CN101311554B - 叶片式流体机械的导叶、静叶、转速可调三因素匹配方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种叶片式流体机械的导叶、静叶、转速可调三因素匹配方法，涉及流体输送技术，用于叶片式通用流体压缩机械***，其压缩***的运行是在计算机控制下进行的，通过变频技术改变压气机的转速，在新的转速工况下，通过可控调节装置对进口导叶和下游静叶进行调节，使每个叶片通流部分的进气攻角均保持在δ＝2°～5°的范围内，使叶片通道内部的流动损失为最小，同时，在保持压比不变的条件下，压缩***能在小流量范围稳定运行，并且通过喘振先兆诊断及捕捉措施，使压缩***稳定运行的区域拓宽。

Description

叶片式流体机械的导叶、静叶、转速可调三因素匹配方法

技术领域

本发明涉及流体输送技术领域，是一种叶片式流体机械的导叶、静叶、转速可调三因素匹配方法，用于化工、发电、冶金、电力、交通、纺织等行业。

背景技术

众所周知，在我国基础性工业领域(化工、发电、冶金、电力、交通、纺织等)运行着大量以叶片形式(轴流、离心，及两者混合)为气动结构基元的流体输送机械，主要包括气体压缩机、通风机、鼓风机、和压气机。这类气体输送装置的功率、压比、流量覆盖范围基本上囊括了整个工业应用领域，从计算机芯片风扇到大型炼钢企业的多级压气机机群就是一个有力的佐证，而且大部分是直接依靠电力拖动的。因此在完成流体输送的同时，消耗巨额的电力，据统计表明消耗着全国工业用电量的30-40％的比例。另一方面，从能源高效利用的角度出发，我国目前在工业界广泛运行叶片式流体压缩机械和现有的结构设计体系还存在很大的空间可以挖潜。依据最近国家的节能增效的目标看，“十一五”期间要完成将单位GDP能耗指标降低20％的任务是十分艰巨和困难的，就通用叶片式流体压缩机械的节能空间看，急需发明新的技术和方法来支持我国持续性经济增长方式的发展，使我国这类装置的运行效率接近西方发达国家的水平，为节约性社会的构架做出实质性贡献。

目前在工业界运行的叶片式通用流体压缩机械的运行方式面临如下几个方面的问题：

1、目前我国流体机械80％以上的产品设计效率比国际先进水平低2％--4％，而实际运行效率比叶片式通用流体压缩机械***的最高效率点低20-30％的情况极为普遍。

2、在实际运行中，依据流体输送***的实际要求，压缩机机械经常在非设计状态工作，在这种运行情况下，在满足压比不变的情况下，运行效率均会大幅度的降低。

发明内容

本发明的目的是要从流体机械气动热力学和控制理论学科交叉的角度出发，采用导叶可调、静叶可调、转速可调三因素优化匹配方法，使通道内部流动分离和掺混损失一直处在最低水平，并在转速低于设计转速，且满足压比保持不变的前提下，通过喘振先兆的在线捕捉措施，避免实际运行的流体压缩机械进入流动失稳状态，维持叶片式通用流体压缩机械***的稳定、高效、安全运行。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种叶片式流体机械节能增效的三因素匹配方法，用于叶片式通用流体压缩机械***，这三因素在一定意义下是相互关联的，转速的改变(因素之一)必定引起动叶气流入口攻角的变化，其变化规律是业内专业人员都十分清楚的，这里不累赘了。而导叶安装角的自适应调节(因素之二)可以在获得转速的条件下，计算出动叶理论或者近似设计状态的入口攻角，采用DSP与伺服结合的方式条件导叶的安装角，使压气机非设计状态下通流部分的流动损失处在最小值，并同时拓宽喘振裕度。为了保证压气机非设计状态运行时各级性能近似相同的目的，改变静叶安装角(因素之三)与改变导叶具有相同的功能，仅不同的是改变导叶安装角是对第一级作出贡献，而改变静叶安装角是对下游级作出贡献。目的是使压气机全级的性能均能接近设计效率和设计喘振裕度。其整个***的运行是在计算机控制下进行的，通过变频技术改变压气机的转速，在新的转速工况下，通过可控调节装置对进口导叶和下游静叶进行调节，使每进口导叶和下游静叶的叶片通流部分的进气攻角均保持在δ＝2°～5°的范围内，使叶片通道内部的流动损失为最小，同时，在保持压比不变的条件下，叶片式通用流体机械压缩***能在小流量范围稳定运行，并且通过喘振先兆诊断及捕捉措施，使，叶片式通用流体机械压缩***稳定运行的区域拓宽。

所述的方法，其包括下述步骤：

A、三因素匹配过程是在自适应和反馈模式的框架下执行的；

B、依据外部管线反馈的压气机流量的需求信号，通过压气机运行数据采集和控制***，从进口流量测量装置和压气机出口压力测量装置采集流量和压力信号，经过压气机运行数据采集和控制***的数据在线处理，获取整个，叶片式通用流体机械压缩***目前的运行状况，

C、对，叶片式通用流体机械压缩***运行状况与外部管线反馈的压气机流量的需求信号进行比较后，依靠压气机运行数据采集和控制***中计算机设定的控制规律执行在线调节步骤。

所述的方法，其所述C步中，对，叶片式通用流体机械压缩***运行状况与外部管线反馈的压气机流量的需求信号进行比较后，若，叶片式通用流体机械压缩***运行流量比反馈的流量小时，则压缩***运行的工况必须向小流量范围调节，同时保证压气机出口压力测量装置维持恒定：

一、小额度降低，叶片式通用流体机械压缩***的转速；

二、依靠运行数据采集和控制***向进口导叶伺服调节器和第一级静叶伺服调节器发出调节信号；

三、进口可调导叶装置和可调静叶装置在接受到调节信号后，导叶可调装置和静叶可调装置的安装角向减少方向步进推进；

四、在线监测进口流量测量装置和压气机出口压力测量装置采集流量和压力信号；

五、将第四步所监测的流量信号与外部管线反馈的压气机流量的需求信号进行比较，求出差异的绝对值；

六、当差异的绝对值不大于千分之五时，停止向进口导叶伺服调节器和第一级静叶伺服调节器发出调节信号；

七、依据压气机出口压力测量装置和压气机运行数据采集和控制***中喘振先兆分析模块密切监视，叶片式通用流体机械压缩***压力的动态变化趋势；

八、一旦出现喘振先兆，压气机运行数据采集和控制***向压气机喘振放风阀发出控制信号，打开喘振放风阀，防止***进入喘振。

所述的方法，其所述C步中，对，叶片式通用流体机械压缩***运行状况与外部管线反馈的压气机流量的需求信号进行比较后，若，叶片式通用流体机械压缩***运行流量比反馈的流量大时，则，叶片式通用流体机械压缩***运行的工况必须向大流量范围调节，同时保证压气机出口压力测量装置维持恒定：

一、小额度增加，叶片式通用流体机械压缩***的转速；

二、依靠运行数据采集和控制***向进口导叶伺服调节器和第一级静叶伺服调节器发出调节信号；

三、进口可调导叶装置和可调静叶装置在接受到调节信号后，导叶可调装置和静叶可调装置的安装角向增加方向步进推进；

四、在线监测进口流量测量装置和压气机出口压力测量装置采集流量和压力信号；

五、将第四步所监测的流量信号与外部管线反馈的压气机流量的需求信号进行比较，求出差异的绝对值；

六、当差异的绝对值不大于千分之五时，停止向进口导叶伺服调节器和第一级静叶伺服调节器发出调节信号；

七、依据压气机出口压力测量装置和压气机运行数据采集和控制***中喘振先兆分析模块密切监视，叶片式通用流体机械压缩***压力的动态变化趋势；

八、一旦出现喘振先兆，装置向压气机喘振放风阀发出控制信号，打开喘振放风阀，防止***进入喘振。

本发明在压缩机械设计方面提供一种提高设计效率的方法，采用本发明方法可提高***的运行效率，并保持***的稳定工作。

本发明在提高流体压缩机械效率和拓宽稳定性方面与现在运行的技术有很大的区别：现在通用流体机械仅有依靠调节进口导叶安装角的方式，喘振监测是依靠设计时预留的喘振裕度加快速在流体压缩机械出口放气的被动方式，没有转速调节装置。而本发明的几个创新点体现在：

1)叶片式通用流体机械压缩***与调节控制***的连接方式不同，叶片式通用流体机械压缩***是在计算机在线检测/控制单元与，叶片式通用流体机械压缩***连接基础上执行的；

2)调节与控制装置的结构设置不同：，叶片式通用流体机械压缩***效率提高的途径是依靠进口导叶安装角、静叶安装角、和转速步进调节的基础上实现的，喘振监测是依靠计算机数据采集和分析***，捕捉喘振先兆的动态特征来实现的，效率提高和稳定性拓宽均是建立在计算机数据动态采集与分析基础上的；

3)结构方式也有区别：所发明的结构方式是既涉及到效率提高的调控结构，又将喘振监测设定在现代数据采集与分析的基础上。

附图说明

图1是一常见轴流压气机特性曲线；

图2是变转速，恒定压比***进入喘振的示意图；

图3是压气机单排叶片速度三角形变化趋势示意图；

图4是本发明的可调导叶、可调静叶、和变转速两级轴流压气机示意图；

图5是本发明导叶可调、静叶可调、转速可调三因素优化匹配示意图；

图6为不同转速下导叶、静叶的调节规律示意图。

具体实施方式

为了陈述清楚本发明的核心内容，现以某轴流压气机的特性曲线(见图1)进行说明。

喘振线左端为原，叶片式通用流体机械压缩***不能工作的区域，***一旦进入这一区域会发生强烈的流体振荡，严重时会发生机毁人亡的灾难性事故，实际运行时均匹配喘振预报和防喘振措施。点划线为效率相等的工作点，而且随着椭圆封闭区域的减少，效率会增加。图1中的n1、n2、n3、n4、n5、n6曲线，为压气机在不同等转速下运行的特性线，以n5为设计转速，特性线表示了，叶片式通用流体机械压缩***压比与流量的对应关系。在导叶和静叶固定安装角不变的情况下，在等转速线的条件下，压比随流量的降低而增加，实际运行时为了避免喘振，都留有一定的喘振裕度，一般为10-15％的范围，也就是运行工作点远离喘振边界线。这就是目前工业界实际运行流体压缩机普遍遵循的设计准则。当转速降低，也就是运行工况离开设计转速n5时，要保证相同的压比，就会出现图2的现象。例如当转速在n4时，要保证与n5运行的相同压比，则，叶片式通用流体机械压缩***必定要进入不可运行的区域，这就是工作点必须出现在喘振边界线的左端。以轴流压气机单排动叶的速度三角形(图3)变化为切入点，可以在机理上解释这一流动失稳现象。

图3中的Va是进气的轴向速度，V1是进气的相对速度，U是叶片旋转在R半径处的切向速度，α1是进气角，β1是叶片的安装角，一般情况下气体的入口攻角δ＝α1-β1＝2°-5°时，叶片通道内部的流动损失为最小。因此，在设计状态下，攻角都设置在2°-5°。依据吴仲华转焓恒定的原理，假使马赫数小于0.28，近似认为是不可压缩流动，则压比与相对转速的关系为：

$\mathrm{\Δp}=p_2-p_1=1/2\mathrm{\ρ}(V_1^2-V_2^2)-\mathrm{\Δ}{p}_{\mathrm{losss}}$

可见，压比、流量和叶片通道流动损失是有严格的关系的。如果在恒定转速的条件下，要提高压比，流量必须降低，则Va与V1的夹角α1必须加大，则δ＝α1-β1＞5°，叶片吸力面的分离必定加大，通道内部的流动分离就会加大，流动损失就会加大，另一方面，通道内部的分离团就会形成不稳定分离团，相对于叶片旋转的方向反向旋转，压气机进入喘振和旋转失速。这是在转速不变的情况下，压气机进入喘振左端区域的物理解释。

图2是当压气机偏离设计转速n5时，如果要保持压比恒定，在n4转速下，压气机要进入喘振区域的示意图，因为转速下降，给压气机提供的功必然下降，而要维持压比恒定，则两个相对速度的平方差不变，或者说相对速度的大小不能有大的改变，为保持这一关系，这时流量必须下降。必然导致Va与V1的夹角α1加大，吸力面分离加剧，压气机进入如图2所示的左端区域。可见，在现有固定的进口导叶和固定的静叶安装角的前提下，，叶片式通用流体机械压缩***要维持相同压比下，维持***高效稳定运行是不可能的。

本发明的目的是在满足压比恒定不变的条件下，改善和提高非设计工况的运行效率和稳定性，实际运行的轴流压气机大多数是多级环境，气动部件包括：进口导叶、动叶、静叶。见图4是简化的二级轴流压气机的气动布局。

通过变频技术改变压气机的转速，在新的转速环境下，通过可控调节装置对进口导叶和下游静叶进行调节，使每个叶片通流部分的进气攻角均保持在调整δ＝2°-5°的范围，使通道内部的流动损失为最小，这种运行方式可突破传统概念下的喘振边界，叶片式通用流体机械压缩***能在临近喘振线的左端工作，同时通过喘振先兆诊断装置捕捉***流动失稳信号，使得流体压缩机械能在高效、高稳定条件下工作。

通过压气机的流量变化、压力变化、和转速变化，从气动热力学的角度，匹配进口导叶、静叶的安装角，保持压气机始终处在叶片通道内部流体分离和掺混的损失为最小状态，同时通过在线动态调整的控制措施改变进口导叶和静叶的安装角，另一方面，通过压气机运行数据采集和控制***中的喘振监测模块诊断出***的喘振先兆，为防止***进入喘振提供预防措施和方案。整个***的运行是在计算机优化控制方案的条件下进行的。

图5是本发明方法的导叶可调、静叶可调、转速可调三因素优化匹配装置结构示意图，本发明方法的控制装置由：1-压气机机匣，2-进口导叶伺服调节器，3-进口可调导叶装置，4-进口流量测量装置，5-第一级静叶伺服调节器，6-可调静叶装置，7-压气机出口压力测量装置，8-压气机喘振放风阀，9-外部管线反馈的压气机流量的需求信号，10-压气机运行数据采集和控制***。本发明控制装置中各部件、及各部件的连接组装都是已有技术，在此不作赘述。

本发明方法的控制装置中各部件的功能如下：

1-压气机机匣，为压气机的导叶和静叶提供支撑，并将压缩气体封闭在通道内；

2-进口导叶伺服调节器，与压气机运行数据采集和控制***10结合起来，在获得控制***的控制输入信号后，通过伺服装置完成进口导叶安装角的调正，调节精度的误差为0.05°；

3-进口可调导叶装置，与进口导叶伺服调节器2一起动作，完成导叶姿态的调整；

4-进口流量测量装置，与压气机运行数据采集和控制***10中的数据采集***联结在一起，对压气机的流量进行在线动态采集，并与压气机的转速信号连锁在一起，为***整体控制提供非设计状态的准确输入信号，通过压气机运行数据采集和控制***10中数值分析分析模块完成导叶可调安装角和静叶安装角的设定；

5-第一级静叶伺服调节器，与压气机运行数据采集和控制***10结合起来，在获得控制***的控制输入信号后，通过伺服装置完成静叶安装角的调正，调节精度的误差为0.05°；

6-可调静叶装置，与第一级静叶伺服调节器5一起动作，完成静叶姿态的调整；

7-压气机出口压力测量装置，与压气机运行数据采集和控制***10中的数据采集***联结在一起，对压气机运行的出口压力进行动态监测，并与压气机运行数据采集和控制***10中喘振先兆分析模块联系起来，一旦在动态压力信号中出现喘振先兆信号，则发出控制输出信号，打开压气机喘振放风阀8，防止***进入喘振；

8-压气机喘振放风阀，与压气机运行数据采集和控制***10结合起来，执行***发出的喘振控制信号，防止***进入喘振；

9-外部管线反馈的压气机流量的需求信号，为气体压缩***提供管网目前的运行状态，确定压缩***应该输出的流量，为***提供调节进口导叶和静叶安装角的指令；

10-压气机运行数据采集和控制***，是整个***的信号分析、控制指令发出、数据采集、喘振动态监测的中央处理器。

上段结合图5，介绍了10个部件在发明中的作用。本发明方法的具体执行步骤如下：

依据外部管线反馈的压气机流量的需求信号9，通过压气机运行数据采集和控制***10，从进口流量测量装置4和压气机出口压力测量装置7采集流量和压力信号，经过压气机运行数据采集和控制***10的数据在线处理，获取整个，叶片式通用流体机械压缩***目前的运行状况，在确认，叶片式通用流体机械压缩***运行状况与外部管线反馈的压气机流量的需求信号9的比较后，依靠压气机运行数据采集和控制***10设定的控制规律执行在线调节步骤。

11-步骤一：当，叶片式通用流体机械压缩***运行流量比压气机运行数据采集和控制***10反馈的流量小时，则，叶片式通用流体机械压缩***运行的工况必须向小流量范围调节，但必须保证压气机出口压力测量装置7维持恒定。一、小额度降低，叶片式通用流体机械压缩***的转速；二、依靠运行数据采集和控制***10向进口导叶伺服调节器2和第一级静叶伺服调节器5发出调节信号；三、进口可调导叶装置3和可调静叶装置6在接受到调节信号后，导叶可调装置和静叶可调装置的安装角向减少方向步进推进；四、在线监测进口流量测量装置4和压气机出口压力测量装置7所采集流量和压力信号；五、将所监测的流量信号与外部管线反馈的压气机流量的需求信号9进行比较，求出差异的绝对值；六、当差异的绝对值不大于千分之五时，停止向进口导叶伺服调节器2和第一级静叶伺服调节器5发出调节信号；七、依据压气机出口压力测量装置7和压气机运行数据采集和控制***10中喘振先兆分析模块密切监视，叶片式通用流体机械压缩***压力的动态变化趋势，八、一旦出现喘振先兆，压气机运行数据采集和控制***10向压气机喘振放风阀发出控制信号，打开喘振放风阀，防止***进入喘振。三因素匹配是在自适应和反馈模式的框架下执行的。

12-步骤二：当，叶片式通用流体机械压缩***运行流量比压气机运行数据采集和控制***10反馈的流量大时，则，叶片式通用流体机械压缩***运行的工况必须向大流量范围调节，但必须保证压气机出口压力测量装置7维持恒定。一、小额度增加，叶片式通用流体机械压缩***的转速；二、依靠运行数据采集和控制***10向进口导叶伺服调节器2和第一级静叶伺服调节器5发出调节信号；三、进口可调导叶装置3和可调静叶装置6在接受到调节信号后，导叶可调装置和静叶可调装置的安装角向增加方向步进推进；四、在线监测进口流量测量装置4和压气机出口压力测量装置7所采集流量和压力信号；五、将所监测的流量信号与外部管线反馈的压气机流量的需求信号9进行比较，求出差异的绝对值；六、当差异的绝对值不大于千分之五时，停止向进口导叶伺服调节器2和第一级静叶伺服调节器5发出调节信号；七、依据压气机出口压力测量装置7和压气机运行数据采集和控制***10中喘振先兆分析模块密切监视压缩***压力的动态变化趋势，八、一旦出现喘振先兆，压气机运行数据采集和控制***10向压气机喘振放风阀发出控制信号，打开喘振放风阀，防止***进入喘振。三因素匹配是在自适应和反馈模式的框架下执行的。

本发明的方法已在三级轴流压气机实验台中进行了实验验证，该实验台的基本参数如表1所示，第一级动叶进口的设计攻角为30°，该压气机由一台18.5kw交流电机驱动，转速由一台SANKEN变频器实现无级调控，其输出频率误差为±0.01％，并且具有转速跟踪、瞬间电压补偿和瞬停再启动等功能。进口导叶和第一级静叶的伺服调节电机，采用计算机技术测量和控制。喘振预报装置采用DSP控制技术。构成了图5的验证实验环境。整个验证过程按图6所示的不同转速下导叶、静叶的调节规律进行，其验证的结果与本发明提出的设想一致。

表1低速轴流压气机实验件的气动及结构参数

设计转速	3000rpm	通道外径	500mm
				轮毂比	0.658	设计流量	6.85kg/s
导叶、动叶、静叶片数	40，30，40	进口导叶安装角	47°
				动叶顶部安装角	30°	静叶安装角	47°

Claims (4)

1.一种叶片式流体机械的导叶、静叶、转速可调三因素匹配方法，用于叶片式通用流体压缩机械***，其特征在于，整个***的运行是在计算机控制下进行的，通过变频技术改变压气机的转速，在新的转速工况下，通过可控调节装置对进口导叶和下游静叶进行调节，使进口导叶和下游静叶的每个叶片通流部分的进气攻角均保持在δ＝2°～5°的范围内，使叶片通道内部的流动损失减小，同时，在保持压比不变的条件下，叶片式通用流体压缩机械***能在小流量范围稳定运行，并且通过喘振先兆诊断及捕捉措施，使叶片式通用流体压缩机械***稳定运行的区域拓宽。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括下述步骤：

A、导叶可调、静叶可调、转速可调三因素匹配是在自适应和反馈模式的框架下执行的；

B、依据外部管线反馈的压气机流量的需求信号，通过压气机运行数据采集和控制***，从进口流量测量装置和压气机出口压力测量装置采集流量和压力信号，经过压气机运行数据采集和控制***的数据在线处理，获取整个叶片式通用流体压缩机械***目前的运行状况，

C、对叶片式通用流体压缩机械***运行状况与外部管线反馈的压气机流量的需求信号进行比较后，依靠压气机运行数据采集和控制***中计算机设定的控制规律执行在线调节步骤。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述C步中，对叶片式通用流体压缩机械***运行状况与外部管线反馈的压气机流量的需求信号进行比较后，若叶片式通用流体压缩机械***运行流量比反馈的流量小时，则叶片式通用流体压缩机械***运行的工况必须向小流量范围调节，同时保证压气机出口压力测量装置维持恒定：

一、小额度降低叶片式通用流体压缩机械***的转速；

二、依靠运行数据采集和控制***向进口导叶伺服调节器和第一级静叶伺服调节器发出调节信号；

三、进口可调导叶装置和可调静叶装置在接受到调节信号后，导叶可调装置和静叶可调装置的安装角向减少方向步进推进；

四、在线监测进口流量测量装置和压气机出口压力测量装置采集流量和压力信号；

五、将第四步所监测的流量信号与外部管线反馈的压气机流量的需求信号进行比较，求出差异的绝对值；

六、当差异的绝对值不大于千分之五时，停止向进口导叶伺服调节器和第一级静叶伺服调节器发出调节信号；

七、依据压气机出口压力测量装置和压气机运行数据采集和控制***中喘振先兆分析模块，密切监视叶片式通用流体压缩机械***压力的动态变化趋势；

八、一旦出现喘振先兆，压气机运行数据采集和控制***向压气机喘振放风阀发出控制信号，打开喘振放风阀，防止叶片式通用流体压缩机械***进入喘振。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述C步中，对叶片式通用流体压缩机械***运行状况与外部管线反馈的压气机流量的需求信号进行比较后，若叶片式通用流体压缩机械***运行流量比反馈的流量大时，则叶片式通用流体压缩机械***运行的工况必须向大流量范围调节，同时保证压气机出口压力测量装置维持恒定：

一、小额度增加叶片式通用流体压缩机械***的转速；

二、依靠运行数据采集和控制***向进口导叶伺服调节器和第一级静叶伺服调节器发出调节信号；

三、进口可调导叶装置和可调静叶装置在接受到调节信号后，导叶可调装置和静叶可调装置的安装角向增加方向步进推进；

四、在线监测进口流量测量装置和压气机出口压力测量装置采集流量和压力信号；

五、将第四步所监测的流量信号与外部管线反馈的的需求信号进行比较，求出差异的绝对值；

六、当差异的绝对值不大于千分之五时，停止向进口导叶伺服调节器和第一级静叶伺服调节器发出调节信号；

七、依据压气机出口压力测量装置和压气机运行数据采集和控制***中喘振先兆分析模块密切监视叶片式通用流体压缩机械***压力的动态变化趋势；

八、一旦出现喘振先兆，压气机出口压力测量装置和压气机运行数据采集和控制***向压气机喘振放风阀发出控制信号，打开喘振放风阀，防止叶片式通用流体压缩机械***进入喘振。

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