NF-6連續式跨聲速風洞馬赫數控制方式比較與研究

張永雙，陳 旦，陳 嬌

(1.中國空氣動力研究與發展中心空氣動力學國家重點實驗室，四川綿陽 621000；2.總裝備部駐綿陽地區軍事代表室，四川綿陽 621000)

0 引言

NF-6風洞是我國第一座增壓連續式跨聲速風洞，風洞試驗氣流馬赫數設計范圍為0.2～1.2，洞內氣壓可從常壓增至0.55MPa，通過增壓和噴液氮降溫的方法可以實現實驗雷諾數達到1.5×107以上，風洞具有固定馬赫數變雷諾數和固定雷諾數變馬赫數的能力。風洞于2009年初完成所有性能調試與流場校測工作，主要性能指標均達到設計要求。

來流馬赫數是反映風洞流場性能指標最為重要的參數之一，如何對其實現精確高效控制，更是風洞控制中一大關鍵難題。在國內，目前投入運行的跨聲速風洞均為暫沖式風洞，其馬赫數控制方式與連續式風洞有根本區別，借鑒作用有限；在國外，美國NTF、AEDC 16T，歐洲ETW風洞均為由壓縮機驅動的連續式跨(超)聲速風洞，但其相關資料均未披露馬赫數控制的具體細節［1-6］。因而，如何確定NF-6風洞馬赫數控制方式及控制流程，采用適當的控制策略，是一項開創性的工作。

圖1 NF-6風洞系統原理圖Fig.1 Schematic of the NF-6 wind tunnel

風洞從2007年開始進行性能調試工作，其間開展了馬赫數控制的研究，結合試驗數據對馬赫數兩種精確調節方式進行了對比與分析研究，在此基礎上選定了最終的調節方式，確定了控制流程，并成功實現了馬赫數的精確控制。

1 馬赫數調節方式

借鑒國內2.4m風洞等經驗，NF-6風洞馬赫數調節分為粗調與精調兩種模式，其中粗調在控制前期的預置階段起作用，為開環模式，主要通過在一定轉速階梯中設定壓縮機靜葉角度實現，而精調則在預置完成后的閉環調節中進行，包括壓縮機轉速調節與柵指位置調節兩種調節方式［7-8］。

1.1 馬赫數粗調

NF-6風洞以陜鼓集團生產的AV90-2軸流壓縮機為動力源，該壓縮機由兩級動葉和3級靜葉組成，其靜葉角從30°～86°連續可調。通過調整靜葉角度的大小可實現壓縮機入口流量的快速變化，并改變壓縮機的運轉效率，在壓縮機轉速一定的情況下，可以實現風洞試驗馬赫數的快速改變。

風洞運行的壓縮機轉速階梯共分8級，目前實際運行的轉速階梯為6級，當柵指位置完全縮回(L=5.02mm)，在不同轉速階梯下，風洞試驗馬赫數與壓縮機靜葉角度的對應關系(二元試驗段)參見圖2。

由圖可見，在最低轉速階梯(n=880r/min)時，壓縮機靜葉角從30°調至80°，對應馬赫數從0.12調至0.31；而在最高轉速階梯(n=2950r/min)時，壓縮機靜葉角從30°調至60°，對應馬赫數從0.43調至1.10，而此時60°以上的靜葉角范圍為運行的禁區，有可能會進入壓縮機喘振工況，因而不作考慮，另外，風洞還有轉速3150r/min等工況。通過在不同轉速階梯下壓縮機靜葉角的靈活預置，可以覆蓋風洞運行的全部可用馬赫數范圍，達到馬赫數粗調的目的。

圖2 各轉速階梯下壓縮機靜葉角與馬赫數對應關系Fig.2 The relations between compressor stator vane and Mach number for various rotational speeds

然而，壓縮機靜葉角不能作為馬赫數精確調節的手段。從圖2可看出，在轉速固定時，靜葉角對馬赫數影響明顯，且隨著壓縮機轉速的升高，其影響也更大，以n=2950r/min為例，靜葉角從30°至60°對應馬赫數變化范圍為0.67，以近似線性特性考慮，則對于靜葉角單位角度的變化，馬赫數的改變量為0.022(近似值)。而對于靜葉角調節機構，由于其電動執行機構的特性，角度控制的精度約為1°～1.5°，于是在該轉速階梯下，通過調節靜葉角從而調節試驗段馬赫數的馬赫數調節精度約為0.022～0.034，遠遠無法達到馬赫數控制精度0.001～0.002的指標要求，因而壓縮機靜葉角無法作為馬赫數精確調節的手段。

1.2 馬赫數精確調節

在風洞設計時，馬赫數精確調節考慮了3種調節方式，分別為壓縮機轉速、柵指位置與駐室抽氣量調節，3種調節方式均有其適用范圍與各自特點，設計的初衷是通過風洞調試找出最佳的調節方式或調節組合方式，并投入最終使用。由于風洞建設時取消了駐室抽氣部分，馬赫數精確調節方式即為壓縮機轉速調節與柵指位置調節。

兩種精確調節手段的本身均具有較好特性，其中壓縮機轉速范圍目前為0～3150r/min，轉速精度為0.2%，而柵指位置范圍0～227.5mm(二元試驗段)，定位精度0.05mm。通過壓縮機轉速及柵指位移均可以實現對馬赫數的精確調節，但二者又具有各自不同的特點，最終采用哪種調節方式，需要對其進行詳細的比較與研究。

2 兩種精調方式的對比研究

2.1 調節范圍

在某一設定基準運行點下(定壓縮機靜葉角β0與基準轉速n0)，壓縮機轉速調節范圍定為n0±50r/min，在不同基準轉速與基準靜葉角下，通過±50r/min轉速調節對馬赫數的調節范圍大小有所區別。而對于柵指位置，也可以結合壓縮機靜葉角、轉速完成對馬赫數在一定范圍之內的調節，并且柵指位移對馬赫數調節范圍的大小也隨由基準轉速與基準靜葉角所決定的基準運行點不同而不同。表1給出了在不同基準運行點下利用壓縮機轉速與柵指位移調節馬赫數的調節范圍對比。

表1 不同運行點時壓縮機轉速與柵指位移調節范圍對比Table 1 The adjustment ranges comparison for compressor rotational speed and choke finger displacement at different operation points

表1中轉速細調的數據按照可覆蓋所調節馬赫數范圍的原則，只給出了相應范圍運行點的數據，而柵指調節的數據，由于需利用柵指逼喘，因而其數據相對偏于較大靜葉角、更接近喘振的工況，根據實際測試的情況，并沒有給出相應運行點的所有數據，以下表2、3與之相似。從表1可以看出，柵指在其可運行的全范圍(不發生喘振情況下)內調節時，對于馬赫數的調節區間大于利用壓縮機轉速在±50r/min內對馬赫數的調節區間。

2.2 調節精度

作為馬赫數精調手段，壓縮機轉速以其最小可調節量變化時所引起的馬赫數變化量反應了壓縮機轉速對馬赫數的調節精度，與此相似，柵指位移以其最小可調節量變化時所引起的馬赫數變化量反應了柵指位移對馬赫數的調節精度。進一步的分析看出，調節精度還與調節瞬時所對應的基準參數如壓縮機轉速與靜葉角有關，當壓縮機處于高靜葉角與高轉速的高效狀態時，單位調節變量所引起的馬赫數變化量也相應較大。表2給出了當處于壓縮機不同的轉速與靜葉角基準參數下，精調轉速與精調柵指位移所對應的馬赫數精度，此處壓縮機轉速的最小可調節量為1r/min，而柵指位移的最小可調節量取為0.1mm。

表2 不同運行點時壓縮機轉速與柵指位移調節精度對比Table 2 The adjustment precisions comparison for compressor rotational speed and choke finger displacement at different operation points

由表2可以看出，利用柵指對馬赫數進行精調其調節精度優于利用壓縮機轉速進行調節的調節精度，但兩種方式都遠遠優于ΔM≤±0.001～±0.002的指標要求。實際上，壓縮機轉速本身的調節精度以及柵指位移本身的定位精度均分別大于其最小調節量，對于壓縮機轉速，其最終定位精度可控制在5r/min以內，而柵指定位精度可控制在0.5mm以內，最終對應的細調馬赫數的精度指標均可控制在ΔM≤±0.002以內。

2.3 調節速度

縮短馬赫數調節的過渡過程時間，可以節省電力，提高試驗效率，因而對兩種調節方式的調節速度進行了對比，仍以上述基準運行點為例，表3列出了在各運行點下，馬赫數變化量0.02時，兩種調節方式所用的時間對比，其中壓縮機轉速變化率為80s內0～3800r/min，考慮到小范圍精調轉速時，動態調節參數的變化引起調節時間的延長，取壓縮機轉速變化量100r/min時對應時間為8s，而由柵指驅動電機轉速(400r/min)及機械傳動關系推算，柵指位移變化率取為5mm/s。

表3 不同運行點時壓縮機轉速與柵指位移調節速度對比Table 3 The regulating speeds comparison for compressor rotational speed and choke finger displacement at different operation points

可以看出，兩種調節方式在調節速度上基本相當。在低轉速運行點時，轉速調節的調節速度稍快，而在高轉速運行點時，則是柵指調節的調節速度更快。

2.4 安全性能

無論使用哪種方式進行馬赫數精調，系統的安全性是必須首要考慮的。從以上對比中可以看出，利用轉速精調馬赫數，將轉速限定在基準運行轉速點的±50r/min范圍之內，通過適當的選擇基準運行點，可以確保系統的安全運行。而在利用柵指調節時，也需要對柵指的調節范圍進行嚴格限制，避免其進入壓縮機喘振區。

從實際調試過程看，當柵指處于完全縮回狀態時，除去壓縮機與風洞管網系統的諧振運行轉速(1870r/min)及部分導致振動較大的高靜葉角運行點外，在壓縮機的其它運行點處，均不存在壓縮機喘振及振動超標情況，風洞運行相對安全。而對于柵指參與調節運行的情況，柵指本身便作為壓縮機喘振曲線測試時的逼喘手段，在二喉道截流狀況下，即便在壓縮機處于1000r/min低轉速時，結合一定的靜葉角值，壓縮機仍然有可能進入喘振。因而，綜合來看，利用轉速精調馬赫數在安全性上較柵指位移調節方式為優。

3 調節方式的確定及控制流程

風洞馬赫數粗調的方式比較明確，結合壓縮機靜葉角與轉速的不同組合，形成不同的基準運行點，可以實現二元試驗段馬赫數在0.2～1.02，三元馬赫數在0.2～1.02之間的自由調節，能夠覆蓋風洞的全馬赫數運行范圍。馬赫數調節二、三元基準運行點分布分別如圖3、4所示，此可以作為馬赫數預置與粗調時的參照標準。

對于馬赫數精調，由以上對比分析可以看出，利用柵指位移進行調節，在調節范圍、調節精度以及部分運行點的調節速度上均具有明確優勢，而利用轉速進行馬赫數精調，則在安全性以及另外一些運行點的調節速度上性能更優。但從上述的比較過程，有幾個需要注意到的事實是：

圖3 馬赫數調節基準運行點分布(二元)Fig.3 The operating point distribution for Mach number adjustment(two-dimensional)

圖4 馬赫數調節基準運行點分布(三元)Fig.4 The operating point distribution for Mach number adjustment(three-dimensional)

(1)柵指精確調節比轉速±50r/min精確調節調節范圍更廣，但實際上通過預置與粗調階段的調節，馬赫數實際值已經接近目標值，并不需要在精調階段進行大范圍的調節；

(2)柵指精確調節精度更高，但兩種精調方式的調節精度均優于設計指標要求；

(3)兩種調節方式各自在特定的運行點具有調節速度優勢；

(4)轉速精調方式具有安全性更高的優勢，且轉速本身就是馬赫數調節(粗調)的必要手段，引入轉速進行馬赫數精調，并不增加系統復雜性；而引入柵指進行馬赫數精調，相當于增加一個控制參量，必然增加控制算法及控制程序編寫的復雜性。

基于上述4點，選定了利用轉速精調馬赫數的控制方式，并確定控制流程如下：(1)根據馬赫數與壓縮機轉速及靜葉角的對應關系曲線，查出設定馬赫數下的最佳轉速及靜葉角；(2)根據上述轉速數據，進行壓縮機轉速預置；(3)轉速預置到位后，對壓縮機靜葉角進行預置；(4)轉速與靜葉角均到設定的預置值以后，觀察當前的馬赫數與目標值之間的偏差，若偏差較大，則需對預置值進行微調，并重新預置，直到當前馬赫數示值與目標值之差達到指定的誤差范圍；(5)系統進入閉環調節，利用壓縮機轉速進行馬赫數精調；(6)當馬赫數穩定，發采集指令，測量系統采集數據；(7)改變目標馬赫數時，重復以上步驟。當靜葉角已經處于某一個較大的角度并且轉速要進行大范圍的調整，需先將靜葉角退回初始角度，以免直接上轉速使得運轉點逼近喘振點，當轉速達到設定值以后，再改變靜葉角到指定值；(8)設定轉速及靜葉角變化均呈階梯方式逐步改變，轉速分步階梯為200r/min，當臨近1870r/min的共振點時，呈跨越式跳變，該變化階梯設定為400r/min；靜葉角階梯為3°或2°；(9)風洞停車時，先將靜葉角分階梯退至初始角度(30°)，再分階梯降轉速。當風洞長時間運行、軸承發熱量大時，需盤車運行，降低溫度。

4 結論與展望

NF-6風洞于2008年完成了控制系統的全部調試工作，其中馬赫數控制系統的主要指標為：馬赫數運行范圍分別為二元0.2～1.16，三元0.2～1.1；馬赫數閉環控制精度優于±0.002。圖5、圖6分別給出了二元試驗段某車次設定馬赫數0.3和1.0時馬赫數控制精度的情況，可以看出其控制精度均優于±0.002，且在高馬赫數時控制精度較低馬赫數時更高。

圖5 Ma=0.3控制曲線Fig.5 The control curve when Ma=0.3

圖6 Ma=1.0控制曲線Fig.6 The control curve when Ma=1.0

風洞馬赫數控制系統通過對比分析與試驗驗證，采用了用壓縮機轉速精調馬赫數的控制方式，但是也可以看出，柵指調節在調節范圍、調節精度以及部分運行點的調節速度上是具有一定優勢的，在確保系統運行安全的情況下，也可以作為精調馬赫數的一種有效手段。

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