一种大功率高压比离心压缩机性能测试系统及其测试方法与流程

本发明属于压缩机，尤其涉及一种大功率高压比离心压缩机性能测试系统及其测试方法。

背景技术：

1、离心压缩机作为工业领域的核心设备，是气动阀门、作动气缸等的动力源，运行稳定性和可靠性要求高。针对不同的应用工况，压缩机主要以容积式压缩机(活塞式压缩机、有油螺杆式压缩机、无油螺杆式压缩机)和离心式压缩机为主。对于高压力小流量的使用工况，容积式压缩机性价比极高，市场占有率大，但其出口压力波动较大，需配置稳压罐；对于高压比大流量的工况需求，离心式压缩机具有极高的性价比，在石油化工、金属冶炼等领域已有广泛的应用。

2、离心压缩机的性能试验较复杂，且因其出口压力大，需配置高速机械传动系统，故对高速机械传动系统的动态性能测试和气动性能测试至关重要。目前是主要是以电机驱动齿轮箱带动离心叶轮高速旋转，实现将机械能转化为流体的势能和内能，压缩机出气口与稳压罐通过管道连接，稳压罐通过阀门控制排出气量，维持罐内设置压力。

3、目前的离心压缩机的测试方法存在以下问题：

4、(1)离心式压缩机流量大、压力高，功率大，因此离心压缩机的能耗较高，在目前离心式压缩机的压缩气体经稳压罐后直接排空，造成了极大的能源浪费。

5、(2)对于多级离心压缩机，只通过进气压力、温度和出气压力、温度进行综合气动效率测试，未对各级离心叶轮的气动效率进行测试。

6、(3)对于多级离心压缩机，为提高气动效率，均配置级间冷却器，但对级间冷却器的压力损失、冷却效果等没有测试评估。

7、(4)离心压缩机在工作时会产生喘振，喘振情况下会导致高速机械传动系统振动加大、载荷波动大等，导致高速机械传动系统工作异常。

8、(5)对于多级离心压缩机，因叶轮转子系统的转速有差异，但临界转速可能互有交叉，造成在压力扰动、气流激振、质量不平衡等的激励的影响下，会导致传动系统振动过大，严重的会造成破坏性损失。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种大功率高压比离心压缩机性能测试系统及其测试方法，以解决上述背景技术中存在的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种大功率高压比离心压缩机性能测试系统，包括电机拖动系统、齿轮增速传动系统、离心压缩系统、储气罐、涡轮系统、齿轮减速传动系统、发电系统，所述的电机拖动系统的输出轴通过联轴器与齿轮增速传动系统的输入轴连接；所述的齿轮增速传动系统的输出轴与离心压缩系统连接；所述的离心压缩系统的出气口与储气罐进气口连接；所述的储气罐出气口与涡轮系统的进气口连接；所述的涡轮系统包括涡轮和蜗壳，所述的涡轮与齿轮减速传动系统的输入轴直连；所述的齿轮减速传动系统的输出轴通过联轴器与发电系统的输入轴连接；

4、所述的离心压缩系统包括多级离心压缩机；所述的多级离心压缩机包括离心叶轮和离心蜗壳；所述的离心叶轮与齿轮增速传动系统直连，离心叶轮设有多个，相邻的离心叶轮之间通过管道经级间冷却器后相互连接。

5、进一步，所述的每级离心叶轮的进气口和出气口上设有气温传感器和气压传感器。

6、进一步，所述的每级离心叶轮的进气口和出气口上设有气温传感器和气压传感器。

7、所述的级间冷却器的进水口和出水口上设有水温传感器和流量传感器。

8、一种大功率高压比离心压缩机性能测试系统的测试方法，包括以下内容：

9、(1)气动效率检测：通过传感器检测每级离心叶轮进出气口的压力和温度，并计算每级离心叶轮的气动效率，得到综合气动效率。

10、(2)级间冷却器性能检测：通过传感器监测级间冷却器的进出气口的压力和温度，并监测进出水口的温度、压力和流量，计算每个级间冷却器的冷却热量和压力损失。

11、(3)传动状态检测：通过状态检测系统对齿轮增速传动系统和齿轮减速传动系统的运行状态进行监测，并判断运行状态是否正常，并根据判断结果对离心压缩系统和涡轮系统进行调整，保证齿轮增速传动系统和齿轮减速传动系统的正常运行。

12、(4)转子转速检测：通过转子动力学和振动测试结果，获得各级离心叶轮转子的临界转速，计算离心叶轮转子转速的正常转速区间，并将各级离心叶轮转子转速保持在正常转速区间内。

13、进一步，所述的(1)中，具体方法为：通过传感器检测每级离心叶轮的进出气口的气温和气压，并计算每一级离心叶轮的气动效率，计算公式为：

14、

15、式中：

16、ηn——第n级离心叶轮气动效率；

17、m——介质多变系数；

18、k——介质绝热系数，对空气可取1.4，无量纲；

19、pni——第n级离心叶轮进口压力，单位为帕(pa)；

20、pno——第n级离心叶轮出口压力，单位为帕(pa)；

21、tni——第n级离心叶轮温度，单位为开(k)

22、tno——第n级离心叶轮出口温度，单位为开(k)；

23、根据得到的每级离心叶轮的气动效率，计算综合气动效率：

24、η＝η1×η2×···×ηn

25、即可得到多级离心叶轮叶轮的综合气动效率。

26、进一步，冷却热量的计算方法为：通过传感器检测级间冷却器的进出水口流量、水温，计算每个级间冷却器的冷却热量，计算公式为：

27、w＝c×m×δt＝(qw×ρ)×(wto－wti)

28、式中：

29、w——冷却热量；

30、c——水的比热容；

31、m——水的质量；

32、δt——进出水口温差；

33、qw——水的进出口流量；

34、ρ——水的密度；

35、wti——进水口水温；

36、wto——出水口水温。

37、进一步，所述的(2)中，冷却损失的计算方法为：通过传感器检测级间冷却器进出气口的温度、压力，计算每个级间冷却器的气体压力损失：

38、ap＝(apo－api)

39、式中：

40、ap——气体压力损失；

41、api——出气口气压；

42、apo——进气口气压。

43、进一步，所述的(3)中，状态监测系统包括plc控制系统，plc控制系统对齿轮增速传动系统进行状态监测，判断是否正常，并根据判断结果调整离心压缩系统的运行参数，使齿轮增速传动系统运行状态保持正常。

44、进一步，所述的(4)中，具体方法为：先根据转子动力学计算各级离心叶轮转子系统的前3阶临界转速理论值，再利用振动测试的结果进行修正，得到各级离心叶轮转子的前3阶临界转速准确值，并根据得到的临界转速准确值计算各级离心叶轮转子的正常转速区间，使各级离心叶轮转子的转速保持在正常转速区间内。

45、进一步，所述的各级离心叶轮转子的正常转速区间为：

46、0.85fns≤nn≤1.15fns

47、式中：fns——第n级离心叶轮转子的第s阶临界转速

48、nn——第n级离心叶轮转子转速。

49、本发明相比于现有技术的有益效果为：

50、1.本发明的测试系统中，离心压缩系统产生的压缩气体排入储气罐后，涡轮系统能够将压缩气体的内能和势能转化为机械能，在通过发电系统将机械能转化为电能，实现能量回收，减少能量浪费。

51、2.本发明的测试方法中，通过检测每级离心叶轮的气温、气压，并计算每级离心叶轮的气动效率，从而得到多级离心压缩机的综合气动效率，能够准确评估多级离心机的气动效率，根据计算结果，能够对各级离心叶轮的气动性能进行优化匹配，使系统的综合气动效率最高。

52、3.本发明的测试方法中，通过传感器检测级间冷却器进出气口的气温、气压和流量，计算出级间冷却器的冷却热量能力，并检测级间冷却器进出水口的水温、水压，计算出级间冷却器的热量损失，对级间冷却器的性能进行准确评估，便于对离心压缩机系统进行优化设计。

53、4.本发明的测试方法中，通过状态监测系统对齿轮增速传动系统和齿轮减速传动系统进行状态监测，防止由于离心压缩系统和涡轮系统喘振造成传动系统工作异常，通过调整离心压缩系统和涡轮系统的运行参数进行退喘，保证传动系统的正常工作。

54、5.本发明的测试方法中，通过对各级离心叶轮转子的临界转速进行计算，得到各级离心叶轮转子的正常转速区间，保证各级离心叶轮转子的正常工作，维持系统的稳定。