器用于产生目标热力状态的湿蒸汽，蒸汽发生器下游连接稳压罐，连接管路上设有减压阀，稳压罐用于保证湿蒸汽的稳定供给。

9、优选地，所述干湿同路多适况试验系统还包括实时数据采集系统和控制系统，实时数据采集系统用于收集目标位置工质热力参数、储存数据和参数可视化，控制系统用于调控阀门开度、电机转速。

10、优选地，所述进气系统中的所述进气管上还置有温度传感器和湿度传感器，温度传感器和湿度传感器按照进气流动方向依次排列。

11、优选地，所述中冷器中的所述主排气管上还安设干湿混合器。

12、一种压气机、涡轮性能测试方法，应用于所述的干湿同路多适况试验系统，所述压气机、涡轮性能测试包括：两级电驱空压机干湿压缩性能测试、级间冷却下两级电驱空压机干湿性能测试、涡辅电驱空压机湿压缩湿膨胀性能测试。

13、优选地，所述两级电驱空压机干湿压缩性能测试过程中，1s空压机出口与中冷器热端进口管的连接置空，调节阀2置于全关状态，气动阀门2、气动阀门3置于全开状态，两级空压机级间还设有温度传感器、压力传感器，空压机启动运行后，空气分别流经双扭线流量计、进口管、1s空压机、级间管路、2s空压机、干湿进排主管、干湿主排气管、干湿辅排气管；

14、调节电机转速，使空压机在目标转速下稳定运行，当空压机稳定运行后，读取上位机中双扭线流量计采集到的流量信息，若实测流量与目标流量不符，依次调整气动阀门2、气动阀门3的开度值，分别实现流量的粗调和微调，直至实测流量达到目标流量；

15、读取两级电驱空压机进口、出口、级间的温度、压力传感器采集到的数据结果以及电机扭矩大小，估算压气机单级或整级性能，依次改变电机转速和空压机流量，得到两级电驱空压机性能map图；

16、设定空压机进口空气加湿量主控参数为气液比ζ，气液比ζ变化范围为0.5％-2.5％额定工况点流量；

17、将空压机转速和流量调至初始预设态，当空压机稳定运行时，将气液比ζ设定为0.5％额定工况点流量，控制系统接受指令后改变调节阀2的开度，直至空压机各位置处的流量、温度、压力稳定后读取采集数据，随后依次将ζ设定为1％、1.5％、2％、2.5％额定工况点流量，重复上述步骤，记录空压机在不同工况点和气液比ζ下的流量、温度、压力数据；

18、根据所测数据，空压机干压缩与湿压缩时的计算公式如下：

19、

20、

21、δη＝ηwet-ηdry

22、其中，mdry,a为空压机干压缩时空气的质量流量，kg/s；mwet为空压机湿压缩时湿空气的质量流量，kg/s；wdry,iso为空压机干压缩时压缩空气等熵比功率，w；wv为空压机湿压缩时压缩水蒸气的等熵比功率，w；ωm为电机转速，rad/s；mdry为空压机干压缩时电机转矩，n.m；mwet为空压机湿压缩时电机转矩，n.m；

23、基于两级电驱空压机湿压缩后效率上所取得的有效增益δη，确定空压机在各工况点的最优气液比ζ。

24、优选地，所述级间冷却下两级电驱空压机干湿性能测试过程中，1s空压机出口与中冷器热端进口管的连接，2s空压机入口与2s/涡轮进排管连接，关闭截止阀2，关闭气动阀门1，打开截止阀3，同时，调节阀2置于全关状态、气动阀门2、3置于全开状态，空压机启动运行后，空气分别流经双扭线流量计、进口管、1s空压机、中冷器进气管路、中冷器、中冷器副排气管路、2s/涡轮进排管、2s空压机、干湿进排主管、干湿主排气管、干湿辅排气管；

25、调节电机转速，使空压机在目标转速下稳定运行。当空压机稳定运行后，读取实时采集的中冷器热端进出口温度、中冷器冷端进排液温度、中冷器冷端进排液压降、冷却液流量，如果中冷器热端排气温度不满足预设值，重新调整中冷器气动阀门1的开度以改变冷却液流量，调整气动阀门2、3的开度值，直至实测流量达到目标流量，读取1s空压机进出口与2s空压机进出口温度、压力实测值，估算压气机单级或整级性能，依次改变电机转速和空压机流量，重复上述步骤，得到两级电驱空压机性能map图；

26、将空压机转速和流量调至初始预设态，将气液比ζ设定为0.5％额定工况点流量，当空压机稳定运行时，读取中冷器热端进排气温度、湿空气流量、中冷器冷端进排液温度、中冷器冷端进排液压降、冷却液流量。随后依次将ζ设定为1％、1.5％、2％、2.5％额定工况点流量，重复上述步骤，记录空压机在不同工况点和气液比下系统中各位置的温度、压力、相对湿度数据；

27、确定了基于级间中冷下两级电驱空压机湿压缩后效率上所取得的有效增益δη后，还确定了空压机在各工况点的最优气液比ζ下冷却液供给所需功耗降低增益δp，具体表达式如下：

28、

29、其中，mdry,cool为干压缩时的冷却液流量，kg/s；mwet,cool为湿压缩时的冷却液流量，kg/s；δpdry,cool干压缩时的冷却液进出口压降，pa；δpwet,cool湿压缩时的冷却液进出口压降，pa；

30、湿压缩时气动阀门1的开度可参考干压缩同温升条件下冷却液流量确定初始预设值kinitial，具体关系如下：

31、

32、

33、

34、其中，cp,wet为湿空气的定压比热容，j/(kg.k)；cp,water为冷却液的定压比热容，j/(kg.k)；ti,out为中冷器热端出口温度，k；ti,in为中冷器热端进口温度，k；δtdry,cool为同等工作条件下干压缩时冷却液进出口温差，k。

35、优选地，所述涡辅电驱空压机湿压缩湿膨胀性能测试过程中，1s空压机出口与中冷器热端进口管的连接，2s空压机入口与2s/涡轮进排管连接，打开截止阀2，关闭气动阀门1，关闭截止阀3，同时，调节阀2置于全关状态、气动阀门2置于全开状态、气动阀门3置于全闭状态。空压机启动运行后，空气分别流经双扭线流量计、进口管、1s空压机、中冷器进气管路、中冷器、中冷器主排气管路、干湿混合器、干湿进排主管、干湿主排气管、干湿辅排气管、涡轮、2s/涡轮进排管、涡轮排气管；

36、调节电机转速，使空压机在目标转速下稳定运行。当空压机稳定运行后，将气液比ζ设定为0.5％额定工况点流量，中冷器出口温度设定为75℃。等待空压机再次稳定运行后，读取涡轮出口流量，若与目标流量不符，调节气动阀门2与气动阀门3，直至满足涡轮出口流量符合要求。此时读取1s空压机进出口、中冷器出口、涡轮进出口处的温度、压力和相对湿度数据，同时读取压气机进口流量、涡轮出口流量和电机转矩；

37、调节阀1可根据中冷器出口的相对湿度设定初始开度ξinitial，具体关系如下：

38、

39、

40、

41、其中，θ*为湿空气目标相对湿度，％；θ为中冷器出口相对湿度，％；为目标相对湿度下的水蒸气分压，pa；为中冷器出口相对湿度下的水蒸气分压，pa；为湿空气在温度tair下的饱和蒸汽压，pa；pall为干湿混合器排气压力，pa；mh2o为水的摩尔质量，kg/mol；

42、依次将ζ设定为1％、1.5％、2％、2.5％额定工况点流量，重复上述步骤，记录1s空压机进出口、中冷器出口、涡轮进出口处的温度、压力和相对湿度数据，同时读取压气机进口流量、涡轮出口流量和电机转矩。

43、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

44、第一，本发明所述试验系统可以针对不同试验需求选择不同型号的两级电驱空压机、涡辅电驱空压机，拆卸简便、结构紧凑、安全可靠；中冷器换热功率适配区间较大，既可以用于两级空压机级间中冷，又可用于涡前热空气冷却，使整个试验台系统具有低成本、高收益、高可靠性的优势；基于试验类型的差异，部分管路通道发挥不同的功能，降低了系统的复杂程度，同时，提高了部件利用率。

45、第二，试验系统主要可以实现两级电驱空压机干湿压缩性能测试、级间冷却下两级电驱空压机干湿性能测试、涡辅电驱空压机湿压缩湿膨胀性能测试，根据试验类型的差异，按需控制试验台气路管路的疏通与截停，根据采集到的数据可以精确有效的获得两级湿压缩所取得效率收益δη以及级间中冷湿压缩下冷却液供给功耗降低收益δp。

46、第三，本发明基于试验系统不同的测试功能，控制系统对阀门进行调节过程考虑如下预设条件：级间冷却下两级电驱空压机湿压缩性能测试时气动阀门1初始开度kinitial可由冷却液流量确定，空压机湿压缩湿膨胀性能测试时调节阀1初始开度ξinitial可根据中冷器出口的相对湿度确定。上述规则极大程度上提高了阀门调控的准确性和及时性。