0.6m连续式跨声速风洞AV90-3轴流压缩机喘振边界测试研究

周恩民,程 松,许 靖,刘 恺,张 文,熊 波,王仪田

(1.中国空气动力研究与发展中心,四川 绵阳 621000; 2.陕鼓鼓风机(集团)有限公司,西安 710075)

0 引 言

0.6m×0.6m连续式跨声速风洞(简称0.6m连续式风洞)是中国空气动力研究与发展中心(CARDC)新建的一座连续式高速风洞。该风洞配置了主、辅两套压缩机，其中主压缩机为AV90-3静叶可调、三级轴流压缩机，为风洞的动力系统，用于代替常规中压气源驱动风洞主回路的气流流动；辅压缩机为E71-3离心压缩机，用于跨声速时的驻室抽气。

喘振是轴流和离心压缩机的固有特性。进入喘振区后，若不能及时“脱喘”，将会导致机组振动加剧，造成转子与定子碰撞、机组毁坏的严重事故，故压缩机严禁在喘振区工作。

因此，在连续式风洞建成投入运行前，必须首先测定压缩机的喘振边界，确定其在风洞中的安全运行范围，并采取必要的防喘振措施，确保机组运行安全和风洞试验的顺利进行。

在国内，由于目前连续式高速风洞数量较少，对这种特殊管网系统中压缩机的喘振机理及喘振边界的测试研究还很缺乏[1-2]。

本文针对0.6m连续式风洞AV90-3轴流压缩机的喘振边界测试进行研究，得出静叶角度和进气压力对喘振边界的影响规律，并据此设置防喘振曲线，有效预防喘振发生。

1 压缩机介绍

0.6m连续式风洞结构轮廓如图1所示，其试验段截面尺寸：0.6m×0.6m；稳定段总压：p0=(0.15～2.5)×105Pa；试验段设计马赫数：M=0.2～1.6；试验雷诺数:Re=(0.1～2.25)×106(参考长度c=0.06m)。

图1 0.6m连续式风洞轮廓图

1.1主压缩机概况

主压缩机位于风洞第一拐角段和第二拐角段之间，由2台2500kW的电动机同步拖动，设计最高压比1.475，最高转速3600r/min，转速控制精度≤0.03％，静叶角可调范围46°～76°。为防止喘振发生，从主压缩机出口到入口之间设置有防喘振旁路，安装有2个可以快速开启的防喘振阀。

1.2喘振机理

当轴流压缩机入口流量小于某个值时，叶片上就会出现流动“失速”，失速区压力下降[2]。失速进一步加剧，就会导致压缩机内气流沿轴向产生剧烈、大幅振荡，即“喘振”的发生。

喘振的发生除了与压缩机内部流动的恶化有关外，还与管网系统的特性密切相关。常规的高炉鼓风、空分等工业应用场合，喘振主要是由于管网阻力增加，压缩机后部管道“憋压”，导致机组运行工况点向小流量方向移动，最终进入喘振区。而连续式风洞是一种特殊的管网，风洞与压缩机形成闭环回路，压缩机后部一般不会“憋压”，但是风洞试验过程中，二喉道面积、模型迎角等参数的改变，会直接引起压缩机入口流量的变化，从而带来压缩机运行状态的变化，导致运行工况十分复杂、多变，稍有不慎极易进入喘振区，引起喘振。

2 测试方法

每次试验前，首先将风洞稳定段总压、主压缩机静叶角和转速调节到试验工况，然后慢慢关闭防喘振阀。如果喘振未发生，再调节二喉道面积，逐步减小主压缩机进气流量，直至喘振现象出现。

测试过程按照风洞稳定段总压范围被划分为常压、增压、负压3个阶段。

2.1喘振判别

喘振发生时，压缩机会伴随有持续的低频噪声、机组振动显著增大、进排气压力振荡等现象。因此，与之对应的喘振判别方法主要有听噪声法[3]、测振动法[3-4]和测压力波动法[5]。由于低频噪声在喘振发生之前就会产生，且判别主要依靠测试人员的经验和主观意识，故方法一不够准确；而振动增大是深度喘振时的反应，稍有不慎，极易损坏机组，所以方法二风险很大。

因此，采用方法三，在主压缩机进、排气压力测点处各引接1个精密压力表，喘振瞬间发生时，进、排气压力会立即波动，引起压力表指针摆动，可以准确测试出喘振点。

2.2数据采集处理

如图2所示，在每一测试转速，主要采集“逼喘”过程中4个典型工况点的进气体积流量Q(m3·min-1)和压比ε。其中：工况点1为防喘振阀全关的测试点；工况点2为测试出的失速开始点(即压比ε不再随进气体积流量Q减小而增大，开始下降的工况点)或喘振点；工况点3为失速或喘振临界点(流量约为工况点2的102％)；工况点4为工况点1和3之间的压比平均点。

图2 测试工况点

将不同转速下测试到的失速开始点或喘振点用光滑曲线相连即得到主压缩机的喘振边界线。

3 测试结果分析

3.1静叶角对喘振边界的影响

在风洞稳定段总压为常压(95kPa)条件下，调节主压缩机静叶角进行试验。图3～5分别为46°、66°和76°静叶角下的测试结果。

从图3～5可以看出：静叶角对喘振点和喘振边界的影响很大，静叶角增大后，同一转速下喘振点的流量和压比增大，喘振边界线向右上方拉伸。结合表1中的数据可以看出，与66°设计静叶角相比，46°和76°静叶角下，3600r/min时的喘振点流量变化已超过20％。

图3 46°静叶角喘振边界测试结果(95kPa)

图4 66°静叶角喘振边界测试结果(95kPa)

图5 76°静叶角喘振边界测试结果(95kPa)

表1静叶角对喘振点的影响

Table1Theeffectofstaticbladeangleonsurgepoint

静叶角/(°)1500r/min2500r/min3600r/min流量/(m3·min⁃1)压比流量/(m3·min⁃1)压比流量/(m3·min⁃1)压比461642．21．0812827．01．2234441．11．460662016．11．1063468．01．3185625．71．740762191．31．1163899．61．3537021．61．844

3.2进气压力对喘振边界的影响

3.2.1增压的影响

进气压力增大后，负载增大，受驱动电机功率限制，在稳定段总压为150和250kPa时，最高转速分别只测试到了3000和2500r/min。

结合图6和7可以看出，增压对喘振点的影响很小。与常压相比，流量和压比的变化均小于1％，增压时的喘振边界与常压时基本重合。这主要是因为增压后，虽然流经叶栅的Re数随之增大1.5～2.5倍，但其对叶栅的扰流特性并没有产生大的影响。

图6 增压条件下喘振点流量的变化

图7 增压条件下喘振边界的变化

3.2.2负压的影响

由图8可以看出，稳定段总压50kPa时的喘振边界与常压时基本重合；而15kPa时的喘振边界与常压相比略向右下方移动。从表2中的数据可以看出，在3000 r/min时喘振点的流量最大增大了3.8％，这主要是因为15kPa时流经叶栅的Re数随之减小到常压时的1/6左右，Re数很小，导致叶栅失速提前。

图8 负压条件下喘振边界的变化

表2负压条件下喘振点流量和压比的变化

Table2Thechangeofsurgepoint’sinletflowandpressureratiobelowatmosphericpressuret

总压(kPa)1500r/min2500r/min3000r/min3600r/min流量(m3/min)压比流量(m3/min)压比流量(m3/min)压比流量(m3/min)压比152036．41．1033530．41．3064476．71．4675704．41．735502030．31．1033461．51．3124334．31．4735693．31．738952016．11．1063468．01．3184311．11．4805625．71．740

3.3实测结果与计算结果的对比

以66°静叶角为例，将主压缩机的实测喘振边界线与计算预测的喘振边界线进行对比分析。

图9 实测喘振边界线与预测喘振边界线的对比

由图9可以看出，实测喘振边界线与气动计算预测出的喘振边界线趋势一致，偏差较小，证明主压缩机气动计算结果比较可靠。

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尽管如此，为确保机组运行安全，仍需在实测喘振边界线的基础上进行喘振预防，计算预测出的喘振边界线可以作为辅助参考。

3.4喘振时的现象

测试中发现主压缩机各工况点喘振发生时的现象存在一定的共性和差异。共性表现为喘振发生前，压缩机都会发出持续的低频噪声，但机组的振动均未产生明显变化。差异表现为常压、增压和负压50kPa条件下，转速小于2000r/min时，机组先失速，后喘振；转速大于2000r/min时，没有测试到明显的失速点，喘振会突然发生。而负压15kPa条件下，各转速均测试到了明显的失速点，特别是2000r/min以下，失速区非常大，直至将二喉道面积调至最小，也未测试到喘振点；在2000r/min以上，虽然测试到了喘振点，但由于风洞回路中的能量很小，因此喘振发生时压力表指针的摆动非常缓慢，幅度也很小。

这些现象的产生，主要是由流经主压缩机叶栅的Re数变化和其自身叶型的特性决定的，特别是压力减小和转速降低引起Re数减小较大时，会导致失速提前。

4 喘振预防

4.1防喘振曲线设置

由3.1节的分析可以看出，静叶角对主压缩机喘振边界的影响很大，因此风洞试验中用到的每一个静叶调节角度，必须设置相应的防喘振曲线。

由3.2节的分析可以看出，进气压力引起的喘振点流量变化很小，最大变化3.8％，其余均小于2％，因此可以统一采用常压下的防喘振曲线进行喘振预防。

以下以66°设计静叶角为例，对防喘振曲线的设置方法进行说明，其它静叶角依此类推。如图10所示，将主压缩机在常压、66°静叶角工况测试出的性能曲线右下方比喘振点流量大10％的工况点用光滑的曲线相连，就得到报警线；将比喘振点流量大5％的工况点用光滑的曲线相连，就得到防喘振线，即留有5％的喘振裕度。

图10 报警线、防喘振曲线设置

4.2防喘振措施

工业上常用的压缩机防喘振措施是放空和打回流，但是针对连续式风洞的特殊情况，有效的方法是旁通回流[6-7]。

假设报警线函数为：ε报警=f1(Q)，防喘振线函数为：ε防喘=f2(Q)。

在风洞试验过程中，如果主压缩机运行工况点实测压比小于该流量下对应的报警压比，即ε<ε报警时，机组运行安全；当二喉道面积和模型迎角等参数改变，导致运行工况点越过报警线，即ε≥ε报警时，控制系统会自动发出报警信息，提示操作人员注意；如果工况点再向左移动，越过防喘振线，即ε≥ε防喘时，控制系统将自动打开风洞防喘振旁路上的防喘振阀，增大进气流量，使主压缩机迅速远离喘振区运行，确保机组安全。

4.3防喘振效果

在0.6m连续式风洞综合性能调试过程中，多次出现工况点越过报警线和防喘振线的情况，机组控制系统均及时、自动进行了报警和防喘振阀打开操作，保证了机组运行安全，证明采取的防喘振措施是可行、有效的。

5 结 论

通过0.6m连续式风洞AV90-3轴流压缩机喘振边界的测试，摸索出了一套行之有效的喘振边界测试方法，获得的试验结果和试验规律可以为后续大型连续式风洞压缩机的研制和调试提供一定的借鉴和参考。

(1) 静叶角改变后，主压缩机喘振边界会发生较大偏移。风洞试验中使用的静叶角，必须设置相应的防喘振曲线。

(2) 主压缩机增压和负压下的喘振边界与常压时基本重合，可以统一采用常压下的防喘振曲线进行监控，即对进气压力可以不做修正。

(3) 将进气体积流量作为防喘振的控制参数，通过设置留有5％喘振裕度的防喘振线，采取旁通回流的措施，可以有效预防喘振发生，保证机组运行安全。

(4) 大型连续式风洞轴流压缩机的叶片尺寸和叶型会产生较大变化，增压、负压以及转速降低引起的Re数变化对压缩机失速点、喘振点和喘振边界的影响程度还需通过喘振边界测试加以验证和研究。

参考文献:

[1]郝礼书,乔志德,武洁,等.NF-6风洞AV90-2轴流压缩机喘振曲线测试研究[J].西北工业大学学报,2009,27(4): 477-480.

Hao Lishu,Qiao Zhide,Wu Jie,et al.Critically investigating anti-surge monitor and control system of AV90-2 axial compressor in NWPU NF-6 wind tunnel[J].Journal of Northwestern Polytechnical University,2009,27(4): 477-480.

[2]高超,王娜,袁先士,等.NF-6增压连续式高速风洞压缩机喘振边界的确定[J].实验流体力学,2013,27(5): 61-66.

Gao Chao,Wang Na,Yuan Xianshi,et al.Determination of the axial-flow compressor surge boundary in NF-6- pressurized continuously-operating high-speed wind tunnel[J].Journal of Experiments in Fluid Mechanics,2013,27(5): 61-66.

[3]雷剑宇,廖明夫,杨伸记.预测风机喘振边界的新方法[J].风机技术,2005,(4): 52-53,57.

Lei Jianyu,Liao Mingfu,Yang Shenji.New method of predicting surge lines of fan[J].Compressor Blower & Fan Technology,2005(4): 52-53,57.

[4]James A Gunn,Martindale W R,Wagner D R.Performance evaluation of a transonic wind tunnel compressor[R].AIAA92-3927,1992.

[5]陈天君.浅谈轴流压缩机和离心压缩机的喘振试验[J].化学工业与工程技术,2007,28(S1): 120-122.

[6]李一滨,乔志德.增压连续式跨声速风洞的防喘振措施——直接放空的研究[J].流体力学实验与测量,2001,15(3): 24-29.

Li Yibin,Qiao Zhide.The study of the application of exhausting to prevent surging in pressurized continuous transonic wind tunnel[J].Journal of Experiments in Fluid Mechanics,2001,15(3): 24-29.

[7]李一滨,乔志德.增压连续式跨声速风洞的防喘振措施——旁路调节的研究[J].流体力学实验与测量,2001,15(4): 53-58.

Li Yibin,Qiao Zhide.The study of application of by-pass to prerent surging in presssurized continuous wind tunnel[J].Journal of Experiments in Fluid Mechanics,2001,15(4): 53-58.

作者简介:

周恩民(1980-)，男，山东招远人，工程师。研究方向：连续式风洞动力系统和冷却系统研究。通信地址：四川绵阳中国空气动力研究与发展中心(621000)。E-mail：zhouenmin@sina.com