风洞轴流压缩机安全特性研究与运行保护

张文 周恩民 刘恺/中国空气动力研究与发展中心

王仪田 杨岐平 王勇*/西安陕鼓动力股份有限公司

风洞轴流压缩机安全特性研究与运行保护

张文 周恩民 刘恺/中国空气动力研究与发展中心

王仪田 杨岐平 王勇*/西安陕鼓动力股份有限公司

0 引言

0.6 m×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建设的首座连续式高速风洞。该风洞采用轴流压缩机作为动力系统，驱动气流在洞体回路内连续流动，在试验段建立稳态流场。区别于高炉鼓风、空分等工业应用[1-2]，0.6m连续式风洞轴流压缩机安装在闭合回路的风洞管道内，进口与出口均与洞体相连。风洞总压、模型姿态角和二喉道开度等试验参数耦合多变，使压缩机运行工况极为复杂[1]，对轴承箱密封性、轴系运转稳定性和喘振预防控制等均提出了非常严格的要求。

目前，国内仅有两座连续式高速风洞，专门针对轴流压缩机在连续式风洞应用中的安全运行研究还很少，对轴流压缩机在连续式风洞这种特殊闭合管网中的运行和保护经验较为缺乏，亟需进行安全运行研究与保护，严防安全事故发生。

1 风洞及压缩机简介

1.1 风洞介绍

0.6 m连续式风洞试验段截面尺寸0.6m× 0.6m，稳定段总压P0＝（0.15～2.5）×105Pa，试验段马赫数M＝0.2～1.6。结构轮廓图见图1。

图10 .6m连续式风洞结构轮廓图

1.2 压缩机介绍

位于风洞主回路的轴流压缩机为AV90-3静叶可调式，具有效率高、能耗低、流量调节范围宽等优点[3]。转子轮毂名义直径900mm，具有3级动叶片。设计最高压比1.475，最大轴功率3 800kW，最高转速3 600r/min，转速控制精度≤0.03％，静叶角可调范围46°～76°。压缩机采取双出轴设计，安装于风洞第一和第二拐角段之间，由高压变频器驱动2台2 500kW的交流异步电机进行双端同步驱动。压缩机布置图见图2。

图2 轴流压缩机布置图

2 安全特性研究

通过压缩机的安全特性及其与风洞的安全相关性分析，突出安全防范重点，为安全运行措施提供实施依据。

2.1 压缩机安全特性

1）结构型式与运行工况复杂，密封性要求高。压缩机进、排气侧轴承箱均布置在风洞流道内，风洞试验时有正压和负压两种工况，均不允许轴承箱漏油，否则润滑油进入流道会造成机组转子、叶片、洞体设备及试验模型污染，并影响气流纯净和露点，造成试验车次报废等事故。

2）轴系跨度和负载变化范围大，机械运转稳定性要求高。采取“电机+联轴器+轴流压缩机+联轴器+电机”水平布置方式，整个轴系总长达14m，在马赫数0.2～1.6、总压（0.15～2.5）× 105Pa的宽调节范围内，轴系同轴度、运转稳定性和动力传递可靠性要求高。

3）运行工况多变，防喘振要求高。喘振是轴流压缩机的固有特性[4]，压缩机与风洞管网联合工作图见图3。风洞马赫数调节范围宽、试验参数多变等复杂工况造成风洞管网阻力增加，工况点向左移动，容易使压缩机进入喘振区，引起气流周期性振荡[5-6]和机组振动加剧，造成密封和轴承损坏[7-8]，甚至机组毁坏的严重事故。

图3 压缩机与风洞管网联合工作图

4）附属子系统多，联锁监控要求高。配置防喘振系统、变频调速系统、电/自控系统、润滑油系统和密封充气系统，各子系统安全运行控制参数多，安全联锁及上位机实时监控要求高。

2.2 压缩机与风洞的安全相关性

1）压缩机与风洞第一、第二拐角段整体设计，进出口与洞体通过波纹管相连，安装质量直接影响风洞流场品质和洞体回路安全；同时轴系振动异常容易造成各连接件损坏，甚至轴线偏移、风洞基础动摇等严重后果。

2）风洞管道为闭合回路，试验时洞体内部焊接件、螺栓螺母、试验模型变角块等异物一旦脱落，极易冲破压缩机进口防护网（4孔/平方英寸）进入机组内流道，打坏转子和叶片，造成重大安全事故。

3）风洞二喉道中心体或调节片等试验条件变化会直接引起压缩机进口流量变化，使机组运行工况极为复杂多变；压缩机进口流道的通流面积过小使进口流量变小，容易诱发喘振。

2.3 安全运行风险分析

综上分析，密封性、轴系稳定性、防喘振安全性是影响压缩机安全运行最为核心的因素，也是事关风洞试验安全顺利开展的关键环节。一旦安全防护或监控不力，便可导致轴承箱漏油、转子或驱动电机损坏，甚至风洞设备损坏的严重后果，直接威胁到风洞试验安全。

因此，必须进行安全运行设置，主动保护压缩机安全，确保机组与风洞安全运行。下面结合0.6m连续式风洞轴流压缩机的现场安装、考核及运行情况进行说明。

3 安全运行措施

3.1 现场安装

1）密封结构安装。气封采用三段迷宫型密封[9-11]，油封和气封之间设置与大气相通的放空腔，在靠近油封的一段气封充气，阻滞流道内气流泄漏，示意图见图4；油封共有两段，分别防止轴承箱两端和联轴器处漏油。安装时，油封和气封间隙均要求≤0.35mm；所有密封面均涂抹密封胶，保证封体和轴承箱之间的密封效果。

图4 气密封示意图

2）机组找正对中。找正对中目的是保证电机与压缩机的同轴度，使机组平稳、安全、可靠运行[12]。找正工具由法兰盘、伸长杆、表架与百分表组成[13]，采用打表法的找正示意图见图5。找正分为粗找和精找，机组正式组装扣合前进行粗找，精找时须将定子上半部分及轴承箱盖装好，消除机组自重产生的挠度影响。机组径向找正公差≤0.03mm，端面找正公差≤0.015mm。

图5 找正架示意图

3）风洞接口安装。压缩机主轴线为风洞管道的短轴基准线，风洞长轴同轴度≤3mm，短轴同轴度≤1mm。安装时通过调整底座顶丝达到轴线标高要求，同时使各支承全面接触，机壳水平度相对允许误差轴向≤0.04mm/m，横向≤0.06mm/m。设备基础复检、基础标高及地脚螺栓尺寸符合要求后，再进行机组轴线和接口法兰复测，确认无误后对地脚螺栓孔灌浆。

3.2 现场考核试验

考核试验的目的是检验压缩机的设计和安装效果，为后续机组的安全参数设置与运行提供依据，主要包括以下几项内容。

3.2.1 密封性能考核

结合目前情况下，2019年中怡康对家电市场的预判：从零售额角度看，除了彩电外，冰箱、洗衣机、热水器、洗碗机、净水设备等品类增速都会放缓，空调及厨卫产品可能会迎来负增长。2018遇冷仅仅是个开始，2019年压力会更大。在这种情况下，对于家电行业来讲，回归是核心。经济好的时候，强调市场上的攻城略地，而在整体运行承压的情况下，回归产品、回归用户、回归零售本质，围绕成本、效率、服务体验等精耕细作，聚焦强化核心竞争力，才能在残酷的竞争中突围逆袭。总而言之，虽然整体家电市场增速在下滑，但向前增长的动力并不缺乏。对于2019年，中国家电市场在新驱动力的作用下，定将取得新的成绩。

密封性能考核目的是检验压缩机段的密封性能。分为两个阶段，第一阶段为静态气密性试验，检验机组静态密封性能。将压缩机与风洞洞体脱离，封闭机组进出口，通过真空泵抽气，测量压缩机段的极限真空度；第二阶段为运转状态气密性试验，将抽真空系统与压缩机连接，静叶角设置46°，在机组1 500r/min下测量压缩机段的极限真空度和抽气时间。

试验验证了压缩机段的静、动态密封性能良好，获得了密封供气压力安全设置范围；机组运转时最低负压下的大气吸入量为0.114kg/s，满足机组及风洞安全运行要求。

3.2.2 机械运转性能考核

通过现场单机机械运转试验，目的在于检验机组的二次装配质量和最终特性。压缩机进出口管路布置见图6。

图6 单机机械运转压缩机进出口管路布置图

现场单机机械运转试验包括单电机驱动和双机同步驱动试验，分别考核单电机及双电机驱动对机组轴系、轴瓦的机械性能影响及电机功率平衡情况。试验时将压缩机与风洞洞体脱开，进口安装节流孔板和滤网，选取几个典型转速和静叶角，每个状态连续运行2小时后，检测机组轴系振动、位移、温度和电机功率等参数情况。

试验表明：机组在电机单驱和双电机同步驱动，以及固定静叶和调节静叶条件下，进/排气侧轴振动、轴瓦温度和轴位移等指标良好，电机功率平衡，满足机组和风洞安全运行需求。

3.2.3 防喘振安全性考核

包括喘振边界测试和防喘振曲线设置，目的在于测试出压缩机的安全运行范围，在程序中固化后作为机组防喘振控制的依据。

1）喘振边界测试。测试过程按照风洞总压范围，划分为常压、负压和增压三个阶段，测试工况点如图7所示。工况点1为防喘阀全关测试点，工况点2为失速开始点或喘振点，工况点3为失速或喘振临界点，工况点4为工况点1和3之间的压比平均点。

图7 喘振边界测试工况点图

2）防喘曲线设置。防喘曲线包括报警线、防喘线和喘振线，如图8所示，x轴为压缩机进口体积流量Q（m3/min），y轴为压比ε。将喘振边界测试实测喘振点的流量和压比进行20℃温度修正，各转速下的喘振点以拟合曲线相连即为喘振线。将实测喘振点的流量分别增大6％和12％，压比保持不变，各转速下的工况点以拟合曲线相连即为防喘线和报警线。报警线用于警示，防喘线将触发旁通回路防喘阀开阀输出，防止压缩机进入喘振区。

图8 常压下66°静叶角防喘振曲线设置图

3.3 联锁监控设计

主要功能包括：启机条件联锁、运行工况监测、抽真空条件联锁、洞体超压控制和风洞联锁通讯等。

1）启机条件联锁。将压缩机启机所需的润滑油、密封冷却气、电/自控系统等条件在程序中进行互锁，所有条件均满足时方可启动机组，防止误操作或忽略启机条件而盲目启机，造成安全事故。

2）运行工况监测。通过下位机程序和上位机监控画面，实时监测、显示、判断压缩机运行参数和工况，使机组运行异常时有声音或图像等明确的报警信息，随时掌握机组运行状态。

3）抽真空条件联锁。将气封和油封充气的压力信号与风洞抽气系统联锁，密封气压力正常时才允许风洞抽真空；抽气过程中一旦密封气压力异常，将复位允许抽气信号，风洞快速恢复常压，避免润滑油吸入流道。

4）洞体超压控制。将风洞内部压力信号与压缩机控制系统联锁，采集机组出口压力并进行程序设计，当洞体压力过高时，机组开始降速，静叶角回到46°，降低机组和风洞部件损坏风险。

5）风洞联锁通讯。压缩机启机条件就绪后，向风洞安全联锁系统发送申请启动信号；风洞各子系统满足试验条件时，向压缩机控制系统发送允许启机信号。规范应答模式，规避风洞与压缩机通讯安全风险。

3.4 物理应急措施

为提供压缩机安全运行后备保护，在风洞控制中控台设置了急停、正常停机和防喘阀快开等应急物理按钮，降低风洞试验时因出现模型颤抖、流场退却或模型姿态角机构异常等极端工况造成的设备和试验安全风险。

4 结论

0.6 m连续式风洞轴流压缩机运行至今，无一起安全事故发生，运行状态良好，为风洞试验提供了动力保障，获得了安全运行经验。

1）压缩机安全特性及其与风洞的安全相关性研究是必要的，可为机组和风洞的安全运行保护提供充分的实施依据；

2）本文提出的安全运行措施是合理可行的，满足压缩机自身及风洞试验安全需求；

3）研究结果和安全防护措施具有一定的通用性，可为后续连续式高速风洞轴流压缩机安全运行提供参考。

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为了确保0.6m连续式风洞轴流压缩机的运行安全，分析了轴流压缩机的安全运行特性及其与风洞的安全相关性，同时介绍了压缩机现场安装、调试与运行中采取的安全保护措施，获得了安全运行经验。

连续式跨声速风洞；轴流压缩机；安全运行；保护

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：李怀庆/西安陕鼓动力股份有限公司

2014-08-21四川绵阳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.