一種軸流壓縮機喘振邊界測定系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及透平壓縮機喘振邊界測定領域，特別是涉及一種安裝在連續式高速風洞主回路中的軸流壓縮機的喘振邊界測定系統。
【背景技術】
[0002]常規工業裝置軸流壓縮機大多處于開式管網，壓縮機的轉速、入口流量、入口壓力均相對穩定、變化較小，而連續式風洞是一種特殊管網，具有區別于常規工業工況的明顯特點:風洞與軸流壓縮機形成閉環回路、管網阻力變化頻繁、壓縮機運行轉速范圍大、運行工況多變、個別工況點靠近喘振區等，更加容易發生喘振，且一旦發生喘振，對風洞回路內的設備和軸流壓縮機本體的危害極大。
[0003]為避免壓縮機發生喘振，確保風洞試驗安全進行，必須設法獲得準確的壓縮機喘振邊界線，以界定出壓縮機的安全運行范圍。理論計算的喘振邊界線受數值計算準確度、機組加工誤差等因素影響，與實際的喘振邊界線往往存在一定偏差，這就需要在風洞現場人工實施喘振測試，以測定出壓縮機實際喘振邊界線，再在此基礎上留有適量裕度設置相應的防喘振線。
[0004]但是，現階段透平壓縮機喘振邊界測定領域，特別是連續式高速風洞應用場合，尚沒有一套能夠應用于用戶現場的喘振邊界測定系統。即使能夠完成喘振邊界測定的裝置或方法，也存在設備和操作界面分散、崗位設置多、程序繁瑣等缺陷，安全風險大、測定效果不佳；喘振判定裝置和判據的普適性、可靠性不強，給風洞回路內的設備帶來極大危險；無法模擬今后風洞試驗模型產生氣流阻塞、馬赫數粗/精調節、總壓變化等實際工況，使用工況范圍小、功能少，研宄和生產價值不佳；相似工況已采用的方法，得到的喘振邊界對應的曲線組成又極其復雜，可視化效果差、保護應用設置復雜，不便人員監控。
[0005]可見，現有裝置和方法已不適應于我國不斷提高的連續式風洞建設、使用需求。因此，亟需開發一種壓縮機喘振邊界測定系統，以達到操作方便、結果準確、應用便捷、安全可靠地測定出連續式風洞中軸流壓縮機喘振邊界的效果。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是為了避免現有技術的不足之處，提供一種軸流壓縮機喘振邊界測定系統。
[0007]為實現上述目的采用如下技術方案:
一種軸流壓縮機喘振邊界測定系統，該系統由監控系統與PLC控制系統組成，所述PLC控制系統與監控系統之間通過以太網TCP/IP協議雙向通信；所述PLC控制系統包括PLC、壓力測量子系統、靜葉調節子系統、壓縮機轉速調節子系統、逼喘子系統、喘振判定子系統、快速脫喘子系統、總壓調節子系統，每個子系統通過數據線與PLC進行通信；所述監控系統包括基于WinCC組態軟件的監控界面和快速脫喘按鈕，脫喘按鈕與PLC控制系統連接。
[0008]在上述技術方案中，所述壓力測量子系統包括設置在風洞穩定段的若干總壓傳感器、總溫傳感器和設置在風洞試驗段的若干靜壓傳感器，以及設置在壓縮機進出口的若干靜壓傳感器、溫度傳感器。
[0009]在上述技術方案中，所述壓縮機轉速調節子系統采用高壓交流變頻器驅動異步電動機，PLC通過與變頻器的modbus通信和硬接線。
[0010]在上述技術方案中，所述逼喘子系統采用防喘振閥和二喉道型面機構作為逼喘機構，所述二喉道型面機構包括二喉道中心體與三段調節片。
[0011]在上述技術方案中，所述二喉道中心體與三段調節片通過型面調節來減小或增大二喉道通流截面積。
[0012]在上述技術方案中，所述快速脫喘子系統，采用風洞回路上的防喘振旁路和防喘振閥作為快速脫喘動作的執行機構，所述防喘振閥直接與脫喘按鈕連接，由脫喘按鈕控制防喘振閥的快開功能。
[0013]在上述技術方案中，所述脫喘按鈕通過PLC控制系統中PLC與脫喘按鈕連接，在監控界面上設置虛擬脫喘按鈕與防喘振閥快開功能聯鎖。
[0014]一種軸流壓縮機喘振邊界測定系統的喘振邊界測定方法，包括以下步驟:
步驟一:喘振邊界測定開始后，通過在監控界面依次輸入目標靜葉角度、目標壓力，利用靜葉調節子系統、風洞總壓調節子系統分別將靜葉角度和風洞總壓調整至目標值，并在測定過程中保持；
步驟二:在監控界面輸入目標轉速，利用壓縮機轉速調節子系統，采取從低轉速開始，每一個階梯轉速穩定后，再通過控制參數設置界面逐漸關閉防喘振閥、調節二喉道中心體和調節片的方式進行逼喘，通過喘振判定子系統確認是否喘振，發生喘振則立即按下快速脫喘按鈕，壓縮機快速脫離喘振區，進入安全工作狀態；
步驟三:步驟二結束后此時體積流量Q和壓比ε對應的工況點(流量最小、壓比最高)即為壓縮機在當前轉速階梯的喘振點；否則，以失速點或流量最小、壓比最大的工況點作為“替代”喘振點；當得到當前轉速對應的喘振點后，升速至下一個轉速階梯并重復逼喘過程;
步驟四:監控界面全程實時記錄喘振邊界測定過程的數據，試驗中或試驗后，通過對存檔數據的分析即可得到已完成或所有喘振點的數據；最終，將得到的所有轉速階梯的喘振點連接成線后，即是該風洞總壓和壓縮機目標靜葉角下全工作轉速范圍內的壓縮機喘振邊界。
[0015]在上述步驟三中的“替代”喘振點選取方法為:在逼喘過程中，可能產生喘振、先失速(失速判據為壓縮機壓比突然降低)后喘振、只失速不喘振、既不失速也不喘振四種結果，對于后三種情況選擇失速點或流量最小、壓比最大的工況點作為“替代”喘振點。
[0016]在上述的壓縮機喘振的判定方法為:所述喘振判定子系統采用在壓縮機進、排氣側安裝精密壓力表，觀察指針擺動的測壓法，來進行壓縮機喘振判定。
[0017]綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是:本發明解決了目前對連續式高速風洞軸流壓縮機喘振邊界的測定，并且相較于現有系統、裝置和方法，操作界面統一規整、使用簡單；喘振判定更加可靠、準確和安全，最大限度避免了喘振測試對壓縮機和風洞設備的損害；使用本發明涉及的系統測定的喘振邊界為一條平滑的曲線，符合軸流壓縮機的性能特點，線型更加簡潔、應用更加便捷，防喘振程序設計和人員監控更加方便；特別針對需要不同總壓、不同靜葉角、全工作轉速范圍連續調速條件下測定的新要求，本發明巧妙的采用總壓調節、靜葉調節和壓縮機轉速調節子系統，實現了喘振邊界測定，產生了良好的研宄和生產效益；現場無需人員干預、全程可視化，避免高轉速、高馬赫數、高電壓帶來的高風險；在已應用的連續式高速風洞中，利用該喘振邊界測定系統，已成功完成常壓(總壓10kPa)條件下五種不同靜葉角度(46°、60。、66。、72。、76。)喘振邊界測定，以及設計靜葉角度66°條件下五種不同風洞總壓(20kPa、50 kPa、100kPa、150 kPa、250kPa)喘振邊界測定。
【附圖說明】
[0018]本發明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
圖1是喘振邊界測定系統功能框圖；
圖2是喘振邊界測定系統硬件連接及測點位置示意圖；
圖3是二喉道中心體和調節片逼喘動作示意圖；
圖4是壓縮機“逼喘”過程中進氣流量隨時間變化的波形圖；
圖5是壓縮機“逼喘”過程中壓比隨時間變化的波形圖；
圖6是壓縮機“逼喘”過程中轉速隨時間變化的波形圖；
圖7是壓縮機“逼喘”過程中前后軸承振動隨時間變化的波形圖；
圖8是靜葉角θ=66°的喘振點測試數據及喘振邊界；
圖9是述靜葉角θ=66°的喘振邊界應用和設置實例；
I是主壓縮機，2是靜葉調節機構，3是驅動電機，4是防喘振閥及防喘旁路，5是風洞總壓調節系統，6是試驗段，7是二喉道中心體和調節片，8是洞壁，9是調節片，10是中心體，11是壓縮機進氣體積流量，12是防喘振閥開閥瞬間，13是壓縮機壓比，14是壓縮機轉速，15是壓縮機進氣側軸振動，16是壓縮機排氣側軸振動，17是壓縮機在1000r/min靜葉角66°時的喘振點測試數據，18是壓縮機在1500r/min靜葉角66°時的喘振點測試數據，19是壓縮機在2000r/min靜葉角66°時的喘振點測試數據，20是壓縮機在2500r/min靜葉角66°時的喘振點測試數據，21是壓縮機在3000r/min靜葉角66°時的喘振點測試數據，22是壓縮機在3300r/min靜葉角66°時的喘振點測試數據，23是壓縮機在3600r/min靜葉角66°時的喘振點測試數據，24是壓縮機靜葉角66°時的喘振邊界，A是風洞總壓、總溫測點，B是風洞靜壓測點，C是壓縮機入口壓力、入口溫度測點，D是出口壓力測點。
【具體實施方式】
[0019]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0020]如圖1所示，為本發明的系統功能框圖。上位監控界面通過與PLC控制系統的雙向通信，實現對壓力測量子系統、靜葉調節子系統、壓縮機轉速調節子系統、逼喘子系統、喘振判定子系統、快速脫喘子系統、總壓調節子系統涉及設備的監測和控制。上位監控界面及其后臺程序，實時記錄并顯示喘振邊界需要的各項參數。
[0021]其中，監控系統與PLC控制系統采用基于以太網TCP/IP協議的通信方式，實現數據、控制信號的雙向傳遞。所述PLC控制系統通過數字I/O模塊、模擬I/O模塊或通訊模塊，實現與各子系統硬件、傳感器和控制器的連接與通信，最終通過PLC控制系統中對應程序模塊，達到對所述壓力測量子系統、靜葉調節子系統、壓縮機轉速調節子系統、逼喘子系統、喘振判定子系統、快速脫喘子系統、總壓調節子系統等七個系統涉及的設備進行數據測量、狀態監測、參數控制。
[0022]在監控系統的監控界面內，設置有喘振邊界測定所需的風洞/壓縮機主要狀態參數顯示界面(壓縮機進/出口壓力、壓縮機進/出口溫度、壓縮機進氣流量Q、壓比ε、壓縮機轉速、風洞總溫/總壓/靜壓、防喘閥閥位、二喉道中心體和調節片位置)、控制參數設置界面(壓縮機轉速、靜葉角度、防喘閥閥位、風洞總壓、二喉道中心體和調節片設置子畫面)；上位監控界面實時記錄壓縮機進/出口壓力、壓縮機進/出口溫度、壓縮機進氣流量Q、壓比ε、壓縮機轉速、風洞總溫/總壓/靜壓/、防喘閥閥位等參數，以供喘振數據分析和喘振邊界確定。
[0023]所述壓力測量系統，包括設置在風洞穩定段的若干總壓傳感器、總溫傳感器，設置在風洞試驗段的若干靜壓傳感器，設置在壓縮機進出口的若干靜壓傳感器、溫度傳感器，PLC控制系統通過對上述傳感器數據的實時采集，根據相關公式計算得到壓縮