一种连续式跨声速风洞喘振边界测定方法
【专利摘要】本发明涉及一种连续式跨声速风洞喘振边界测定方法，针对安装在连续式跨声速风洞中的轴流式压缩机，可以实现对连续式跨声速风洞中轴流式压缩机的喘振边界测定，并充分保证了该喘振边界适用于风洞今后的运行工况。压缩机与风洞连接后工作与压缩机单独工作时的结构共振点往往不一样，在本发明提出的方法中，由于压缩机与风洞本体已经处于连接状态，故在喘振边界测试时还能避免压缩机的共振点偏移带来的潜在危害。
【专利说明】一种连续式跨声速风洞喘振边界测定方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种涉及轴流压缩机喘振边界测定方法，尤其适用于安装在跨声速风洞回路中轴流压缩机的喘振边界测定。风洞喘振边界指的就是安装在风洞回路中的轴流压缩机的喘振边界。
【背景技术】
[0002]轴流压缩机发生喘振时，在压缩机的流道内将出现强烈的气流脉动，引起转子和定子动应力的增加，从而引起机组剧烈振动，压缩机无法正常工作，这种现象被称之为“喘振”。喘振现象如不及时排除，将直接导致压缩机组损坏。要避免压缩机喘振现象的发生，必须事先找出压缩机的喘振点，但目前尚无法通过计算准确地预估出来，只能在压缩机性能测试时，根据实际情况来判断其近似的喘振点。
[0003]轴流压缩机主要用于大型厂矿或隧道的通风等用途，其进气端一般接环境大气，气流经过压缩机后将直接被送进矿洞，生产厂家往往都配有模拟该工作环境的压缩机热试平台，在压缩机出厂前已完成对其喘振边界的测试，设定了对应的近喘保护边界，其结果完全用于实际使用场所。
[0004]然而，风洞回路中压缩机的工作环境是封闭式的风洞回路，压缩机压缩后的气体流经风洞回路又回到压缩机入口再次进入压缩机。传统的喘振边界测定方法并不适于这种场合，即使出厂前在热试平台上进行过喘振边界测定，但其喘振边界若直接用于实际使用场合，则会产生很大的偏差，由此可能导致对压缩机喘振判断的失误，从而造成压缩机及其下游设备损坏的严重后果。
【发明内容】
[0005]要解决的技术问题
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种连续式跨声速风洞喘振边界测定方法，以达到避免连续式跨声速风洞中的轴流式压缩机发生喘振的目标。
[0007]技术方案
[0008]一种连续式跨声速风洞喘振边界测定方法，其特征在于:轴流式压缩机安装在连续式跨声速风洞中，测定步骤如下:
[0009]步骤1:持续采集压缩机来流的压力、温度，并计算出流经压缩机的体积流量Q ;
[0010]步骤2:设定压缩机和风洞的初始状态，启动压缩机，按照设定的阶梯增加压缩机的转速n，使其保持在目标转速上运行；
[0011]步骤3:按照设定的阶梯关闭风洞防喘旁路上的快速阀，在此过程中，如果压缩机接近喘振时打开风洞防喘旁路上的快速阀，并记录此刻的压缩机转速nl和静叶角β 1，此时流经压缩机的体积流量Ql即为压缩机在转速nl及静叶角β I时的喘振点，若直到静叶角到达目标值β I压缩机仍未发生喘振，则进入步骤4 ;
[0012]步骤4:按照设定的阶梯增加压缩机静叶角β，在此过程中，如果压缩机接近喘振时打开风洞防喘旁路上的快速阀，并记录此刻的压缩机转速n2和静叶角β 2，此时流经压缩机的体积流量Q2即为压缩机在转速η2及静叶角β 2时的喘振点，若直到静叶角到达目标值β 2压缩机仍未发生喘振，压缩机正常运行进入步骤5 ；
[0013]步骤5:减小对流经压缩机的气体流量影响较大的运动机构的开度，按照设定的阶梯降低压缩机气体流量；在此过程中，如果压缩机接近喘振时打开风洞防喘旁路上的快速阀、将运动机构归回原位，并记录此刻的压缩机转速η3和静叶角β 3，此时流经压缩机的体积流量Q3即为压缩机在转速η3及静叶角β 3时的喘振点，若直到运动机构关闭至最小压缩机仍未发生喘振，则说明风洞在压缩机转速η3和静叶角β 3下可任意运行；
[0014]步骤6:将步骤3、步骤4和步骤5中所得到的所有喘振点连成线，得到压缩机在目标转速η时的喘振边界。
[0015]所述压缩机的接近喘振的判断依据为:压缩机排气的压力脉动幅值大于正常值的15%，或压缩机轴振动幅值大于正常运行值的1.5倍。
[0016]有益效果
[0017]本发明提出的一种连续式跨声速风洞喘振边界测定方法，针对安装在连续式跨声速风洞中的轴流式压缩机，可以实现对连续式跨声速风洞中轴流式压缩机的喘振边界测定，并充分保证了该喘振边界适用于风洞今后的运行工况。压缩机与风洞连接后工作与压缩机单独工作时的结构共振点往往不一样，在本发明提出的方法中，由于压缩机与风洞本体已经处于连接状态，故在喘振边界测试时还能避免压缩机的共振点偏移带来的潜在危害。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1:压缩机喘振点测试试验流程图
[0019]图2:NF-6风洞原理图及压缩机、栅指、防喘旁路所在位置示意
[0020]图3:风洞扩散段栅指逼喘运动示意图
[0021]图4:压缩机出口压力与速度的波形图
[0022](a)正常工况时
[0023](b)喘振工况时
[0024]图5:压缩机轴振动曲线图
[0025]图6:压缩机转速n=1600rpm的喘振点测试数据
[0026]图7:压缩机转速n=2100rpm的喘振点测试数据
[0027]图8:压缩机喘振边界
[0028]I 一压缩机，2 —风洞试验段，3 —栅指，4 一防喘旁路快速阀，5 —风洞侧壁，6 —气流方向，7 —压缩机入口振动分量，8 —压缩机出口振动分量，9 一压缩机在1600rpm静叶角为40°时的喘振点测试数据，10 一压缩机在1600rpm静叶角为50°时的喘振点测试数据，11 一压缩机在1600rpm静叶角为60°时的喘振点测试数据，12 一压缩机在1600rpm静叶角为70。时的喘振点测试数据，13—压缩机在1600rpm静叶角为80°时的喘振点测试数据，14 一压缩机在2100rpm静叶角为55°时的喘振点测试数据，15 一压缩机在2100rpm静叶角为65。时的喘振点测试数据，16—压缩机在2100rpm静叶角为75°时的喘振点测试数据，17 一压缩机在1600rpm时的喘振边界，18 一压缩机在2100rpm时的喘振边界，19 一压缩机在2524rpm时的喘振边界，20 —压缩机在2900rpm时的喘振边界，21 —压缩机在3000rpm时的喘振边界，22 —压缩机在3200rpm时的喘振边界。
【具体实施方式】
[0029]现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
[0030]本发明实施例如下:
[0031]步骤1:激活风洞数据采集程序，对压缩机来流的压力、温度等参数实施连续采集，并计算出流经压缩机的体积流量Q，此步骤强调持续采集，直到整个试验结束才可停止米集；
[0032]步骤2:设定压缩机和风洞的初始状态，启动压缩机，分阶梯增加压缩机转速n，最终设法使其保持在目标转速；
[0033]步骤3:分阶梯、缓慢地关闭风洞防喘旁路上的快速阀，过程中注意观察并及时判断压缩机是否接近喘振，若接近喘振则立即、快速打开风洞防喘旁路上的快速阀，并记录此刻的压缩机转速nl和静叶角β 1，此时流经压缩机的体积流量Ql即为压缩机在转速nl及静叶角β I时的喘振点，若直到静叶角到达目标值β I压缩机仍未发生喘振，则进入步骤4 ；
[0034]步骤4:分阶梯、缓慢地增加压缩机静叶角β，最终达到目标角度，过程中注意观察并及时判断压缩机是否接近喘振，若接近喘振则快速打开风洞防喘旁路上的快速阀，并记录此刻的压缩机转速η2和静叶角β 2，此时流经压缩机的体积流量Q2即为压缩机在转速η2及静叶角β 2时的喘振点，若直到静叶角到达目标值β 2压缩机仍未发生喘振，则进入步骤5 ；
[0035]步骤5:找出在风洞正式运行时，对流经压缩机的气体流量影响较大的运动机构，如第二喉道等机构，设法通过减小机构开度分阶梯、缓慢地降低压缩机气体流量，过程中注意观察并及时判断压缩机是否接近喘振，若接近喘振则快速打开风洞防喘旁路上的快速阀、将运动机构归回原位，并记录此刻的压缩机转速η3和静叶角β 3，此时流经压缩机的体积流量Q3即为压缩机在转速η3及静叶角β 3时的喘振点，若直到运动机构关闭至最小压缩机仍未发生喘振，则说明风洞在压缩机转速η3和静叶角β 3下可任意运行；
[0036]步骤6:将步骤3、步骤4、步骤5中所得到的的所有喘振点连成线，即得到压缩机在目标转速η时的喘振边界。
[0037]其中，在步骤3、步骤4、步骤5中所述，关于压缩机是否接近喘振的判断依据主要为:压缩机排气的压力脉动幅值大于正常值的15%，或压缩机轴振动幅值大于正常运行值的1.5倍。
[0038]具体实施例为:
[0039]对西北工业大学的NF-6风洞的压缩机进行喘振边界测定。该风洞为一座连续式跨声速风洞，动力源为一台轴流式压缩机。
[0040]步骤(I):激活风洞数据采集程序，对压缩机来流的压力、温度等参数实施连续采集，并计算出流经压缩机的体积流量Q ；
[0041]步骤(2):将压缩机静叶角β设定为初始值30°，风洞防喘旁路阀全开，风洞栅指二喉道全开。启动压缩机，按照0，100，300，500，...，的顺序分阶梯逐渐增加转速，最终达到并保持在目标转速1600rpm ；
[0042]步骤(3):分阶梯、缓慢地增加压缩机静叶角β，最终达到目标角度，过程中注意观察并及时判断压缩机是否接近喘振，若接近喘振则快速打开风洞防喘旁路上的快速阀、将压缩机静叶角恢复初始位置，并记录此刻的静叶角β 4，此时流经压缩机的体积流量Q4即为压缩机在转速1600rpm及静叶角β 4时的喘振点，若直到静叶角到达目标值β 4压缩机仍未发生喘振，则进入下一步；
[0043]步骤(4):分阶梯、缓慢地关闭风洞防喘旁路上的快速阀，过程中注意观察并及时判断压缩机是否接近喘振，若接近喘振则立即、快速打开风洞防喘旁路上的快速阀，并记录此刻的静叶角β 5，此时流经压缩机的体积流量Q5即为压缩机在转速1600rpm及静叶角β 5时的喘振点，若直到静叶角到达目标值β 5压缩机仍未发生喘振，则进入下一步；
[0044]步骤(5):设法通过增加栅指的插入量，分阶梯、缓慢地降低压缩机气体流量，过程中注意观察并及时判断压缩机是否接近喘振，若接近喘振则快速打开风洞防喘旁路上的快速阀、将压缩机静叶角和栅指恢复初始位置，并记录此刻的静叶角β 6，此时流经压缩机的体积流量Q6即为压缩机在转速1600rpm及静叶角β 6时的喘振点，若直到运动机构关闭至最小压缩机仍未发生喘振，则说明风洞在压缩机转速1600rpm和静叶角β 6下可任意运行；
[0045]步骤(6):将步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)中得到的所有喘振点连成线，即得到压缩机在目标转速1600rpm时的喘振边界。
[0046]步骤(7):再实施步骤(1)至步骤(6)即可得到另外一个目标转速下的喘振边界，将所有目标转速下的 喘振曲线统一起来，即得到风洞压缩机的喘振边界。
[0047]其中，在步骤(3)、步骤(4)、步骤(5)中所述，关于压缩机是否接近喘振的判断依据主要为:
[0048]判据(I):监控压缩机出口的压力和速度变化
[0049]压缩机正常运行时，其出口压力和速度的变化是有规律性地增加或降低，但在临近喘振点工作时，压缩机的出口压力和速度都将呈现出大幅度的周期性脉动。图3给出了NF-6风洞压缩机在正常工作时和临近喘振时，压缩机出口的压力P和速度velocity随时间变化的波形图。
[0050]判据(2):监控压缩机机体和轴承振动情况
[0051]压缩机正常运行时，压缩机机体和轴承的振动振幅很小，但在临近喘振点工作时，压缩机组的振动将会加剧，机体和轴承的振幅明显增大。图4给出了 NF — 6风洞在进行某转速下喘振边界测试时所采集的压缩机轴振动随压缩机转速变化的曲线，根据本风洞的具体情况，认为当轴振动大于4mm/s时，压缩机接近喘振。
[0052]判据(3):监控及聆听压缩机出口发出的气流噪声
[0053]压缩机正常运行时，整个系统的噪声是平稳连续的，但在临近喘振点工作时，会出现周期性的“呼哧……呼哧……”的声音，这时的分贝值也明显增大。通常声音的变化相比压力、振动、流量、功率等要迟缓一些。
[0054]以上压缩机喘振点测试步骤的试验流程图如图5所示。
[0055]根据以上步骤，得到压缩机转速n=1600rpm的喘振点测试数据见图6，压缩机转速n=2100rpm的喘振点测试数据见图7。最终得到的压缩机喘振边界如图8，该喘振边界满足了风洞运行要求，达到了试验目的。
【权利要求】
1.一种连续式跨声速风洞喘振边界测定方法，其特征在于:轴流式压缩机安装在连续式跨声速风洞中，测定步骤如下: 步骤1:持续采集压缩机来流的压力、温度，并计算出流经压缩机的体积流量Q ; 步骤2:设定压缩机和风洞的初始状态，启动压缩机，按照设定的阶梯增加压缩机的转速n，使其保持在目标转速上运行； 步骤3:按照设定的阶梯关闭风洞防喘旁路上的快速阀，在此过程中，如果压缩机接近喘振时打开风洞防喘旁路上的快速阀，并记录此刻的压缩机转速nl和静叶角β 1，此时流经压缩机的体积流量Ql即为压缩机在转速nl及静叶角β I时的喘振点，若直到静叶角到达目标值β I压缩机仍未发生喘振，则进入步骤4 ； 步骤4:按照设定的阶梯增加压缩机静叶角β，在此过程中，如果压缩机接近喘振时打开风洞防喘旁路上的快速阀，并记录此刻的压缩机转速η2和静叶角β 2，此时流经压缩机的体积流量Q2即为压缩机在转速η2及静叶角β 2时的喘振点，若直到静叶角到达目标值β 2压缩机仍未发生喘振，压缩机正常运行进入步骤5 ； 步骤5:减小对流经压缩机的气体流量影响较大的运动机构的开度，按照设定的阶梯降低压缩机气体流量；在此过程中，如果压缩机接近喘振时打开风洞防喘旁路上的快速阀、将运动机构归回原位，并记录此刻的压缩机转速η3和静叶角β 3，此时流经压缩机的体积流量Q3即为压缩机在转速η3及静叶角β 3时的喘振点，若直到运动机构关闭至最小压缩机仍未发生喘振，则说明风洞在压缩机转速η3和静叶角β 3下可任意运行； 步骤6:将步骤3、步骤4和步骤5中所得到的所有喘振点连成线，得到压缩机在目标转速η时的喘振边界。
2.根据权利要求1所述连续式跨声速风洞喘振边界测定方法，其特征在于:所述压缩机的接近喘振的判断依据为:压缩机排气的压力脉动幅值大于正常值的15%，或压缩机轴振动幅值大于正常运行值的1.5倍。
【文档编号】G01M9/00GK103852234SQ201410083994
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年3月10日 优先权日:2014年3月10日
【发明者】张正科, 高超, 郗忠祥, 张国彪, 周廷波, 郝礼书, 惠增宏, 李一滨, 武洁 申请人:西北工业大学