離心壓縮機回流器葉片結構對旋轉失速影響的試驗研究

（沈陽鼓風機集團股份有限公司）

1 概述

目前限制壓縮機設計性能進一步提高的一個重要因素是壓縮機常常出現的旋轉失速現象。對于旋轉機械，旋轉失速現象是廣泛存在的，當葉輪機械內部流量較小時，進氣沖角逐漸增大，氣流在葉片非工作面上發生邊界層分離，形成旋轉失速現象[1-3]，如圖1所示。旋轉失速團在葉輪流道內沿著與葉輪相反的旋轉方向傳播，它限制機器的穩定工作范圍，葉片經過旋轉失速團時受到交變應力作用，會使葉片產生疲勞斷裂，影響風機安全運行[4-6]。

圖1 旋轉失速的形成Fig.1 The cause of rotating stall

相關理論研究表明，旋轉失速團的特征頻率為低頻，其頻率低于轉速頻率。當壓縮機組發生旋轉失速時，該低頻信號產生，并且隨著流量的減小，其幅值不斷增大[7-12]?；诼晧盒盘栴l譜分析，未發生旋轉失速時其頻譜主要頻率成分為轉速頻率和葉片通過頻率及其相關倍頻，而發生旋轉失速時會出現頻率較低的旋轉失速團特征頻率。因此，可以通過分析流道內部氣流頻率，來進行旋轉失速方面的試驗研究。這豐富了對壓縮機旋轉失速現象的認識，為壓縮機組擴穩和安全運行的設計和研究提供了試驗依據。

2 試驗裝置與測試系統

本試驗在沈鼓離心壓縮機試驗臺上進行。選用試驗葉輪為離心閉式葉輪，試驗級數為單級，擴壓器為無葉擴壓器，在不同轉速下進行旋轉失速對比試驗。一般情況下，在帶無葉擴壓器的級中，旋轉失速團常常首先出現在工作葉輪中，當氣流由上一個部件流向后一個部件時，旋轉失速團也沿著流道向后傳送[13-14]。因此本次試驗采用PCB聲壓傳感器，在無葉擴壓器流道內A-A截面對氣流的聲壓信號進行測量，經處理轉換為頻率信號，通過頻譜分析完成對旋轉失速的試驗研究[15]，如圖2所示。

圖2 測試截面說明圖Fig.2 The test section

本次試驗研究不同結構回流器在旋轉失速區的特征。在測量截面及其他條件完全相同的情況下進行一組對比試驗，分別測量不同結構回流器在各個工況點的聲壓信號，研究回流器結構對旋轉失速的影響，回流器結構為單列葉片形式和雙列葉片形式，具體結構如圖3所示。

圖3 回流器葉片形式Fig.3 The return channel structure blade

本次試驗的測試系統主要采用美國NI測試系統。流道內部氣流的聲壓信號采用PCB聲壓傳感器測量，整個測試系統包括聲壓傳感器、NI數據采集卡、工控機以及測試分析軟件。聲壓傳感器分辨率為0.00013kPa、靈敏度為725mV/kPa。測試系統流程為聲壓傳感器將流道內部氣流的聲壓信號傳入NI數據采集卡，采集卡將采集到的數據傳入工控機中通過測試分析軟件進行顯示，并在試驗結束后對數據進行系統分析，得出相應的頻譜圖。具體的試驗系統框架圖見圖4。

圖4 測試系統Fig.4 The test system

3 試驗數據分析

根據試驗臺情況，本次試驗在4種轉速下，進行不同回流器結構對旋轉失速影響的對比試驗。轉速由低到高分別標記為轉速1，2，3，4。

3.1 旋轉失速的確定

根據相關理論研究，當壓縮機組產生旋轉失速團時，流道內氣流會產生一組新的低于轉速頻率的低頻信號，即旋轉失速團的特征頻率。在壓縮機組無葉擴壓器處布置聲壓傳感器，測量流道內氣流的聲壓信號，經處理轉換為頻率信號。當出現該低頻特征時，認為此工況點已經失速。由于轉子扭振、油膜渦動等也會形成轉子的低頻信號，可能會對試驗測量產生影響，為了保證數據的準確性，排除機組其他條件的干擾，本次試驗研究在轉子主軸處設置了一組電渦流傳感器，用于測量轉子的振動。測量過程中發現，當流道內氣流出現低頻特征時，轉子振動頻率依然只有轉速頻率，并未出現低頻信號，故可以排除轉子低頻信號對聲壓信號測量的干擾，該低頻特征由氣流產生，為旋轉失速特征頻率，該工況時機組已經失速。

故通過測量機組流道內氣流的聲壓信號，可以確定壓縮機組是否處于旋轉失速狀態。

3.2 旋轉失速特征頻率的幅值

為更好地對比不同回流器結構對旋轉失速的影響，在同一運行工況點進行旋轉失速特征的對比研究。

對比分析壓縮機在相同工況點下，單列和雙列回流器均處于旋轉失速狀態時，擴壓器內氣流的頻譜。轉速為4時，單列和雙列兩套試驗裝置在76%流量點時均處于旋轉失速狀態，單列回流器旋轉失速特征頻率27.5Hz，為轉速頻率的11.7%，旋轉失速特征頻率的幅值3 419Pa，為轉速頻率幅值的18倍；雙列回流器旋轉失速特征頻率28.7Hz，為轉速頻率的12.2%，旋轉失速特征頻率的幅值841.6Pa，為轉速頻率幅值的6倍。由此可知單列回流器的旋轉失速特征頻率的頻率值與雙列接近，但其特征頻率的幅值遠大于雙列，其頻譜圖如圖5所示。

圖5 旋轉失速區氣流頻率幅值對比Fig.5 Amplitude of air flow frequency in rotating stall

不難看出，壓縮機在相同的工況下運行，且均處于旋轉失速狀態時，不同的回流器結構對旋轉失速特征頻率的頻率值基本沒有影響，但對其特征頻率的幅值存在一定的影響。

3.3 旋轉失速區的范圍

根據相關理論研究，壓縮機處于旋轉失速狀態時會產生低頻信號，故分析其頻譜即可確定壓縮機旋轉失速區的范圍。在4個試驗轉速下，通過查找各工況點是否存在低頻信號，從而確定壓縮機組的旋轉失速起 始點，4個試驗轉速旋轉失速區范圍如圖6所示。

圖6 旋轉失速區范圍對比Fig.6 The range of rotating stall zone

圖6 中曲線為流量百分比與壓比的關系，圖中X軸為流量百分比，是不同工況下流量與設計點流量的比值，Y軸為壓縮機的單級壓比，曲線上方為單列回流器數據，下方為雙列回流器數據，陰影部分點為已經失速。從圖6中可以看出，轉速1時，單列回流器的旋轉失速起始點約為74%設計點，而雙列回流器的旋轉失速起始點約為61%設計點。轉速2時，單列回流器的旋轉失速起始點約為75%設計點，而雙列回流器的旋轉失速起始點約為68%設計點。轉速3時，單列回流器的旋轉失速起始點約為89%設計點，而雙列回流器的旋轉失速起始點約為74%設計點。轉速4時，單列回流器的旋轉失速起始點約為90%設計點，而雙列回流器的旋轉失速起始點約為74%設計點。

由此可知，旋轉失速點的位置均隨著轉速的升高向設計點（100%流量點）靠近。而在旋轉失速范圍方面，單列回流器的旋轉失速區域大于雙列回流器，而且隨著轉速的升高，兩者的范圍差距更加明顯。

4 結論

此次試驗主要研究了單級離心壓縮機旋轉失速情況，對比了單列與雙列回流器在旋轉失速區域的特性，得出以下結論：

1）通過在不同轉速下測量壓縮機旋轉失速，發現旋轉失速點的位置均隨著轉速的升高向設計點（100%流量點）靠近。與壓縮機在高轉速下運行工況范圍小相符合。

2）不同的回流器結構對旋轉失速范圍存在一定的影響，單列回流器的旋轉失速區域大于雙列回流器，而且隨著轉速的升高，兩者的范圍差距更加明顯。

3）在旋轉失速特征頻率的幅值上，壓縮機在相同的運行工況，并均處在旋轉失速狀態下，單列回流器旋轉失速特征頻率的幅值比雙列回流器大，幅值大小約為雙列回流器的3～5倍，說明不同的回流器結構對旋轉失速特征頻率的頻率值基本沒有影響，但對旋轉失速特征頻率的幅值存在一定的影響。

4）使用聲壓傳感器對單級離心壓縮機進行旋轉失速試驗，豐富了對壓縮機旋轉失速的認識。為設計高性能、工作范圍寬的離心壓縮機提供了豐富的試驗數據和依據。

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