某工业用离心式压缩机失速和喘振识别试验研究*

2022-12-21王睿李健伟赵强么立新曾鸣李凯华刘德重

风机技术 2022年5期

王睿李健伟赵强么立新曾鸣李凯华刘德重

（沈阳鼓风机集团股份有限公司）

0 引言

失速和喘振的识别、诊断和控制对离心式压缩机的安全和稳定运行具有重要意义。喘振控制线是离心式压缩机稳定运行控制的关键指标之一。失速或者喘振工况的识别可以作为喘振控制线设置的重要依据。在压缩机中，失速可被视为扩压器或叶栅中静压持续升高的停止。叶片通道可能部分或完全失速。如果质量流量继续减少，它可能会转向喘振并导致可听见的流量波动[1]。Cheshire[2]在1945 年首先发现了离心压缩机的失速现象。Frigne[3]采用试验方法研究了使用无叶扩压器的离心压缩机旋转失速和扩压器失速。Madhavans[4]通过试验方法研究了离心式风机压力面流动分离产生的旋转失速。Wagner[5]研究了齿轮式压缩机叶轮疲劳失效与喘振控制线的关系。张磊[6]使用数值模拟方法研究了旋转失速的气动噪声特性。Bianchini[7]研究了无叶扩压器失速对离心压缩机转子动力学的影响。石嵩[8]采用CFD 数值仿真方法模拟了轴流压气机全通道的失速工况。Sorokes[9]总结了离心压缩机的空气动力诱导力和转子振动特性的关系。李文溥[10]研究了回流器叶片结构对失速的影响。薛翔[11]应用模态波理论，通过试验识别压缩机的失速和喘振现象。赵新维[12]对失速引起的叶片振动进行了测试，并观察到了信号调制现象。姚金鑫[13]采用MPE-CEEMD 算法进行了轴流压缩机的旋转失速状态识别。文献[14]研究了带有有叶扩压器离心压缩机的剧烈喘振和扩压器失速。文献[15]采用数值和试验方法研究了某离心压缩机的失速和喘振工况。

本文使用试验方法对某工业用离心压缩机进行失速和喘振的识别研究。在不同转速和不同压比工况下，考察压缩机的压力脉动的频域特征，识别了失速和喘振工况点。

1 失速和喘振的频域特征

根据文献[1,7,12,15]，当失速团生成时，在频域内可以观测到失速团对应的特征频率fs。如果是扩压器失速，该频率值范围一般在0.1倍轴频至0.25倍轴频，即

同时在轴频fr附近可以观测到由失速团引起的调制特征频率，即

如果是转子失速（即旋转失速），该频率值范围一般在0.14倍轴频至0.82倍轴频[3]，即

特殊情况可能达到0.9 倍轴频或更高[4]，即fs∈（0.14fr～0.9fr）。同时在叶通频fBPF附近可以观测到由失速团引起的调制特征频率，即

式中n=1,2。由失速团的传播特点可知，当特征频率fs和调制特征频率f1或f2同时在频域内观测到时，可以判断失速已经发生，并可推断失速发生的位置。

喘振是压缩机的气体流量和排气压力周期性地低频率、大振幅波动的现象，是一种压缩机和管网联合运行的工况条件[16]。在频域内，喘振的主振频率fsurge一般较低（低于30Hz），幅值相对较大（远大于轴频fr和叶通频fBPF的幅值），并伴有倍频（2×fsurge等）。

2 试验装置和测试设备

采用沈阳鼓风机集团股份有限公司的某工业离心压缩机进行试验研究。试验装置如图1 所示。该离心压缩机为轴向进气，叶轮出口直径（D2）约为450mm，采用无叶扩压器，图1（a）中红色箭头代表流动方向。在四个截面进行压力测量，截面分别是：1）叶轮进口；2）叶轮出口（即扩压器进口）；3）扩压器出口；4）有叶回流器出口。在以上四个截面，每个截面周向均布三个压力脉动传感器。

图1 离心式压缩机和试验装置图Fig.1 Diagrams of the centrifugal compressor and test device

压力测量采用PCB公司的116B压力传感器。采集使用北京东方所的INV3062 多通道采集仪。采样频率为20kHz，在采样完成后，应用快速傅里叶变换方法对压力脉动的时域信号数据进行处理，使用矩形窗，得到各种工况下的频域结果。

3 多转速工况下的测试

在三种转速下，对离心压缩机进行测试。单级叶轮，叶片数为15。试验得到的流量与压比曲线如图2所示。图中横坐标为相对流量。设计点是表1中转速Ⅱ，相对流量100%的工作点。在图2中定义若干特征点：P点是喘振或失速前的一个工况点；S 点是叶轮失速点，即旋转失速点；S1点是叶轮和扩压器共同失速点，即混合失速点；VS是Violent Surge的缩写，代表剧烈喘振点。

表1 压缩机运行转速Tab.1 Compressor operating speeds

图2中，连接VS工况点的红色线是喘振线；绿色的虚线代表有一定运行裕度的喘振控制示意线；蓝色虚线可以作为单参数控制的喘振控制示意线。以下给出特征工况点的频率结果。

图2 流量与压比图Fig.2 Diagram of flow vs pressure ratio

3.1 设计点频率特征

本节给出设计点的四个截面测得压力脉动的频域结果。设计点压缩机转速为11420r/min。图3和图4分别为低频区（0～350Hz）和高频区（叶通频附近，2500～3100Hz）的结果。四个截面位置分别为：叶轮进口、叶轮出口、扩压器出口及回流器出口。

此工况轴频和叶通频的理论值分别为190.3Hz 和2855Hz。从图3 可以看出，除回流器外，轴频（190Hz）是低频区主要成分，而回流器内无明显主要频率。在低频区还有一些振幅相对较高的低频成分，估计与此压缩机内的实际流动有关。本文主要研究了与失速和喘振相关的特征频率，上述这些低频成分与本文研究内容无直接关联，所以在这里对其成因不做具体分析。从图4 可以看出，四个监控截面都显示有叶通频（2849.4Hz）。

图3 低频区结果Fig.3 The results of low frequency region

图4 高频区结果Fig.4 The results of high frequency region

3.2 喘振/失速前工况点频率特征

本节给出喘振/失速前工况点（P 点）的四个截面测得压力脉动的频域结果。压缩机转速为11420r/min。图5 和图6 分别为低频区（0～350Hz）和高频区（叶通频附近，2500～3100Hz）的结果。

图5 低频区结果Fig.5 The results of low frequency region

图6 高频区结果Fig.6 The results of high frequency region

从图5可以看出，在低频区一些频率成分的振幅已经大于轴频（190Hz），但是均不满足公式（2）中的代数关系。从图6可以看出，高频区仍以叶通频（2849.3Hz）为主。

3.3 旋转失速点频率特征

本节给出失速工况点（S 点）的四个截面测得的压力脉动频域结果。此时压缩机转速为9672r/min。图7和图8分别为低频区（0～350Hz）和高频区（叶通频附近，2100～2700Hz）的结果。

此工况轴频和叶通频的理论值分别为161.2Hz 和2418Hz。从图7（a～c）可以看出轴频（161.3Hz）及其2倍频（322.6Hz）。在图7（a）中还能观察到96.6Hz（fs）和65.8Hz（f1）的频率成分；在图8（a～d）中能观察到叶通频2419.4Hz（fBPF）及2322.7 或2322.9（f2）Hz。此时失速团频率fs=96.6Hz。并存在代数关系f1=fr-fs=161.3-96.6=64.7Hz和f2=fBPF-fs=2419.4-96.6=2322.8Hz。根据以上代数关系和传感器位置可以判断此时在叶轮发生了旋转失速。

图7 低频区结果Fig.7 The results of low frequency region

图8 高频区结果Fig.8 The results of high frequency region

3.4 VS点频率特征

此节考察混合失速工况点（S1点）的四个截面测得压力脉动的频域结果。此时压缩机转速为12986r/min。图9、图10和图11分别为全频区（0～10000Hz）、低频区（0～700Hz）和高频区（叶通频附近，2900～3500Hz）的结果。

此工况轴频和叶通频的理论值分别为216.4Hz 和3246.5Hz。首先考察全频区，即10000Hz以下振幅的整体分布。从图9 可以看出，在此工况下，频率1.98Hz 的幅值明显高于其他频率幅值；另外频率176.1Hz（或174.1。此频率由1.98Hz与176.1Hz调制而成）及其倍频也是十分显著；轴频不明显。在图9（a～c）还可观察到叶频（3245.9Hz）及其倍频。下面考察低频区和高频区的结果，如图10和图11所示。

图9 全频区结果Fig.9 The results of the entire frequency region

图10 低频区结果Fig.10 The results of low frequency region

图11 高频区结果Fig.11 The results of high frequency region

从图10（a）可以看出频率fsurge=1.98Hz 及其2 倍频（3.97Hz）异常显著，可以判断此时发生了喘振。在叶轮出口至扩压器出口均有失速团频率fs=19.8Hz，并在图10（b）中调制峰值196.7Hz（f1），存在代数关系f1=fr-fs=216.4-19.8=196.6Hz。可以判断此时存在扩压器失速。

在图10（a～d）中存在另外的失速团频率fs=176.1Hz及其倍频。在图11（a～d）中能观察到叶通频3245.9Hz（fBPF）及3071（f2）和3422.4（f2’）Hz。此时失速团频率fs=176.1Hz。存在代数关系f2=fBPF-fs=3245.9-176.1=3069.8Hz和f2’=fBPF+fs=3245.9+176.1=3422Hz。可以判断此时存在叶轮的旋转失速。