离心压缩机喘振特性及喷射扩稳研究

2021-02-23

流体机械 2021年1期

（合肥通用机械研究院有限公司压缩机技术国家重点实验室，合肥 230031）

0 引言

现代离心压缩机普遍具有宽工况高性能需求，其内部流动现象复杂。失速和喘振因其流动机制的复杂性和后果的严重性，已成为限制宽工况宽高压缩机研发的核心问题之一，为此深入研究喘振机理、拓宽压缩机稳定工作范围是亟待解决的关键问题。

早在1955年，Emmons等［1］在离心压缩机实验中发现了两种不同的喘振现象，即发生在靠近特性曲线最高点正斜率部分的轻度喘振和更低流量点的深度喘振，在转速较低处，这两种喘振现象中间存在一个无喘振区，但在转速较高时，两个喘振区重合，无喘振区消失，研究表明离心压缩机的失速和喘振特性比轴流压缩机要复杂得多。之后有关离心压缩机喘振的研究大量展开。1988年，麻省理工的Fink［2］对某涡轮增压器进行了详细的失速和喘振数据测量，研究了增压器后带不同体积容腔对喘振特性的影响，认为诱导轮叶尖处的失速是引起喘振的关键因素。1999年，Ribi等［3］研究了轻度喘振情况下压缩机与附属管路间的能量交换问题，结果表明，轻度喘振情况下各部件对能量输入的贡献主要取决于各自稳态特性曲线的斜率。Hiradate等［4］对多级离心压缩机的喘振展开实验研究，指出级间耦合会改变系统稳定性，某级流动的失稳会诱发系统轻喘。由于失速与喘振密切相关，且失速往往发生于喘振前，因此目前喘振研究较多关注与失速相关的轻度喘振。

目前离心压缩机延迟喘振、拓宽喘振裕度的方法可分为被动控制和主动控制两类，被动控制方法主要就是机匣处理。1975年，Amann等［5］对某车用涡轮增压器的研究发现，有叶扩压器内的失速限制了压缩机工作范围，在叶轮出口盖侧开周向槽且其后接气腔，对拓宽稳定性范围有益。Jansen等［6］发现离心压缩机工作范围在低速时主要受诱导轮控制，而在高速时受有叶扩压器控制，于是研究了叶轮入口盖侧的轴向槽和扩压器入口盘侧的径向斜槽对稳定性的影响，工况范围扩展了近30%。Fisher等［7］采用入口自循环放气的方法，适当选择放气位置，如诱导轮喉部之后，可实现减小喘振流量的同时增加堵塞流量。之后有关离心压缩机机匣处理的研究大量开展。主动控制方法最早应用于轴流压缩机，Lim等［8］在一低速轴流压缩机上比较了连续喷射和间断喷射的效果，与连续喷射相比受控制的间断喷射可额外提升喘振裕度，同时减少喷射空气总量。针对离心压缩机方面，喷射口一般布置于叶轮进口或扩压器进口前。Skoch［9］研究了某离心压缩机扩压器入口处气流切向喷射的扩稳效果，结果表明于扩压器叶排的入口气流攻角减小是气流喷射拓宽稳定工况范围的原因。Halawa等［10］研究了不同喷射质量流量和角度对改善离心式压缩机喘振裕度的影响。Hirano等［11］使用周向错开角度的两根喷管在叶轮机匣进口喷气，研究了周向相对位置对扩稳效果的影响。国内目前少有离心压缩机喷射扩稳的文献，相关试验研究有待开展。

本文建立了离心压缩机工况动态特性监测系统，进行了喘振动态特性试验。基于该系统设计实现了主动控制机匣喷射扩稳方案，研究了不同喷射孔数和喷射流量对扩稳效果的影响。

1 喘振特性试验

1.1 动态特性监测系统

离心压缩机动态特性监测系统主要由变频电机、增速齿轮箱、轴承箱、压缩机主机、进排气管道、油路系统，冷却系统，传感器以及数据采集系统组成，如图1所示。该系统具有测量压缩机实时性能参数和振动数据、变转速和变负荷调节等功能。

图1 工况特性监测系统Fig.1 The monitoring system of working conditions

离心压缩机采用半开式径向叶轮，为单级悬臂结构，叶片数16，采用无叶扩压器，设计转速为14 250 r/min。试验台设计为开式系统，当压缩机工作时，处于室温状态的大气进入进气管道，经压缩后的气体经过出口管道和排气电动阀，最终排入大气。进排气管道布置温度和压力传感器，排气管道上设计孔板流量计以测量压缩机流量。在变频电机和增速齿轮箱之间安装有扭矩仪用于测量主机的转速和扭矩，同时在压缩机主轴安装有轴振动传感器，配合温度传感器等仪器对试验系统进行实时监测。采用美国NI数据采集系统自主开发数采和控制程序，实现离心压缩机温度、压力、流量、转速、扭矩等性能参数的测试，同时利用该系统对压缩机的执行部件如电动阀等进行控制。

1.2 喘振特性

喘振监测是主动扩稳的基础，研究通过对离心压缩机喘振工况下进排气压力、流量等参数的测试分析，获得压缩机喘振发生前后特征参数的变化规律。通过数采系统控制排气压力调节阀的开度实现喘振工况，使压缩机由正常工作状态进入喘振区，同时分别记录压缩机的转速、进排气流量、温度与压力，再通过阀门调节退出喘振状态，由此可获得各个转速的喘振临界点。通过调节转速改变工况曲线，可得到离心压缩机全转速工况的喘振边界。图2示出离心压缩机在转速为14 750 r/min时，由稳定工况进入喘振工况和由喘振工况退出过程中的动态压力波形。从图2（a）中可以看出压缩机系统在稳态时，进气压力和排气压力的波动幅值较小，波形表现出一定的随机特性。当压缩机从稳态进入喘振工况时，进出口压力波动幅度变大，并表现出一定的周期特性。出口压力脉动幅度大大高于进口压力脉动，排气压力脉动峰峰值为0.027 2 MPa，进气压力脉动峰峰值为0.008 8 MPa。喘振时，压缩机进口管段出现显著的倒流现象，喘振频率约为5.5 Hz。喘振时进出口压力脉动的平均值均低于稳定工况的相应压力值。进气管道流动进入深度喘振的起始时刻要落后于排气管道进入深度喘振的起始时刻，退喘时则相反。

图3分别示出压缩机在不同转速下喘振时进排气压力的脉动波形。由图可以看出，转速越高，喘振时进排气压力的脉动幅值也越大。在8 680 r/min时，进、排气压力的脉动峰峰值约为0.002 9，0.009 5 MPa，随着转速的升高，在 10 700，12 690，14 750 r/min时进气压力的脉动幅值分别为0.004 4，0.00 6，0.008 9 MPa；排气压力的脉动幅值分别为0.013 7，0.020 4，0.026 3 MPa。通过频谱分析，在此4 个转速下的喘振频率分别为 6.3，6.1，5.8，5.5 Hz，随着转速的升高，压缩机的喘振频率略有降低。

2 喷射扩稳试验

2.1 主动控制机匣喷射（ACCI）系统

针对目前离心压缩机扩稳以机匣处理被动方式为主的情况，基于上述试验系统提出了主动控制机匣喷射扩稳方案，如图4所示。当试验台终端显示压缩机进出口流量及压力出现显著波动时，2种方案可供选择，其一是打开防喘控制阀，退出喘振工况；另一方案是打开主动控制系统，通过从叶轮机匣表面的一圈小孔射入高压气体冲走端壁区域低能量流体，实现退喘。开孔机匣结构如图5所示，高压空气由金属软管引至机匣外部的环形腔内，再由机匣内侧的小孔射入叶轮流道中。机匣一侧的流场在叶轮流道拐弯后易出现流动分离，因此将小孔布设于叶轮子午流道曲率最大位置，通过喷气抑制流动分离，改善该区域通流状况。孔径为5 mm，孔轴线与叶轮轴线平行，通过封闭部分小孔可改变喷射孔的数目。

图4 主动控制喷射扩稳系统Fig.4 The stability enhancement system with active control casing injection

图5 机匣喷射结构Fig.5 Configuration of casing injection

2.2 扩稳性能

气流的射入会对压缩机的流动特性产生影响，在相同的前盖板结构下，对不同数目喷射孔时的离心压缩机工作性能进行了测量。图6示出喷射条件下实测的离心压缩机扩稳效果，横坐标为压缩机进口的体积流量，纵坐标为压缩机出口管路测量的表压。

图6 不同开孔数目下的扩稳效果Fig.6 Effect of hole numbers on stability enhancement

表1所列为扩稳量和压力提升的具体数值。控制喷射气体流量为2.5 Nm3/min，压力为0.45 MPa。由图可以看出，机匣喷射能够显著地减小离心压缩机的最小流量，增大压缩机的稳定运行工况范围。

表1 不同开孔数目和转速下的扩稳效果Tab.1 Stability enhancement with different hole numbers and rotational speeds

扩稳量Δφ定义为:

在开孔数目为8时，随着压缩机转速的升高，扩稳效果降低，在转速为10 580 r/min时，扩稳效果为29.26%，而随着转速的升高，当转速为12 650，14 730 r/min时，其扩稳效果降低为24.44%和9.36%。对于其它的开孔数目，也存在相同的趋势。同时，由图还可以看出，由于主动控制喷射系统的作用，压缩机稳定工况范围在扩大的同时，其排气压力也有了进一步的提升。在开孔数目为8时，对于 10 580，12 650，14 730 r/min 的转速，离心压缩机的排气压力分别提高了7.8%，5.8%，7.2%。

图7所示为开孔数目为4，喷射气体流量分别为1，1.8，2.5 Nm3/min时的扩稳效果，横纵坐标的定义同图5，上述喷射量分别为设计流量的1.8%，3.2%，4.5%。

图7 喷射量对扩稳效果的影响（4孔）Fig.7 Effect of injection rate on stability enhancement（4 holes）

由图可以看出，在喷射量为2.5 Nm3/min时扩稳效果要比喷射量较小时的扩稳效果明显。但压缩机的排气压力随喷射量的增大无显著升高。在10 580 r/min转速下，随喷射流量增大压缩机的扩稳量分别为23.6%，25.5%，32.3%，在12 650 r/min转速下，相应的扩稳量分别为6.2%，11.2%，12.1%，在14 730 r/min转速下扩稳量相对较小。

开孔数量为16时的扩稳和压力提升效果与开孔数量为4时差异不大，在10 580，12 650 r/min转速下，随喷射量的增大压缩机扩稳量逐渐增加，而排气压力增加不明显。

2.3 小孔喷射流场

试验测试只能获得外特性数据，为分析小孔喷射的扩稳机理，展开了相关数值研究。针对16孔的压缩机机匣喷射，建立了数值分析模型，流动网格由21块H型网格拼接而成，如图8所示。计算由定常流场初始化，流道每划过一个孔流场变化一个周期，期间设置30个物理时间步。图9所示为一周期内不同时刻流道中间切面的相对总压云图，由图可见小孔喷射的流道区域相对总压较周围更高，而当该区域远离小孔时，低总压范围延伸至该处，损失增大。喷射气流吹散机匣附近的低能量流体，改善了流动状况。