一种轴流压缩机喘振边界测定系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及透平压缩机喘振边界测定领域，特别是涉及一种安装在连续式高速风洞主回路中的轴流压缩机的喘振边界测定系统。
【背景技术】
[0002]常规工业装置轴流压缩机大多处于开式管网，压缩机的转速、入口流量、入口压力均相对稳定、变化较小，而连续式风洞是一种特殊管网，具有区别于常规工业工况的明显特点:风洞与轴流压缩机形成闭环回路、管网阻力变化频繁、压缩机运行转速范围大、运行工况多变、个别工况点靠近喘振区等，更加容易发生喘振，且一旦发生喘振，对风洞回路内的设备和轴流压缩机本体的危害极大。
[0003]为避免压缩机发生喘振，确保风洞试验安全进行，必须设法获得准确的压缩机喘振边界线，以界定出压缩机的安全运行范围。理论计算的喘振边界线受数值计算准确度、机组加工误差等因素影响，与实际的喘振边界线往往存在一定偏差，这就需要在风洞现场人工实施喘振测试，以测定出压缩机实际喘振边界线，再在此基础上留有适量裕度设置相应的防喘振线。
[0004]但是，现阶段透平压缩机喘振边界测定领域，特别是连续式高速风洞应用场合，尚没有一套能够应用于用户现场的喘振边界测定系统。即使能够完成喘振边界测定的装置或方法，也存在设备和操作界面分散、岗位设置多、程序繁琐等缺陷，安全风险大、测定效果不佳；喘振判定装置和判据的普适性、可靠性不强，给风洞回路内的设备带来极大危险；无法模拟今后风洞试验模型产生气流阻塞、马赫数粗/精调节、总压变化等实际工况，使用工况范围小、功能少，研宄和生产价值不佳；相似工况已采用的方法，得到的喘振边界对应的曲线组成又极其复杂，可视化效果差、保护应用设置复杂，不便人员监控。
[0005]可见，现有装置和方法已不适应于我国不断提高的连续式风洞建设、使用需求。因此，亟需开发一种压缩机喘振边界测定系统，以达到操作方便、结果准确、应用便捷、安全可靠地测定出连续式风洞中轴流压缩机喘振边界的效果。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型的目的是为了避免现有技术的不足之处，提供一种轴流压缩机喘振边界测定系统。
[0007]为实现上述目的采用如下技术方案:
[0008]一种轴流压缩机喘振边界测定系统，该系统由监控系统与PLC控制系统组成，所述PLC控制系统与监控系统之间通过以太网TCP/IP协议双向通信；所述PLC控制系统包括PLC、压力测量子系统、静叶调节子系统、压缩机转速调节子系统、逼喘子系统、喘振判定子系统、快速脱喘子系统、总压调节子系统，每个子系统通过数据线与PLC进行通信；所述监控系统包括基于WinCC组态软件的监控界面和快速脱喘按钮，脱喘按钮与PLC控制系统连接。
[0009]在上述技术方案中，所述压力测量子系统包括设置在风洞稳定段的若干总压传感器、总温传感器和设置在风洞试验段的若干静压传感器，以及设置在压缩机进出口的若干静压传感器、温度传感器。
[0010]在上述技术方案中，所述压缩机转速调节子系统采用高压交流变频器驱动异步电动机，PLC通过与变频器的modbus通信和硬接线。
[0011]在上述技术方案中，所述逼喘子系统采用防喘振阀和二喉道型面机构作为逼喘机构，所述二喉道型面机构包括二喉道中心体与三段调节片。
[0012]在上述技术方案中，所述二喉道中心体与三段调节片通过型面调节来减小或增大二喉道通流截面积。
[0013]在上述技术方案中，所述快速脱喘子系统，采用风洞回路上的防喘振旁路和防喘振阀作为快速脱喘动作的执行机构，所述防喘振阀直接与脱喘按钮连接，由脱喘按钮控制防喘振阀的快开功能。
[0014]在上述技术方案中，所述脱喘按钮通过PLC控制系统中PLC与脱喘按钮连接，在监控界面上设置虚拟脱喘按钮与防喘振阀快开功能联锁。
[0015]一种轴流压缩机喘振边界测定系统的喘振边界测定方法，包括以下步骤:
[0016]步骤一:喘振边界测定开始后，通过在监控界面依次输入目标静叶角度、目标压力，利用静叶调节子系统、风洞总压调节子系统分别将静叶角度和风洞总压调整至目标值，并在测定过程中保持；
[0017]步骤二:在监控界面输入目标转速，利用压缩机转速调节子系统，采取从低转速开始，每一个阶梯转速稳定后，再通过控制参数设置界面逐渐关闭防喘振阀、调节二喉道中心体和调节片的方式进行逼喘，通过喘振判定子系统确认是否喘振，发生喘振则立即按下快速脱喘按钮，压缩机快速脱离喘振区，进入安全工作状态；
[0018]步骤三:步骤二结束后此时体积流量Q和压比ε对应的工况点(流量最小、压比最高)即为压缩机在当前转速阶梯的喘振点；否则，以失速点或流量最小、压比最大的工况点作为“替代”喘振点；当得到当前转速对应的喘振点后，升速至下一个转速阶梯并重复逼喘过程；
[0019]步骤四:监控界面全程实时记录喘振边界测定过程的数据，试验中或试验后，通过对存档数据的分析即可得到已完成或所有喘振点的数据；最终，将得到的所有转速阶梯的喘振点连接成线后，即是该风洞总压和压缩机目标静叶角下全工作转速范围内的压缩机喘振边界。
[0020]在上述步骤三中的“替代”喘振点选取方法为:在逼喘过程中，可能产生喘振、先失速(失速判据为压缩机压比突然降低)后喘振、只失速不喘振、既不失速也不喘振四种结果，对于后三种情况选择失速点或流量最小、压比最大的工况点作为“替代”喘振点。
[0021]在上述的压缩机喘振的判定方法为:所述喘振判定子系统采用在压缩机进、排气侧安装精密压力表，观察指针摆动的测压法，来进行压缩机喘振判定。
[0022]综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是:本实用新型解决了目前对连续式高速风洞轴流压缩机喘振边界的测定，并且相较于现有系统、装置和方法，操作界面统一规整、使用简单；喘振判定更加可靠、准确和安全，最大限度避免了喘振测试对压缩机和风洞设备的损害；使用本实用新型涉及的系统测定的喘振边界为一条平滑的曲线，符合轴流压缩机的性能特点，线型更加简洁、应用更加便捷，防喘振程序设计和人员监控更加方便；特别针对需要不同总压、不同静叶角、全工作转速范围连续调速条件下测定的新要求，本实用新型巧妙的采用总压调节、静叶调节和压缩机转速调节子系统，实现了喘振边界测定，产生了良好的研宄和生产效益；现场无需人员干预、全程可视化，避免高转速、高马赫数、高电压带来的高风险；在已应用的连续式高速风洞中，利用该喘振边界测定系统，已成功完成常压(总压10kPa)条件下五种不同静叶角度(46°、60°、66°、72°、76° )喘振边界测定，以及设计静叶角度66°条件下五种不同风洞总压(20kPa、50 kPa、100kPa、150 kPa、250 kPa)喘振边界测定。
【附图说明】
[0023]本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中:
[0024]图1是喘振边界测定系统功能框图；
[0025]图2是喘振边界测定系统硬件连接及测点位置示意图；
[0026]图3是二喉道中心体和调节片逼喘动作示意图；
[0027]图4是压缩机“逼喘”过程中进气流量随时间变化的波形图；
[0028]图5是压缩机“逼喘”过程中压比随时间变化的波形图；
[0029]图6是压缩机“逼喘”过程中转速随时间变化的波形图；
[0030]图7是压缩机“逼喘”过程中前后轴承振动随时间变化的波形图；
[0031]图8是静叶角θ=66°的喘振点测试数据及喘振边界；
[0032]图9是述静叶角θ=66°的喘振边界应用和设置实例；
[0033]I是主压缩机，2是静叶调节机构，3是驱动电机，4是防喘振阀及防喘旁路，5是风洞总压调节系统，6是试验段，7是二喉道中心体和调节片，8是洞壁，9是调节片，10是中心体，11是压缩机进气体积流量，12是防喘振阀开阀瞬间，13是压缩机压比，14是压缩机转速，15是压缩机进气侧轴振动，16是压缩机排气侧轴振动，17是压缩机在1000r/min静叶角66°时的喘振点测试数据，18是压缩机在1500r/min静叶角66°时的喘振点测试数据，19是压缩机在2000r/min静叶角66。时的喘振点测试数据，20是压缩机在2500r/min静叶角66°时的喘振点测试数据，21是压缩机在3000r/min静叶角66°时的喘振点测试数据，22是压缩机在3300r/min静叶角66。时的喘振点测试数据，23是压缩机在3600r/min静叶角66°时的喘振点测试数据，24是压缩机静叶角66°时的喘振边界，A是风洞总压、总温测点，B是风洞静压测点，C是压缩机入口压力、入口温度测点，D是出口压力测点。
【具体实施方式】
[0034]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0035]如图1所示，为本实用新型的系统功能框图。上位监控界面通过与PLC控制系统的双向通信，实现对压力测量子系统、静叶调节子系统、压缩机转速调节子系统、逼喘子系统、喘振判定子系统、快速脱喘子系统、总压调节子系统涉及设备的监测和控制。上位监控界面及其后台程序，实时记录并显示喘振边界需要的各项参数。
[0036]其中，监控系统与PLC控制系统采用基于以太网TCP/IP协议的通信方式，实现数据、控制信号的双向传递。所述PLC控制系统通过数字I/O模块、模拟I/O模块或通讯模块，实现与各子系统硬件、传感器和控制器的连接与通信，最终通过PLC控制系统中对应程序模块，达到对所述压力测量子系统、静叶调节子系统、压缩机转速调节子系统、逼喘子系统、喘