CN102297149B - 拓宽离心压缩机稳定运行区域的装置和方法及离心压缩机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种拓宽离心压缩机稳定运行区域的装置，包括多个高频响的动态压力传感器、一高频响的动态应变仪、一信号调理设备、一信号处理DSP模块以及气流喷射装置；所述动态压力传感器、动态应变仪采集压缩机运行时的动态信号，通过所述信号调理设备将信号传送至DSP模块，DSP模块对信号进行处理，并发送命令至控制器，使气流喷射装置动作。本发明能够拓宽离心压缩机的稳定运行区域即稳定性工作范围，消除或减小流动非稳定性即失速和喘振的危害。本发明还公开了一种拓宽离心压缩机稳定运行区域的方法及一种设置有拓宽离心压缩机稳定运行区域的装置的离心压缩机。
Description
技术领域
本发明涉及一种离心压缩机的附件，具体涉及一种拓宽离心压缩机稳定运行区域的装置。本发明还涉及一种拓宽离心压缩机稳定运行区域的方法。本发明还涉及一种设置有拓宽离心压缩机稳定运行区域的装置的离心压缩机。
背景技术
离心压缩机作为一种提高气体压力的通用机械，在国民经济的许多部门得到了广泛的应用，占有重要地位，特别广泛地应用于冶金工业(高炉鼓风、氧气炼钢、氧气制取等)、石油化工(油田注气、合成氨、尿素、乙烯、石油精炼等)、天然气输送、制冷、航空和动力(航空发动机、燃气轮机、内燃机增压、动力风源等)等工业部门。
喘振和失速是压缩机机组由于工况变化等因素的影响而运行在小流量时候发生的不稳定流动状态。这些不稳定流动现象的存在对压缩机机组的结构产生了极大的危害，比如喘振过程中机组会产生剧烈振动，对密封、轴承和叶轮等都会产生极大损伤。而压缩机在短时间内的载荷的变化，对驱动系统也是不利的。这种情况如果不得到重视，轻则就会引起企业和工厂的停车事故，带来较大经济损失，重则产生机毁人亡、生产瘫痪等重大事故。
目前在工业界内，对于离心压缩机喘振的处理仍采用避开以及被动的控制方法，比如设置喘振保护线与动作线，避免压缩机运行在喘振区域。或者采用机匣处理以及放气或打回流的方法，但是这种方法一方面无法充分利用压缩机的潜力，并且容易使得压缩机在非喘振点的效率下降；另一方面这种方法大多在压缩机出口采取放气等措施，由于无法在引起失稳的根本位置附近动作，因此解除失稳的速度较慢，而且会引起能量的巨大浪费。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种拓宽离心压缩机稳定运行区域的装置，它可以消除或减小流动非稳定性即失速和喘振的危害。
为解决上述技术问题，本发明拓宽离心压缩机稳定运行区域的装置的技术解决方案为：
包括多个高频响的动态压力传感器、一高频响的动态应变仪、一信号调理设备、一信号处理DSP模块以及气流喷射装置；所述多个动态压力传感器周向均布在无叶空间内；所述动态应变仪固定设置于叶轮进口附近的轮盖上，采集压缩机运行时的动态信号；所述信号调理设备的输入端分别与高频响动态压力传感器、动态应变仪电性连接；信号调理设备的输出端连接所述DSP模块的输入端，DSP模块计算给定时间段内数据点的平均值、方差以及进行FFT分析；DSP模块的输出端通过信号传输线连接控制器，控制器连接气流喷射装置；所述气流喷射装置包括两组喷嘴，一组喷嘴设置于叶轮进口，另一组喷嘴设置于有叶扩压器的进口，每组喷嘴的数目至少为八个；所述喷嘴的出口截面与叶轮轮盖平齐；喷嘴所喷射的气体流向与压缩机叶轮的旋转方向相反。
在无外部气源可用时，所述叶轮喉部设置有第一组引气管，第一组引气管设置于叶轮喉部的周向中间位置；所述有叶扩压器的喉部设置有第二组引气管，第二组引气管设置于有叶扩压器喉部的周向中间位置，每组引气管的数目与对应位置的喷嘴数目相同。
所述第一组喷嘴与第一组引气管相互连接，所述第一组喷嘴与第一组引气管之间设置有气体喷射控制阀；所述第二组喷嘴与第二组引气管相互连接，所述第二组喷嘴与第二组引气管之间设置有气体喷射控制阀；所述气体喷射控制阀分别通过伺服电机进行控制。
在有外部气源可用时，所述每个喷嘴分别连接一气体喷射控制阀；多个气体喷射控制阀均设置于一环形气体缓冲管道上，环形气体缓冲管道的入口通过气体输送阀连接外部气源，所述喷嘴由外部气源实现供气；所述气体喷射控制阀通过伺服电机进行控制。
所述喷嘴的内部流道为轴向，喷嘴的出口流道由轴向过渡到径向，使得喷嘴的出口截面与叶轮轮盖平齐；内部流道的直径大于出口流道的直径，形成渐缩形流道。
所述喷嘴的出口截面尺寸根据喷嘴的出口流速而定。
本发明还提供一种拓宽离心压缩机稳定运行区域的方法，其技术解决方案为，包括以下步骤：
第一步，将多个动态压力传感器周向均布在无叶空间内；将一动态应变仪固定设置于叶轮进口附近的轮盖上；将动态压力传感器、动态应变仪与信号调理设备的输入端连接，信号调理设备的输出端连接DSP模块的输入端；DSP模块的输出端通过信号传输线连接控制器，控制器连接气流喷射装置；将气流喷射装置的喷嘴分别设置于叶轮进口和有叶扩压器的进口；
第二步，开启压缩机，动态压力传感器、动态应变仪从叶轮进口以及无叶空间实时采集信号，并将信号传送至信号调理设备；
第三步，信号调理设备对信号进行放大、滤波以及A/D模数转换，并将信号传送至DSP模块；
第四步，DSP模块对信号进行处理，将该信号与预先设定的喘振报警值相比较，若不符合预先设定的要求，则不发出控制信号，继续进行动态信号采集；若符合预先设定的要求，则根据设定的阈值，向控制器发出控制信号；
第五步，控制器接到该控制信号后，向气流喷射装置发出作动信号，并根据报警情况确定调控区域，决定待调控区域的喷嘴的动作顺序和喷嘴的阀门开度，并且使喷嘴所喷射的气体流向与压缩机叶轮的旋转方向相反，从而实现扩稳。
本发明还提供一种设置有拓宽离心压缩机稳定运行区域的装置的离心压缩机，其技术解决方案为：
包括叶轮、径向通道型有叶扩压器、轴向通道，叶轮、有叶扩压器、轴向通道形成气流通道；多个动态压力传感器周向均布在无叶空间内的轮盘侧；动态应变仪固定设置于叶轮进口附近的轮盖上；多个动态压力传感器、动态应变仪分别与信号调理设备的输入端电性连接，信号调理设备的输出端连接DSP模块的输入端，DSP模块的输出端通过信号传输线连接控制器，控制器连接气流喷射装置；所述气流喷射装置包括两组喷嘴，第一组喷嘴设置于叶轮进口，第二组喷嘴设置于有叶扩压器的进口，每组喷嘴的数目至少为八个；所述喷嘴的出口截面与叶轮轮盖平齐；喷嘴所喷射的气体流向与压缩机叶轮的旋转方向相反。
所述喷嘴的内部流道为轴向，喷嘴的出口流道由轴向过渡到径向，使得喷嘴的出口截面与叶轮轮盖平齐；内部流道的直径大于出口流道的直径，形成渐缩形流道。
在无外部气源可用时，所述叶轮喉部设置有第一组引气管，第一组引气管设置于叶轮喉部的周向中间位置；所述有叶扩压器的喉部设置有第二组引气管，第二组引气管设置于有叶扩压器喉部的周向中间位置，每组引气管的数目与对应位置的喷嘴数目相同；在有外部气源可用时，所述每个喷嘴分别连接一气体喷射控制阀；多个气体喷射控制阀均设置于一环形气体缓冲管道上，环形气体缓冲管道的入口通过气体输送阀连接外部气源，所述喷嘴由外部气源实现供气；所述气体喷射控制阀通过伺服电机进行控制。
本发明可以达到的技术效果是：
本发明通过调控离心压缩机的叶轮进口、叶轮喉部、有叶扩压器的进口、有叶扩压器喉部的流动，达到拓展离心压缩机稳定性工作范围的目的。
本发明通过在离心叶轮进口以及无叶空间布置可控的气流喷射装置，通过喷射高压气流改善离心叶轮进口以及有叶扩压器进口区域的流动状况，从而来拓宽系统稳定性工作区域，而消除引起失稳的因素。
本发明通过主动控制的方式避免离心压缩机的喘振现象，同时考虑到引起离心压缩机喘振的所有可能情况，并且在除喘振之外的其它稳定工作区域，不改变系统的稳态特性，同时拓宽压缩机的稳定工作范围以及改善压缩机的气动性能，能够消除采用被动控制方法在正常工作状态下效率和压比损失的缺点。
本发明能够拓宽离心压缩机的稳定运行区域即稳定性工作范围，使得现有离心压缩机尽可能工作在高压比、高效率的区域附近，从而实现节能的目的。
本发明基于离心压缩机内部流动，从物理机理的角度分析引起失稳的原因，能够以较小的代价获得较大的效果。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是本发明拓宽离心压缩机稳定运行区域的装置的示意图；
图2是图1的侧面剖视图；
图3是本发明的喷嘴的示意图；
图4是本发明的工作流程图。
图中附图标记说明：
1为叶轮进口， 2为叶轮出口，
3为有叶扩压器的进口，4为有叶扩压器的出口，
5为轴向通道的出口， 8A为动态压力传感器，
8B为动态应变仪， 9A为第二组喷嘴，
9B为第一组喷嘴， 10B为第一组引气管，
10A为第二组引气管， 7为有叶扩压器。
具体实施方式
本发明拓宽离心压缩机稳定运行区域的装置，包括多个高频响的动态压力传感器、一高频响的动态应变仪、一信号调理设备、一信号处理DSP模块以及气流喷射装置；
多个动态压力传感器周向均布在叶轮出口与有叶扩压器之间的无叶空间内；
对于采用有叶扩压器的离心压缩机，无叶空间对于失稳的作用十分关键，无叶空间内的流动直接决定着压缩机的流动状况，本发明将多个动态压力传感器设置于该无叶空间内以监控压缩机的流动状况，从信号的空间傅立叶分析以及信号的方差变化量提前实现对喘振的预警；
动态应变仪固定设置于叶轮进口附近的轮盖上；动态应变仪用以采集压缩机运行时的动态信号，能够同时测量切向与轴向的速度信号；
如果压缩机运行在靠近喘振点(即失稳点)附近，会在叶轮进口靠近轮盖的位置出现回流，此时必然会改变该处的流场分布即切向和轴向速度，从而改变流体对应变片的作用力，本发明在该位置安装有动态应变仪，利用动态应变仪监测接近失稳过程中，流体施加于应变计上切向以及轴向作用力的变化，从该值的突变中实现对于喘振的预警；
信号调理设备的输入端分别与高频响动态压力传感器、动态应变仪电性连接；信号调理设备具有多通道输入与输出端，用于对信号进行放大、滤波以及A/D模数转换；信号调理设备的输出端连接DSP模块的输入端；
DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)模块的输出端通过信号传输线连接控制器，控制器连接气流喷射装置；DSP模块计算给定时间段内数据点的平均值、方差以及进行FFT(快速傅立叶变换)分析；
DSP模块用于从调理后的信号中发现异常特征，以对压缩机当前的运行状态做出判断，并通过控制器发出作动信号给气流喷射装置的作动机构，从而实现对流动的调控；
气流喷射装置包括两组喷嘴，第一组喷嘴设置于叶轮进口，第二组喷嘴设置于有叶扩压器的进口，每组喷嘴的数目至少为八个，喷嘴的出口截面与叶轮轮盖平齐；喷嘴所喷射的气体流向与压缩机叶轮的旋转方向相反；
在有外部气源的情况下，每个喷嘴分别连接一气体喷射控制阀；多个气体喷射控制阀均设置于一环形气体缓冲管道上，环形气体缓冲管道的入口通过气体输送阀连接外部气源，所述喷嘴由外部气源实现供气；所述气体喷射控制阀通过伺服电机进行控制；
在无外部气源的情况下，叶轮喉部设置有第一组引气管，有叶扩压器的喉部设置有第二组引气管；第一组喷嘴与第一组引气管相互连接，第一组喷嘴与第一组引气管之间设置有气体喷射控制阀，该气体喷射控制阀通过伺服电机进行控制；第二组喷嘴与第二组引气管相互连接，第二组喷嘴与第二组引气管之间设置有气体喷射控制阀，该气体喷射控制阀通过伺服电机进行控制；两组喷嘴分别由压缩机流道内部位于喷嘴下游(即叶轮喉部和扩压器喉部)的高压气体实现供气。
控制器通过信号传输线连接气流喷射装置的伺服电机；
气流喷射装置用于向离心压缩机的流动通道内部喷射一定量的高压气体，从而改变叶轮进口或扩压器进口的流场结构，达到推迟喘振所对应的临界流量；
根据喷嘴的出口流速，确定喷嘴的出口截面尺寸；使喷嘴的出口流速达到当地音速，从而可以在小流量情况下达到堵塞，以改变喷嘴出口的气体压力；
本发明在离心压缩机的流动通道内部逆着气流旋转方向喷射气体，能够降低叶轮进口的叶片攻角，改善叶顶区域的流动；减小进入有叶扩压器内气体的气流角以及扩压器叶片的攻角，降低叶轮出口至扩压器进口扩压比，消除无叶空间内存在的周向旋转的失速模态，从而能够改善扩压器喉部的流动状态；
如图4所示，高频响动态压力传感器及动态应变仪从叶轮进口以及无叶空间实时采集信号，并将信号传送至信号调理设备；信号调理设备对信号进行放大、滤波以及A/D模数转换，并将信号传送至DSP模块；DSP模块对信号进行处理，将该信号与预先设定的喘振报警值相比较，若不符合预先设定的要求，则不发出控制信号，继续进行动态信号采集；若符合预先设定的要求，则根据设定的阈值，向控制器发出控制信号；控制器接到该控制信号后，向气流喷射装置的作动机构发出作动信号，并根据报警情况确定调控区域，决定待调控区域的气体喷射控制阀的动作顺序和阀门开度，从而实现扩稳。
如图1、图2所示为本发明设置有拓宽离心压缩机稳定运行区域的装置的离心压缩机的示意图，包括叶轮、径向通道型有叶扩压器、轴向通道，气体从叶轮进口1流入，经过叶轮的做功，通过叶轮出口2，进入有叶扩压器7的进口3，经过有叶扩压器的扩压，通过有叶扩压器的出口4进入轴向通道，最后经轴向通道的出口5进入后续部件；
多个动态压力传感器8A周向均布在叶轮出口2与有叶扩压器之间的无叶空间内的轮盘侧；
动态应变仪8B固定设置于叶轮进口1附近的轮盖上；
由于科里奥氏力和通道曲率的影响，叶轮出口的低能流体(尾迹)一般聚集在轮盖侧靠近吸力面的位置，本发明将用于测量气体喷射的动态应变仪8B的位置选择在轮盖侧，而动态压力传感器8A则布置在轮盘侧，传感器数目至少为8个，从而可以捕捉空间的四阶谐波。
第一组喷嘴9B设置于叶轮进口1处，第二组喷嘴9A设置于有叶扩压器7的进口3处；
叶轮喉部是指两个相邻叶轮的最小间距O1处，叶轮喉部设置有第一组引气管10B，第一组引气管10B设置于叶轮喉部的周向中间位置；
有叶扩压器的喉部是指扩压器的两个相邻叶片的最小间距O2处，有叶扩压器的喉部设置有第二组引气管10A，第二组引气管10A设置于有叶扩压器喉部的周向中间位置；
第一组引气管10B的数目与第一组喷嘴9A的数目相同，第二组引气管10A的数目与第二组喷嘴9B的数目相同，即引气管与相应位置的喷嘴一一对应。
如图3所示，喷嘴的内部流道为轴向，喷嘴的出口流道则过渡到径向，使得喷嘴的出口截面与叶轮轮盖平齐；内部流道的直径大于出口流道的直径，形成渐缩形流道；
本发明使喷嘴的出口截面与叶轮轮盖平齐，能够充分利用气体附壁效应(即Coanda效应)，既改善边界层低速流体的流动，又不会由于喷嘴的存在而在气体喷射阀不动作时影响压缩机内部的流场，从而改变稳定工作状态下的压缩机性能。
当离心压缩机级数改变时候，相应增加或减少传感器数目、喷嘴的数目和位置即可。
本发明可用于燃气轮机以及工业过程中的压缩机。
Claims (10)
1.一种拓宽离心压缩机稳定运行区域的装置，其特征在于：包括多个高频响的动态压力传感器、一高频响的动态应变仪、一信号调理设备、一信号处理DSP模块以及气流喷射装置；
所述多个动态压力传感器周向均布在无叶空间内；所述多个动态压力传感器周向均布在叶轮出口与有叶扩压器之间的无叶空间内的轮盘侧；
所述动态应变仪固定设置于叶轮进口附近的轮盖上，采集压缩机运行时的动态信号；
所述信号调理设备的输入端分别与高频响动态压力传感器、动态应变仪电性连接；信号调理设备的输出端连接所述DSP模块的输入端，DSP模块计算给定时间段内数据点的平均值、方差以及进行FFT分析；
DSP模块的输出端通过信号传输线连接控制器，控制器连接气流喷射装置；
所述气流喷射装置包括两组喷嘴，第一组喷嘴设置于叶轮进口，第二组喷嘴设置于有叶扩压器的进口，每组喷嘴的数目至少为八个；所述喷嘴的出口截面与叶轮轮盖平齐；喷嘴所喷射的气体流向与压缩机叶轮的旋转方向相反；
通过采集位于叶轮进口的动态应变仪和位于无叶空间的动态压力传感器的信号，控制位于叶轮进口的第一组喷嘴和位于有叶扩压器进口的第二组喷嘴。
2.根据权利要求1所述的拓宽离心压缩机稳定运行区域的装置，其特征在于：在无外部气源可用时，所述叶轮喉部设置有第一组引气管，第一组引气管设置于叶轮喉部的周向中间位置；所述有叶扩压器的喉部设置有第二组引气管，第二组引气管设置于有叶扩压器喉部的周向中间位置，每组引气管的数目与对应位置的喷嘴数目相同。
3.根据权利要求2所述的拓宽离心压缩机稳定运行区域的装置，其特征在于：所述第一组喷嘴与第一组引气管相互连接，所述第一组喷嘴与第一组引气管之间设置有气体喷射控制阀；所述第二组喷嘴与第二组引气管相互连接，所述第二组喷嘴与第二组引气管之间设置有气体喷射控制阀；所述气体喷射控制阀分别通过伺服电机进行控制。
4.根据权利要求1所述的拓宽离心压缩机稳定运行区域的装置，其特征在于：在有外部气源可用时，所述每个喷嘴分别连接一气体喷射控制阀；多个气体喷射控制阀均设置于一环形气体缓冲管道上，环形气体缓冲管道的入口通过气体输送阀连接外部气源，所述喷嘴由外部气源实现供气；所述气体喷射控制阀通过伺服电机进行控制。
5.根据权利要求1或2或3所述的拓宽离心压缩机稳定运行区域的装置，其特征在于：所述喷嘴的内部流道为轴向，喷嘴的出口流道由轴向过渡到径向，使得喷嘴的出口截面与叶轮轮盖平齐；内部流道的直径大于出口流道的直径，形成渐缩形流道。
6.根据权利要求5所述的拓宽离心压缩机稳定运行区域的装置，其特征在于：所述喷嘴的出口截面尺寸根据喷嘴的出口流速而定。
7.一种拓宽离心压缩机稳定运行区域的方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步，将多个动态压力传感器周向均布在无叶空间内；将一动态应变仪固定设置于叶轮进口附近的轮盖上；将动态压力传感器、动态应变仪与信号调理设备的输入端连接，信号调理设备的输出端连接DSP模块的输入端；DSP模块的输出端通过信号传输线连接控制器，控制器连接气流喷射装置；将气流喷射装置的喷嘴分别设置于叶轮进口和有叶扩压器的进口；
第二步，开启压缩机，动态压力传感器、动态应变仪从叶轮进口以及无叶空间实时采集信号，并将信号传送至信号调理设备；
第三步，信号调理设备对信号进行放大、滤波以及A/D模数转换，并将信号传送至DSP模块；
第四步，DSP模块对信号进行处理，将该信号与预先设定的喘振报警值相比较，若不符合预先设定的要求，则不发出控制信号，继续进行动态信号采集；若符合预先设定的要求，则根据设定的阈值，向控制器发出控制信号；
第五步，控制器接到该控制信号后，向气流喷射装置发出作动信号，并根据报警情况确定调控区域，决定待调控区域的喷嘴的动作顺序和喷嘴的阀门开度，并且使喷嘴所喷射的气体流向与压缩机叶轮的旋转方向相反，从而实现扩稳。
8.一种设置有权利要求1所述的拓宽离心压缩机稳定运行区域的装置的离心压缩机，其特征在于：包括叶轮、径向通道型有叶扩压器、轴向通道，叶轮、有叶扩压器、轴向通道形成气流通道；
多个动态压力传感器周向均布在无叶空间内的轮盘侧；
动态应变仪固定设置于叶轮进口附近的轮盖上；
多个动态压力传感器、动态应变仪分别与信号调理设备的输入端电性连接，信号调理设备的输出端连接DSP模块的输入端，DSP模块的输出端通过信号传输线连接控制器，控制器连接气流喷射装置；
所述气流喷射装置包括两组喷嘴，一组喷嘴设置于叶轮进口，另一组喷嘴设置于有叶扩压器的进口，每组喷嘴的数目至少为八个；所述喷嘴的出口截面与叶轮轮盖平齐；喷嘴所喷射的气体流向与压缩机叶轮的旋转方向相反。
9.根据权利要求8所述的设置有拓宽离心压缩机稳定运行区域的装置的离心压缩机，其特征在于：所述喷嘴的内部流道为轴向，喷嘴的出口流道由轴向过渡到径向，使得喷嘴的出口截面与叶轮轮盖平齐；内部流道的直径大于出口流道的直径，形成渐缩形流道。
10.根据权利要求8所述的设置有拓宽离心压缩机稳定运行区域的装置的离心压缩机，其特征在于：在无外部气源可用时，所述叶轮喉部设置有第一组引气管，第一组引气管设置于叶轮喉部的周向中间位置；所述有叶扩压器的喉部设置有第二组引气管，第二组引气管设置于有叶扩压器喉部的周向中间位置，每组引气管的数目与对应位置的喷嘴数目相同；在有外部气源可用时，所述每个喷嘴分别连接一气体喷射控制阀；多个气体喷射控制阀均设置于一环形气体缓冲管道上，环形气体缓冲管道的入口通过气体输送阀连接外部气源，所述喷嘴由外部气源实现供气；所述气体喷射控制阀通过伺服电机进行控制。
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