風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)安全特性研究與運(yùn)行保護(hù)

張文 周恩民 劉愷/中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心

王儀田 楊岐平 王勇*/西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司

風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)安全特性研究與運(yùn)行保護(hù)

張文 周恩民 劉愷/中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心

王儀田 楊岐平 王勇*/西安陜鼓動(dòng)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(jiǎn)稱0.6m連續(xù)式風(fēng)洞）是中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心建設(shè)的首座連續(xù)式高速風(fēng)洞。該風(fēng)洞采用軸流壓縮機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)氣流在洞體回路內(nèi)連續(xù)流動(dòng)，在試驗(yàn)段建立穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)。區(qū)別于高爐鼓風(fēng)、空分等工業(yè)應(yīng)用[1-2]，0.6m連續(xù)式風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)安裝在閉合回路的風(fēng)洞管道內(nèi)，進(jìn)口與出口均與洞體相連。風(fēng)洞總壓、模型姿態(tài)角和二喉道開度等試驗(yàn)參數(shù)耦合多變，使壓縮機(jī)運(yùn)行工況極為復(fù)雜[1]，對(duì)軸承箱密封性、軸系運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和喘振預(yù)防控制等均提出了非常嚴(yán)格的要求。

目前，國(guó)內(nèi)僅有兩座連續(xù)式高速風(fēng)洞，專門針對(duì)軸流壓縮機(jī)在連續(xù)式風(fēng)洞應(yīng)用中的安全運(yùn)行研究還很少，對(duì)軸流壓縮機(jī)在連續(xù)式風(fēng)洞這種特殊閉合管網(wǎng)中的運(yùn)行和保護(hù)經(jīng)驗(yàn)較為缺乏，亟需進(jìn)行安全運(yùn)行研究與保護(hù)，嚴(yán)防安全事故發(fā)生。

1 風(fēng)洞及壓縮機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 風(fēng)洞介紹

0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞試驗(yàn)段截面尺寸0.6m× 0.6m，穩(wěn)定段總壓P0＝（0.15～2.5）×105Pa，試驗(yàn)段馬赫數(shù)M＝0.2～1.6。結(jié)構(gòu)輪廓圖見圖1。

圖10 .6m連續(xù)式風(fēng)洞結(jié)構(gòu)輪廓圖

1.2 壓縮機(jī)介紹

位于風(fēng)洞主回路的軸流壓縮機(jī)為AV90-3靜葉可調(diào)式，具有效率高、能耗低、流量調(diào)節(jié)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[3]。轉(zhuǎn)子輪轂名義直徑900mm，具有3級(jí)動(dòng)葉片。設(shè)計(jì)最高壓比1.475，最大軸功率3 800kW，最高轉(zhuǎn)速3 600r/min，轉(zhuǎn)速控制精度≤0.03％，靜葉角可調(diào)范圍46°～76°。壓縮機(jī)采取雙出軸設(shè)計(jì)，安裝于風(fēng)洞第一和第二拐角段之間，由高壓變頻器驅(qū)動(dòng)2臺(tái)2 500kW的交流異步電機(jī)進(jìn)行雙端同步驅(qū)動(dòng)。壓縮機(jī)布置圖見圖2。

圖2 軸流壓縮機(jī)布置圖

2 安全特性研究

通過(guò)壓縮機(jī)的安全特性及其與風(fēng)洞的安全相關(guān)性分析，突出安全防范重點(diǎn)，為安全運(yùn)行措施提供實(shí)施依據(jù)。

2.1 壓縮機(jī)安全特性

1）結(jié)構(gòu)型式與運(yùn)行工況復(fù)雜，密封性要求高。壓縮機(jī)進(jìn)、排氣側(cè)軸承箱均布置在風(fēng)洞流道內(nèi)，風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)有正壓和負(fù)壓兩種工況，均不允許軸承箱漏油，否則潤(rùn)滑油進(jìn)入流道會(huì)造成機(jī)組轉(zhuǎn)子、葉片、洞體設(shè)備及試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀廴荆⒂绊憵饬骷儍艉吐饵c(diǎn)，造成試驗(yàn)車次報(bào)廢等事故。

2）軸系跨度和負(fù)載變化范圍大，機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性要求高。采取“電機(jī)+聯(lián)軸器+軸流壓縮機(jī)+聯(lián)軸器+電機(jī)”水平布置方式，整個(gè)軸系總長(zhǎng)達(dá)14m，在馬赫數(shù)0.2～1.6、總壓（0.15～2.5）× 105Pa的寬調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，軸系同軸度、運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和動(dòng)力傳遞可靠性要求高。

3）運(yùn)行工況多變，防喘振要求高。喘振是軸流壓縮機(jī)的固有特性[4]，壓縮機(jī)與風(fēng)洞管網(wǎng)聯(lián)合工作圖見圖3。風(fēng)洞馬赫數(shù)調(diào)節(jié)范圍寬、試驗(yàn)參數(shù)多變等復(fù)雜工況造成風(fēng)洞管網(wǎng)阻力增加，工況點(diǎn)向左移動(dòng)，容易使壓縮機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)，引起氣流周期性振蕩[5-6]和機(jī)組振動(dòng)加劇，造成密封和軸承損壞[7-8]，甚至機(jī)組毀壞的嚴(yán)重事故。

圖3 壓縮機(jī)與風(fēng)洞管網(wǎng)聯(lián)合工作圖

4）附屬子系統(tǒng)多，聯(lián)鎖監(jiān)控要求高。配置防喘振系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、電/自控系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)和密封充氣系統(tǒng)，各子系統(tǒng)安全運(yùn)行控制參數(shù)多，安全聯(lián)鎖及上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控要求高。

2.2 壓縮機(jī)與風(fēng)洞的安全相關(guān)性

1）壓縮機(jī)與風(fēng)洞第一、第二拐角段整體設(shè)計(jì)，進(jìn)出口與洞體通過(guò)波紋管相連，安裝質(zhì)量直接影響風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)和洞體回路安全；同時(shí)軸系振動(dòng)異常容易造成各連接件損壞，甚至軸線偏移、風(fēng)洞基礎(chǔ)動(dòng)搖等嚴(yán)重后果。

2）風(fēng)洞管道為閉合回路，試驗(yàn)時(shí)洞體內(nèi)部焊接件、螺栓螺母、試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥兘菈K等異物一旦脫落，極易沖破壓縮機(jī)進(jìn)口防護(hù)網(wǎng)（4孔/平方英寸）進(jìn)入機(jī)組內(nèi)流道，打壞轉(zhuǎn)子和葉片，造成重大安全事故。

3）風(fēng)洞二喉道中心體或調(diào)節(jié)片等試驗(yàn)條件變化會(huì)直接引起壓縮機(jī)進(jìn)口流量變化，使機(jī)組運(yùn)行工況極為復(fù)雜多變；壓縮機(jī)進(jìn)口流道的通流面積過(guò)小使進(jìn)口流量變小，容易誘發(fā)喘振。

2.3 安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析

綜上分析，密封性、軸系穩(wěn)定性、防喘振安全性是影響壓縮機(jī)安全運(yùn)行最為核心的因素，也是事關(guān)風(fēng)洞試驗(yàn)安全順利開展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一旦安全防護(hù)或監(jiān)控不力，便可導(dǎo)致軸承箱漏油、轉(zhuǎn)子或驅(qū)動(dòng)電機(jī)損壞，甚至風(fēng)洞設(shè)備損壞的嚴(yán)重后果，直接威脅到風(fēng)洞試驗(yàn)安全。

因此，必須進(jìn)行安全運(yùn)行設(shè)置，主動(dòng)保護(hù)壓縮機(jī)安全，確保機(jī)組與風(fēng)洞安全運(yùn)行。下面結(jié)合0.6m連續(xù)式風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)安裝、考核及運(yùn)行情況進(jìn)行說(shuō)明。

3 安全運(yùn)行措施

3.1 現(xiàn)場(chǎng)安裝

1）密封結(jié)構(gòu)安裝。氣封采用三段迷宮型密封[9-11]，油封和氣封之間設(shè)置與大氣相通的放空腔，在靠近油封的一段氣封充氣，阻滯流道內(nèi)氣流泄漏，示意圖見圖4；油封共有兩段，分別防止軸承箱兩端和聯(lián)軸器處漏油。安裝時(shí)，油封和氣封間隙均要求≤0.35mm；所有密封面均涂抹密封膠，保證封體和軸承箱之間的密封效果。

圖4 氣密封示意圖

2）機(jī)組找正對(duì)中。找正對(duì)中目的是保證電機(jī)與壓縮機(jī)的同軸度，使機(jī)組平穩(wěn)、安全、可靠運(yùn)行[12]。找正工具由法蘭盤、伸長(zhǎng)桿、表架與百分表組成[13]，采用打表法的找正示意圖見圖5。找正分為粗找和精找，機(jī)組正式組裝扣合前進(jìn)行粗找，精找時(shí)須將定子上半部分及軸承箱蓋裝好，消除機(jī)組自重產(chǎn)生的撓度影響。機(jī)組徑向找正公差≤0.03mm，端面找正公差≤0.015mm。

圖5 找正架示意圖

3）風(fēng)洞接口安裝。壓縮機(jī)主軸線為風(fēng)洞管道的短軸基準(zhǔn)線，風(fēng)洞長(zhǎng)軸同軸度≤3mm，短軸同軸度≤1mm。安裝時(shí)通過(guò)調(diào)整底座頂絲達(dá)到軸線標(biāo)高要求，同時(shí)使各支承全面接觸，機(jī)殼水平度相對(duì)允許誤差軸向≤0.04mm/m，橫向≤0.06mm/m。設(shè)備基礎(chǔ)復(fù)檢、基礎(chǔ)標(biāo)高及地腳螺栓尺寸符合要求后，再進(jìn)行機(jī)組軸線和接口法蘭復(fù)測(cè)，確認(rèn)無(wú)誤后對(duì)地腳螺栓孔灌漿。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)考核試驗(yàn)

考核試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)和安裝效果，為后續(xù)機(jī)組的安全參數(shù)設(shè)置與運(yùn)行提供依據(jù)，主要包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容。

3.2.1 密封性能考核

結(jié)合目前情況下，2019年中怡康對(duì)家電市場(chǎng)的預(yù)判：從零售額角度看，除了彩電外，冰箱、洗衣機(jī)、熱水器、洗碗機(jī)、凈水設(shè)備等品類增速都會(huì)放緩，空調(diào)及廚衛(wèi)產(chǎn)品可能會(huì)迎來(lái)負(fù)增長(zhǎng)。2018遇冷僅僅是個(gè)開始，2019年壓力會(huì)更大。在這種情況下，對(duì)于家電行業(yè)來(lái)講，回歸是核心。經(jīng)濟(jì)好的時(shí)候，強(qiáng)調(diào)市場(chǎng)上的攻城略地，而在整體運(yùn)行承壓的情況下，回歸產(chǎn)品、回歸用戶、回歸零售本質(zhì)，圍繞成本、效率、服務(wù)體驗(yàn)等精耕細(xì)作，聚焦強(qiáng)化核心競(jìng)爭(zhēng)力，才能在殘酷的競(jìng)爭(zhēng)中突圍逆襲?？偠灾m然整體家電市場(chǎng)增速在下滑，但向前增長(zhǎng)的動(dòng)力并不缺乏。對(duì)于2019年，中國(guó)家電市場(chǎng)在新驅(qū)動(dòng)力的作用下，定將取得新的成績(jī)。

密封性能考核目的是檢驗(yàn)壓縮機(jī)段的密封性能。分為兩個(gè)階段，第一階段為靜態(tài)氣密性試驗(yàn)，檢驗(yàn)機(jī)組靜態(tài)密封性能。將壓縮機(jī)與風(fēng)洞洞體脫離，封閉機(jī)組進(jìn)出口，通過(guò)真空泵抽氣，測(cè)量壓縮機(jī)段的極限真空度；第二階段為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)氣密性試驗(yàn)，將抽真空系統(tǒng)與壓縮機(jī)連接，靜葉角設(shè)置46°，在機(jī)組1 500r/min下測(cè)量壓縮機(jī)段的極限真空度和抽氣時(shí)間。

試驗(yàn)驗(yàn)證了壓縮機(jī)段的靜、動(dòng)態(tài)密封性能良好，獲得了密封供氣壓力安全設(shè)置范圍；機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)最低負(fù)壓下的大氣吸入量為0.114kg/s，滿足機(jī)組及風(fēng)洞安全運(yùn)行要求。

3.2.2 機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)性能考核

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)單機(jī)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，目的在于檢驗(yàn)機(jī)組的二次裝配質(zhì)量和最終特性。壓縮機(jī)進(jìn)出口管路布置見圖6。

圖6 單機(jī)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)壓縮機(jī)進(jìn)出口管路布置圖

現(xiàn)場(chǎng)單機(jī)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)包括單電機(jī)驅(qū)動(dòng)和雙機(jī)同步驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)，分別考核單電機(jī)及雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)機(jī)組軸系、軸瓦的機(jī)械性能影響及電機(jī)功率平衡情況。試驗(yàn)時(shí)將壓縮機(jī)與風(fēng)洞洞體脫開，進(jìn)口安裝節(jié)流孔板和濾網(wǎng)，選取幾個(gè)典型轉(zhuǎn)速和靜葉角，每個(gè)狀態(tài)連續(xù)運(yùn)行2小時(shí)后，檢測(cè)機(jī)組軸系振動(dòng)、位移、溫度和電機(jī)功率等參數(shù)情況。

試驗(yàn)表明：機(jī)組在電機(jī)單驅(qū)和雙電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，以及固定靜葉和調(diào)節(jié)靜葉條件下，進(jìn)/排氣側(cè)軸振動(dòng)、軸瓦溫度和軸位移等指標(biāo)良好，電機(jī)功率平衡，滿足機(jī)組和風(fēng)洞安全運(yùn)行需求。

3.2.3 防喘振安全性考核

包括喘振邊界測(cè)試和防喘振曲線設(shè)置，目的在于測(cè)試出壓縮機(jī)的安全運(yùn)行范圍，在程序中固化后作為機(jī)組防喘振控制的依據(jù)。

1）喘振邊界測(cè)試。測(cè)試過(guò)程按照風(fēng)洞總壓范圍，劃分為常壓、負(fù)壓和增壓三個(gè)階段，測(cè)試工況點(diǎn)如圖7所示。工況點(diǎn)1為防喘閥全關(guān)測(cè)試點(diǎn)，工況點(diǎn)2為失速開始點(diǎn)或喘振點(diǎn)，工況點(diǎn)3為失速或喘振臨界點(diǎn)，工況點(diǎn)4為工況點(diǎn)1和3之間的壓比平均點(diǎn)。

圖7 喘振邊界測(cè)試工況點(diǎn)圖

2）防喘曲線設(shè)置。防喘曲線包括報(bào)警線、防喘線和喘振線，如圖8所示，x軸為壓縮機(jī)進(jìn)口體積流量Q（m3/min），y軸為壓比ε。將喘振邊界測(cè)試實(shí)測(cè)喘振點(diǎn)的流量和壓比進(jìn)行20℃溫度修正，各轉(zhuǎn)速下的喘振點(diǎn)以擬合曲線相連即為喘振線。將實(shí)測(cè)喘振點(diǎn)的流量分別增大6％和12％，壓比保持不變，各轉(zhuǎn)速下的工況點(diǎn)以擬合曲線相連即為防喘線和報(bào)警線。報(bào)警線用于警示，防喘線將觸發(fā)旁通回路防喘閥開閥輸出，防止壓縮機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)。

圖8 常壓下66°靜葉角防喘振曲線設(shè)置圖

3.3 聯(lián)鎖監(jiān)控設(shè)計(jì)

主要功能包括：?jiǎn)C(jī)條件聯(lián)鎖、運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)、抽真空條件聯(lián)鎖、洞體超壓控制和風(fēng)洞聯(lián)鎖通訊等。

1）啟機(jī)條件聯(lián)鎖。將壓縮機(jī)啟機(jī)所需的潤(rùn)滑油、密封冷卻氣、電/自控系統(tǒng)等條件在程序中進(jìn)行互鎖，所有條件均滿足時(shí)方可啟動(dòng)機(jī)組，防止誤操作或忽略啟機(jī)條件而盲目啟機(jī)，造成安全事故。

2）運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)。通過(guò)下位機(jī)程序和上位機(jī)監(jiān)控畫面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示、判斷壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)和工況，使機(jī)組運(yùn)行異常時(shí)有聲音或圖像等明確的報(bào)警信息，隨時(shí)掌握機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。

3）抽真空條件聯(lián)鎖。將氣封和油封充氣的壓力信號(hào)與風(fēng)洞抽氣系統(tǒng)聯(lián)鎖，密封氣壓力正常時(shí)才允許風(fēng)洞抽真空；抽氣過(guò)程中一旦密封氣壓力異常，將復(fù)位允許抽氣信號(hào)，風(fēng)洞快速恢復(fù)常壓，避免潤(rùn)滑油吸入流道。

4）洞體超壓控制。將風(fēng)洞內(nèi)部壓力信號(hào)與壓縮機(jī)控制系統(tǒng)聯(lián)鎖，采集機(jī)組出口壓力并進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，當(dāng)洞體壓力過(guò)高時(shí)，機(jī)組開始降速，靜葉角回到46°，降低機(jī)組和風(fēng)洞部件損壞風(fēng)險(xiǎn)。

5）風(fēng)洞聯(lián)鎖通訊。壓縮機(jī)啟機(jī)條件就緒后，向風(fēng)洞安全聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)送申請(qǐng)啟動(dòng)信號(hào)；風(fēng)洞各子系統(tǒng)滿足試驗(yàn)條件時(shí)，向壓縮機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送允許啟機(jī)信號(hào)。規(guī)范應(yīng)答模式，規(guī)避風(fēng)洞與壓縮機(jī)通訊安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 物理應(yīng)急措施

為提供壓縮機(jī)安全運(yùn)行后備保護(hù)，在風(fēng)洞控制中控臺(tái)設(shè)置了急停、正常停機(jī)和防喘閥快開等應(yīng)急物理按鈕，降低風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)因出現(xiàn)模型顫抖、流場(chǎng)退卻或模型姿態(tài)角機(jī)構(gòu)異常等極端工況造成的設(shè)備和試驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)運(yùn)行至今，無(wú)一起安全事故發(fā)生，運(yùn)行狀態(tài)良好，為風(fēng)洞試驗(yàn)提供了動(dòng)力保障，獲得了安全運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

1）壓縮機(jī)安全特性及其與風(fēng)洞的安全相關(guān)性研究是必要的，可為機(jī)組和風(fēng)洞的安全運(yùn)行保護(hù)提供充分的實(shí)施依據(jù)；

2）本文提出的安全運(yùn)行措施是合理可行的，滿足壓縮機(jī)自身及風(fēng)洞試驗(yàn)安全需求；

3）研究結(jié)果和安全防護(hù)措施具有一定的通用性，可為后續(xù)連續(xù)式高速風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)安全運(yùn)行提供參考。

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為了確保0.6m連續(xù)式風(fēng)洞軸流壓縮機(jī)的運(yùn)行安全，分析了軸流壓縮機(jī)的安全運(yùn)行特性及其與風(fēng)洞的安全相關(guān)性，同時(shí)介紹了壓縮機(jī)現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試與運(yùn)行中采取的安全保護(hù)措施，獲得了安全運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞；軸流壓縮機(jī)；安全運(yùn)行；保護(hù)

Safety Characteristics Research and Operational Protection of an Axial Compressor in the Wind Tunnel

Zhang Wen,Zhou Enmin,Liu Kai/China Aerodynamics Research and Development Center
Wang Yitian,Yang Qiping,Wang Yong,Li Huaiqing/Xi’an ShaanGu Power Co.,Ltd.

continuous transonic wind tunnel;axial compressor;safety operation; protection

TH452；TK05

A

1006-8155（2015）01-0078-05

10.16492/j.fjjs.2015.01.120

*本文其他作者：李懷慶/西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司

2014-08-21四川綿陽(yáng)621000

Abstract：In order to protect an axial compressor in 0.6m×0.6m continuous transonic wind tunnel actively,the safety characteristics of the axial compressor and its safety correlation with wind tunnel was researched,also the safety measure of on-site installation,commissioning and operation was expatiated.The running process proved that experience of safety operation was achieved.