CN110886710B - 离心压气机动态扩稳方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种离心压气机动态扩稳方法，包括步骤：离心压气机流量需求变化时，实时测量离心压气机的进口管道内的当前流量以及与离心压气机相连并驱动离心压气机叶轮转动的电机的当前转速；根据当前流量和当前转速，判断离心压气机的当前工作点在离心压气机性能曲线上所处的位置；若该位置临近或处于离心压气机性能曲线上的控制始点，则通过电机控制器控制电机以当前转速为均值转速的动态转速运行，将压气机由稳态工作状态转换为动态工作状态。该方法能扩大离心压气机稳定工作流量范围，并且能在低压比到高压比的全部工作区域实现扩稳，在实现扩稳效果的同时能够提高小流量区域的压比，提高系统的性能。

Description

离心压气机动态扩稳方法
技术领域
本发明涉及叶轮机械技术领域，尤其涉及一种离心压气机动态扩稳方法。
背景技术
离心压气机具有体积小、重量轻、效率高、噪声小、运行平稳等优势，广泛应用于汽车、航空和舰船动力系统及工业气体压缩及输送系统等领域。离心压气机的工作流量范围受到喘振线和堵塞线的限制。在小流量工况下，离心压气机内部出现大尺度的流动分离，发生流动不稳定现象，导致压气机叶片失速进而引发喘振。通过离心压气机流动控制，抑制小流量工况叶片失速，是拓宽离心压气机稳定工作流量范围的主要途径。
目前离心压气机扩稳主要基于稳态被动流动控制方法，其中自循环机匣处理是主要方法之一。自循环机匣处理是通过在蜗壳上布置周向均匀的旁通流道将压气机进口与叶轮流道前部连通，利用小流量工况下叶轮前缘处产生的失速团的压力高于压气机进口压力而将失速团顺着机匣通道引回压气机进口，从而减弱失速团对叶轮前缘附近流道的堵塞作用实现稳定工作范围的拓宽。中国专利CN101761511A针对离心压气机蜗壳的轴向非对称性造成叶轮出口流场的周向畸变，从而导致不同叶片流道内流动情况的周向不均匀性，提出了非轴对称自循环机匣处理的方案，以实现更好的扩稳效果。自循环机匣处理方法对离心压气机的高转速高压比工作区域具有较好的扩稳效果，对低压比工作区域的扩稳效果不明显，难以在全压比工况范围实现扩稳。
发明内容
鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于动态转速的离心压气机动态扩稳方法，其能扩大离心压气机稳定工作流量范围，且能在低压比到高压比的全部工作区域实现扩稳。
为了实现上述目的，本发明提供了一种离心压气机动态扩稳方法，包括步骤：离心压气机流量需求变化时，实时测量离心压气机的进口管道内的当前流量以及与离心压气机相连并驱动离心压气机叶轮转动的电机的当前转速；根据当前流量和当前转速，判断离心压气机的当前工作点在离心压气机性能曲线上所处的位置；若该位置临近或处于离心压气机性能曲线上的控制始点，则通过电机控制器控制电机以当前转速为均值转速的动态转速运行，将压气机由稳态工作状态转换为动态工作状态。
在一实施例中，将质量流量传感器放置在离心压气机的进口管道中测得当前流量，从电机控制器中获取电机的当前转速。
在一实施例中，离心压气机性能曲线中明确各速度对应的控制始点。
在一实施例中，控制始点为压气机在稳态转速工作下的失速临界点，由稳态实验测得。
在一实施例中，动态转速为周期性变化的转速。
在一实施例中，周期性变化转速的幅值与当前转速的比值为1.03-1.05。
在一实施例中，周期性变化转速的波动频率为20-100Hz。
在一实施例中，动态工作情况下若仍无法降低到满足压气机的小流量需求，则通过电机控制器控制电机降低均值转速。
在一实施例中，离心压气机工作点在离心压气机性能曲线上所处的位置的判断过程由数据采集和控制系统完成。
本发明的有益效果如下：采用基于动态转速的扩稳方法，将离心压气机由稳定工作状态转变为动态工作状态，扩大离心压气机稳定工作流量范围，该方法能在低压比到高压比的全部工作区域实现扩稳，并且在实现扩稳效果的同时能够提高小流量区域的压比，提高系统的性能。
附图说明
图1是根据本发明的离心压气机性能曲线的示意图；
图2是根据本发明的电机转速变化形式的示意图；
图3是根据本发明的离心压气机动态扩稳方法的流程图；
图4是根据本发明的对离心压气机动态扩稳效果的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的离心压气机动态扩稳方法，主要适用于采用电机驱动的离心压气机。电机通过其主轴与离心压气机相连，驱动离心压气机的叶轮以一定的转速转动，电机控制器对电机的转速和转矩进行控制，从而实现对离心压气机的控制。质量流量传感器放置在离心压气机的进口管道中，用于测量当前流经离心压气机的空气质量流量。数据采集和控制系统将实测的转速和压气机的空气质量流量进行在线处理，得到压气机的实时运行工况。
离心压气机的Map图存储在数据采集和控制系统中，由稳态实验测得的离心压气机稳态性能曲线存储于离心压气机Map图中。如图1为离心压气机的性能曲线，其中，横坐标为质量流量，纵坐标为压比，参变量为转速，图1给出了转速分别为40％、60％、80％以及100％设计转速时的性能曲线，并标记了压气机的喘振线以及各转速下喘振发生前的控制始点1、2、3、4，供是否对压气机进行主动扩稳提供判断阈值，压气机不能在流量低于喘振线对应的流量时工作，控制始点为实验测得的压气机在稳态转速工作状态下的失速临界点。图1可以看出，转速越大，其控制始点对应的流量越大。在压气机以某一转速稳态运行的状态下，当压气机的流量需求临近或低于控制始点流量时，如果不采取措施，则会发生压气机失速，危及压气机的稳定运行，因此扩大离心压气机稳定工作流量范围显得尤为重要。
图2示出了扩大离心压气机稳定工作流量范围的方法，即离心压气机动态扩稳方法，包括步骤：离心压气机流量需求变化时，实时测量离心压气机的进口管道内的当前流量以及与离心压气机相连并驱动离心压气机叶轮转动的电机的当前转速；根据当前流量和当前转速，由数据采集和控制系统判断离心压气机的当前工作点在离心压气机性能曲线上所处的位置；若该位置临近或处于离心压气机性能曲线上的控制始点，则通过电机控制器控制电机以当前转速为均值转速的动态转速运行，将压气机由稳态工作状态转换为动态工作状态，若该位置未接近或处于控制始点，则继续以当前转速稳定运行。其中，动态转速为周期性变化的转速。周期性变化转速的幅值与当前转速的比值为1.03-1.05,低于1.03时，扩稳效果不明显，高于1.05时，电机难以实现而且在某些情况下会诱发喘振。周期性变化转速的波动频率为20-100Hz。周期性变化转速的波动频率不得低于20Hz，因为喘振频率通常在20Hz以下；周期性变化转速的波动频率不得高于100Hz，因为转速变化频率太高，目前电机无法实现，另外转速变化太快，扩稳效果会下降。动态转速可以为以当前转速为均值的正弦波形式的转速，如图3所示，动态转速的均值为当前转速，动态转速的幅值为当前转速的1.05倍。动态转速运行过程中，离心压气机的流量也会和转速一样以一定的幅值和频率变化，且流量变化频率理论上与转速变化频率相同。但是，动态转速运行过程中流量的时均值小于转速变化之前的稳定流量值，因此，实现小流量工况下扩稳的效果。基于该动态转速的扩稳方法在离心压气机从低压比到高压比的全部工作区域均具有扩稳效果。
如果动态转速运行过程中的时均流量能够降低到满足压气机的流量需求，则以当前动态转速运行，当然，如果动态转速运行过程中的时均流量仍然大于压气机的流量需求，则需要降低当前电机的均值转速同时保证至少5％的喘振裕度，确保压气机的稳定运行，扩大稳定工作流量范围。
例如，离心压气机的流量需求变小时，采用本发明的离心压气机扩稳方法，根据实测的离心压气机的进口管道内的当前流量和当前转速，判断当前工作点位于图1离心压气机性能曲线上的A点，图1可以看出，A点临近60％设计转速的控制始点2。如果流量继续减小至控制始点2对应的流量，压气机将会发生稳态失速现象。此时，通过电机控制器控制电机以当前60％设计转速为均值的正弦波形式的动态转速运行，将压气机由稳态工作状态转换为动态工作状态，从而扩大稳定运行的流量范围。由如图4的扩稳效果所示，其中60％设计转速下对应的压比为高压比，40％设计转速下对应压比为低压比，扩稳后的喘振线向左上方偏移，60％设计转速下的喘振点由B点移动到了B’，B’对应的流量为b’明显小于B对应的流量为b，，40％设计转速下的喘振点由D点移动到了D’点，D’对应的流量d’明显小于D对应的流量d，可见基于该动态转速的扩稳方法扩大了压气机在小流量工况下稳定工作的范围，而且在低压比到高压比的区域均具有扩稳效果，，同时还提高了小流量区域的压比，有利于提高系统的性能，比如系统的功率密度等。
假设以当前转速为均值的动态工作状态下，仍然无法降低到满足压气机的小流量需求，例如，压气机需求的质量流量为c，其中c小于扩稳后喘振点B’对应的流量b’，在60％设计转速下即使以上述动态转速运行也无法满足压气机需求的质量流量为c，则降低转速，比如降低到40％设计转速使其稳定运行，从而进一步扩大压气机稳定工作的流量范围。

Claims (8)

1.一种离心压气机动态扩稳方法，其特征在于，包括步骤：
离心压气机流量需求变化时，实时测量离心压气机的进口管道内的当前流量以及与离心压气机相连并驱动离心压气机叶轮转动的电机的当前转速；
根据当前流量和当前转速，判断离心压气机的当前工作点在离心压气机性能曲线上所处的位置；
若该位置临近或处于离心压气机性能曲线上的控制始点，则通过电机控制器控制电机以当前转速为均值转速的动态转速运行，将压气机由稳态工作状态转换为动态工作状态；
动态转速为周期性变化的转速。
2.根据权利要求1所述的离心压气机动态扩稳方法，其特征在于，将质量流量传感器放置在离心压气机的进口管道中测得当前流量，从电机控制器中获取电机的当前转速。
3.根据权利要求1所述的离心压气机动态扩稳方法，其特征在于，离心压气机性能曲线中明确各速度对应的控制始点。
4.根据权利要求3所述的离心压气机动态扩稳方法，其特征在于，控制始点为压气机在稳态转速工作下的失速临界点，由稳态实验测得。
5.根据权利要求1所述的离心压气机动态扩稳方法，其特征在于，周期性变化转速的幅值与当前转速的比值为1.03-1.05。
6.根据权利要求1所述的离心压气机动态扩稳方法，其特征在于，周期性变化转速的波动频率为20-100Hz。
7.根据权利要求1所述的离心压气机动态扩稳方法，其特征在于，动态工作情况下若仍无法降低到满足压气机的小流量需求，则通过电机控制器控制电机降低均值转速。
8.根据权利要求1所述的离心压气机动态扩稳方法，其特征在于，离心压气机工作点在离心压气机性能曲线上所处的位置的判断过程由数据采集和控制系统完成。
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