离心压缩机回流器叶片结构对旋转失速影响的试验研究

（沈阳鼓风机集团股份有限公司）

1 概述

目前限制压缩机设计性能进一步提高的一个重要因素是压缩机常常出现的旋转失速现象。对于旋转机械，旋转失速现象是广泛存在的，当叶轮机械内部流量较小时，进气冲角逐渐增大，气流在叶片非工作面上发生边界层分离，形成旋转失速现象[1-3]，如图1所示。旋转失速团在叶轮流道内沿着与叶轮相反的旋转方向传播，它限制机器的稳定工作范围，叶片经过旋转失速团时受到交变应力作用，会使叶片产生疲劳断裂，影响风机安全运行[4-6]。

图1 旋转失速的形成Fig.1 The cause of rotating stall

相关理论研究表明，旋转失速团的特征频率为低频，其频率低于转速频率。当压缩机组发生旋转失速时，该低频信号产生，并且随着流量的减小，其幅值不断增大[7-12]。基于声压信号频谱分析，未发生旋转失速时其频谱主要频率成分为转速频率和叶片通过频率及其相关倍频，而发生旋转失速时会出现频率较低的旋转失速团特征频率。因此，可以通过分析流道内部气流频率，来进行旋转失速方面的试验研究。这丰富了对压缩机旋转失速现象的认识，为压缩机组扩稳和安全运行的设计和研究提供了试验依据。

2 试验装置与测试系统

本试验在沈鼓离心压缩机试验台上进行。选用试验叶轮为离心闭式叶轮，试验级数为单级，扩压器为无叶扩压器，在不同转速下进行旋转失速对比试验。一般情况下，在带无叶扩压器的级中，旋转失速团常常首先出现在工作叶轮中，当气流由上一个部件流向后一个部件时，旋转失速团也沿着流道向后传送[13-14]。因此本次试验采用PCB声压传感器，在无叶扩压器流道内A-A截面对气流的声压信号进行测量，经处理转换为频率信号，通过频谱分析完成对旋转失速的试验研究[15]，如图2所示。

图2 测试截面说明图Fig.2 The test section

本次试验研究不同结构回流器在旋转失速区的特征。在测量截面及其他条件完全相同的情况下进行一组对比试验，分别测量不同结构回流器在各个工况点的声压信号，研究回流器结构对旋转失速的影响，回流器结构为单列叶片形式和双列叶片形式，具体结构如图3所示。

图3 回流器叶片形式Fig.3 The return channel structure blade

本次试验的测试系统主要采用美国NI测试系统。流道内部气流的声压信号采用PCB声压传感器测量，整个测试系统包括声压传感器、NI数据采集卡、工控机以及测试分析软件。声压传感器分辨率为0.00013kPa、灵敏度为725mV/kPa。测试系统流程为声压传感器将流道内部气流的声压信号传入NI数据采集卡，采集卡将采集到的数据传入工控机中通过测试分析软件进行显示，并在试验结束后对数据进行系统分析，得出相应的频谱图。具体的试验系统框架图见图4。

图4 测试系统Fig.4 The test system

3 试验数据分析

根据试验台情况，本次试验在4种转速下，进行不同回流器结构对旋转失速影响的对比试验。转速由低到高分别标记为转速1，2，3，4。

3.1 旋转失速的确定

根据相关理论研究，当压缩机组产生旋转失速团时，流道内气流会产生一组新的低于转速频率的低频信号，即旋转失速团的特征频率。在压缩机组无叶扩压器处布置声压传感器，测量流道内气流的声压信号，经处理转换为频率信号。当出现该低频特征时，认为此工况点已经失速。由于转子扭振、油膜涡动等也会形成转子的低频信号，可能会对试验测量产生影响，为了保证数据的准确性，排除机组其他条件的干扰，本次试验研究在转子主轴处设置了一组电涡流传感器，用于测量转子的振动。测量过程中发现，当流道内气流出现低频特征时，转子振动频率依然只有转速频率，并未出现低频信号，故可以排除转子低频信号对声压信号测量的干扰，该低频特征由气流产生，为旋转失速特征频率，该工况时机组已经失速。

故通过测量机组流道内气流的声压信号，可以确定压缩机组是否处于旋转失速状态。

3.2 旋转失速特征频率的幅值

为更好地对比不同回流器结构对旋转失速的影响，在同一运行工况点进行旋转失速特征的对比研究。

对比分析压缩机在相同工况点下，单列和双列回流器均处于旋转失速状态时，扩压器内气流的频谱。转速为4时，单列和双列两套试验装置在76%流量点时均处于旋转失速状态，单列回流器旋转失速特征频率27.5Hz，为转速频率的11.7%，旋转失速特征频率的幅值3 419Pa，为转速频率幅值的18倍；双列回流器旋转失速特征频率28.7Hz，为转速频率的12.2%，旋转失速特征频率的幅值841.6Pa，为转速频率幅值的6倍。由此可知单列回流器的旋转失速特征频率的频率值与双列接近，但其特征频率的幅值远大于双列，其频谱图如图5所示。

图5 旋转失速区气流频率幅值对比Fig.5 Amplitude of air flow frequency in rotating stall

不难看出，压缩机在相同的工况下运行，且均处于旋转失速状态时，不同的回流器结构对旋转失速特征频率的频率值基本没有影响，但对其特征频率的幅值存在一定的影响。

3.3 旋转失速区的范围

根据相关理论研究，压缩机处于旋转失速状态时会产生低频信号，故分析其频谱即可确定压缩机旋转失速区的范围。在4个试验转速下，通过查找各工况点是否存在低频信号，从而确定压缩机组的旋转失速起 始点，4个试验转速旋转失速区范围如图6所示。

图6 旋转失速区范围对比Fig.6 The range of rotating stall zone

图6 中曲线为流量百分比与压比的关系，图中X轴为流量百分比，是不同工况下流量与设计点流量的比值，Y轴为压缩机的单级压比，曲线上方为单列回流器数据，下方为双列回流器数据，阴影部分点为已经失速。从图6中可以看出，转速1时，单列回流器的旋转失速起始点约为74%设计点，而双列回流器的旋转失速起始点约为61%设计点。转速2时，单列回流器的旋转失速起始点约为75%设计点，而双列回流器的旋转失速起始点约为68%设计点。转速3时，单列回流器的旋转失速起始点约为89%设计点，而双列回流器的旋转失速起始点约为74%设计点。转速4时，单列回流器的旋转失速起始点约为90%设计点，而双列回流器的旋转失速起始点约为74%设计点。

由此可知，旋转失速点的位置均随着转速的升高向设计点（100%流量点）靠近。而在旋转失速范围方面，单列回流器的旋转失速区域大于双列回流器，而且随着转速的升高，两者的范围差距更加明显。

4 结论

此次试验主要研究了单级离心压缩机旋转失速情况，对比了单列与双列回流器在旋转失速区域的特性，得出以下结论：

1）通过在不同转速下测量压缩机旋转失速，发现旋转失速点的位置均随着转速的升高向设计点（100%流量点）靠近。与压缩机在高转速下运行工况范围小相符合。

2）不同的回流器结构对旋转失速范围存在一定的影响，单列回流器的旋转失速区域大于双列回流器，而且随着转速的升高，两者的范围差距更加明显。

3）在旋转失速特征频率的幅值上，压缩机在相同的运行工况，并均处在旋转失速状态下，单列回流器旋转失速特征频率的幅值比双列回流器大，幅值大小约为双列回流器的3～5倍，说明不同的回流器结构对旋转失速特征频率的频率值基本没有影响，但对旋转失速特征频率的幅值存在一定的影响。

4）使用声压传感器对单级离心压缩机进行旋转失速试验，丰富了对压缩机旋转失速的认识。为设计高性能、工作范围宽的离心压缩机提供了丰富的试验数据和依据。

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