CN111379727A - 一种闭式循环离心压气机特性试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闭式循环离心压气机特性试验方法，过程为：向闭式循环回路中注入惰性混合气体，通过空气气源所供空气推动向心涡轮，由向心涡轮带动与其同轴的压气机试验器转动；按照设定工况，调整向心涡轮的转速，使开式循环回路进入转速闭环控制状态；当压气机试验器进出口气流参数稳定后，测量其进出口热力学参数；通过调整开式循环回路中向心涡轮的转速，同步将压气机试验器调整至其他待测转速，依次完成全部特性线数据点的测量、录取工作。本发明能够实现压气机试验器折合流量和折合转速的匹配变化，满足离心压气机性能试验的变工况需求，大幅降低了离心压气机部件性能试验的调节控制难度。

Description

一种闭式循环离心压气机特性试验方法

技术领域

本发明属于压气机技术领域，涉及一种以惰性混合气体为工质的闭式循环离心压气机特性试验方法。

背景技术

目前，包括氦气、超临界CO₂等工质在内的许多气体已经作为空气或燃气的替代工质用于闭式和半闭式布雷顿循环。相似理论表明，对于理想气体，叶轮机的气动特性是折合速度参数、折合流量参数、雷诺数和绝热指数的无量纲函数。显然，当叶轮机使用替代工质时，工质的绝热指数随之改变，传统的叶轮机模化准则将不再适用，那么无法通过空气工质叶轮机特性的试验数据模化得到替代工质压气机特性。为获得以惰性气体作为闭式循环工质的离心压气机气动特性，必须对其展开性能试验研究。因此，建立一种用于闭式循环离心压气机特性测量的试验装置，显得尤为重要。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：提供一种闭式循环离心压气机特性试验方法，解决以惰性混合气体为工质的离心压气机性能试验问题，其中压气机试验器的进口总压、总温为恒定值，增压后的惰性混合气体经过减压阀和换热器的调整，再次满足压气机试验器的进气条件，从而在管路内形成闭式循环回路，避免造成价格昂贵的惰性混合气体的浪费，降低性能试验成本。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种闭式循环离心压气机特性试验方法，所述试验方法基于闭式循环离心压气机特性试验系统进行，所述试验系统包括：由惰性混合气体储气罐、进气压力调节器、稳压箱、流量计、进排气温度和压力探针、压气机试验器、高温排气阀、节流阀、减压阀、冷却水及进排水装置、换热器、气体成分分析仪和真空泵依次连接组成并以惰性混合气体作为工质的闭式循环回路，以及由空气气源、流量调节阀连接后并分为两路分别经流量微调阀、加热器连接向心涡轮组成的开式循环回路，以空气作为工质；所述试验方法包括以下步骤：

S1：排清闭式循环回路中的空气，并向闭式循环回路中注入惰性混合气体；

S2：开启开式循环回路，通过空气气源所供空气推动向心涡轮，由向心涡轮带动与其同轴的压气机试验器转动；

S3：调整空气气源所供空气的流量和温度，提升压气机试验器的转速；

S4：按照试验的设定工况，调整向心涡轮的转速，使开式循环回路进入转速闭环控制状态，实现压气机试验器物理转速与向心涡轮进口流量的闭环控制；

S5：调节减压阀开度，改变压气机试验器出口总压；调节换热器功率，保证压气机试验器的进口总温不变，使压气机试验器的工作点在该转速对应的特性线上移动；当压气机试验器进出口气流参数稳定后，测量其进出口热力学参数，每条特性线录取的数据点不少于6个；

S6：重复步骤S4和S5，通过调整开式循环回路中向心涡轮的转速，同步将压气机试验器调整至其他待测转速，依次完成全部特性线数据点的测量、录取工作。

其中，所述步骤S1中，通过关闭开式循环回路的流量调节阀和流量微调阀，打开闭式循环回路的节流阀和减压阀，开启真空泵将闭式循环回路中的空气排净。

其中，所述步骤S1中，通过惰性储气罐向闭式循环回路注入惰性混合气体，直至稳压箱内的压力达到0.1Mpa。

其中，所述步骤S2中，开启闭式循环回路的换热器，开启开式循环回路的加热器至最小功率，逐渐打开开式循环回路的流量调节阀，通过气源所供空气推动向心涡轮。

其中，所述步骤S2中，通过向心涡轮将与其同轴的压气机试验器转速提至20％～30％设计值。

其中，所述步骤S3中，逐步提高开式循环回路加热器的功率，同步调节开式循环回路的流量调节阀，保证向心涡轮进口温度不超过规定值，且压气机试验器的转速不超过50％设计值。

其中，所述步骤S4中，开式循环回路进入转速闭环控制状态以及压气机试验器物理转速与向心涡轮进口流量进行闭环控制时，按照试验设定工况对应的离心压气机增压比，调节减压阀开度，使其前后压差至92％～97％设计压比；调节节流阀开度，保证离心压气机的进口总压稳定在设定工况；调节换热器功率，将压气机试验器的进口总温稳定在设定工况。

其中，所述步骤S5中，当压气机发生喘振时，打开高温排气阀并加大减压阀开度，进行退喘。

其中，所述步骤S6中，试验装置运行期间，根据闭式循环回路中的压力变化情况，向其中注入惰性混合气体或从中排出惰性混合气体，保证不同转速下的压气机试验器工作在设定工况点时，闭式循环回路中稳压箱内压力稳定在0.1MPa。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的闭式循环离心压气机特性试验方法，具有以下优点：

1、针对惰性混合气体价格昂贵、部件性能试验成本难以承受等问题，通过节流阀、减压阀、换热器和向心涡轮等设备建立闭式循环回路，实现惰性混合气体的循环利用，具有节约能源、降低性能试验成本等显著优点，易于大规模推广与利用。

2、采用向心涡轮作为压气机试验器的动力装置，无需购置专门的动力设备，且简单易行，不仅降低了试验装置的成本，还降低了整个试验系统的调节控制难度。

3、通过调节流量调节阀和流量微调阀的开度可控制向心涡轮转速，使开式循环回路进入转速闭环控制状态，实现压气机试验器物理转速与向心涡轮进口流量的闭环控制，降低了试验装置控制系统的复杂程度。

4、当压气机试验器在不同折合转速之间转换时，保证压气机试验器的进口总温、总压不变，仅通过高温排气阀与惰性混合气体储气罐阀门的开关来增加或减小闭式循环回路中惰性混合气体的物理流量，就能够实现压气机试验器折合流量和折合转速的匹配变化，满足离心压气机性能试验的变工况需求，大幅降低了离心压气机部件性能试验的调节控制难度。

附图说明

图1是闭式循环离心压气机特性试验装置的原理示意图。

图2是离心压气机性能试验调节示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

参照图1所示，本实施例闭式循环离心压气机特性试验装置包括：与压气机试验器连接形成的闭式循环回路，以及连接压气机试验器的开式循环回路；其中，所述闭式循环回路包括惰性混合气体储气罐、稳压箱、流量计、减压阀、换热器、气体成分分析仪；惰性混合气体储气罐，其提供惰性混合气体工质，惰性混合气体工质依次通过稳压箱、流量计后通入压气机试验器进气口；所述压气机试验器排气口排出试验后气体，试验后气体依次通过减压阀、换热器、气体成分分析仪后通入所述稳压箱；所述开式循环回路包括空气气源、流量调节阀、流量微调阀、加热器和向心涡轮，空气气源经流量调节阀调节流量后，一部分通过加热器加热后通入向心涡轮，另一部分通过流量微调阀调节后，推动向心涡轮做功，带动与其同轴的压气机试验器工作，实现闭式循环回路运行。

开式循环回路中，低压气源所供空气推动向心涡轮做功，带动与其同轴的离心压气机试验器工作，并进一步实现闭式循环回路的运行。加热器对低压气源所供空气进行加热，避免膨胀后的气流在向心涡轮出口结冰。流量微调阀用于精确调节该回路的空气流量，使开式循环回路进入转速闭环控制状态，实现压气机试验器物理转速与向心涡轮进口流量的闭环控制。向心涡轮采用脂润滑轴承，避免开式循环回路中的空气通过轴承向闭式循环回路泄漏，破坏该回路中惰性混合气体的浓度与成分。

闭式循环回路中，稳压箱用于削弱管路中的气流压力脉动，起到稳定压力的作用，保证压气机试验器进口气流流场的稳定性和均匀性。

惰性混合气体储气罐的出口与稳压箱之间还设置有进气压力调节器，调整进入稳压箱的惰性混合气体。

流量计用于计量通入压气机试验器的惰性混合气体流量。

流量计和压气机试验器进气口之间设置有进气温度和压力探针，用于探测进入压气机试验器的惰性混合气体温度和压力。

压气机试验器与减压阀之间的连接管路上依次设置有排气温度和压力探针、高温排气阀和节流阀。排气温度和压力探针用于探测压气机试验器排出的惰性混合气体温度和压力。高温排气阀用于调整管路中惰性混合气体的物理流量，当需要减小回路中惰性混合气体的物理流量时，可直接通过高温排气阀将其排入大气环境。从节约能源的角度来讲，以上操作虽然浪费了惰性混合气体，但大幅简化了试验装置的复杂程度，也降低了试验装置的建造成本，易于大规模推广与应用。节流阀用于调节压气机试验器的出口总压，实现对压气机试验器进出口压比的控制，满足试验性能的需求。

本实施例中，在惰性混合气体的物理流量保持不变的条件下，闭式循环回路中的减压阀用于实现较大范围的压力调节，保证压气机试验器在同一折合转速下工作时，仅通过调节压气机试验器出口总压就能够实现折合流量的变化。此外，当压气机试验器发生喘振时，应立即加大减压阀开度进行退喘操作，如果压气机试验器仍无法退喘，应直接打开高温排气阀。

本实施例中的换热器对压气机试验器进口总温进行高精度控制，保证各工况下的进口总温精度达到±2K。换热器上设置有冷却水进排系统。

在试验装置运行期间，通过闭式循环回路中的气体成分分析仪采集惰性混合气体，并对其开展色谱分析，保证闭式循环回路中工质成分与浓度满足离心压气机性能试验需求。

气体成分分析仪和稳压箱之间还设置有真空泵，主要用于离心压气机性能试验的前期准备阶段，将闭式循环回路中的空气完全排出，保证管路中惰性混合气体的成分与浓度满足离心压气机性能试验的需求。

在本发明中，压气机试验器在不同折合转速之间转换时，保证压气机试验器的进口总温、总压不变，仅通过增加或减小闭式循环回路中惰性混合气体的物理流量，就能够实现折合流量和折合转速的匹配变化。上述措施仅通过调节压气机试验器出口总压和惰性混合气体的物理流量，就能够实现压气机试验器折合流量和折合转速的匹配变化，满足离心压气机性能试验的变工况需求，大幅度降低了离心压气机部件性能试验的调节控制难度。

由于存在惰性混合气体从轴承或管路连接处泄漏的可能性，在试验装置运行期间，通过惰性混合气体储气罐将工质持续注入闭式循环回路，并通过稳压箱和节流阀等设备将管路中的压力稳定在一定水平，从而在试验段形成工况稳定的工质。

基于上述试验装置，本实施例进行闭式循环离心压气机特性试验方法的过程如下：

(1)关闭开式循环回路的流量调节阀和流量微调阀，打开闭式循环回路的节流阀和减压阀，开启真空泵将闭式循环回路中的空气排净。通过惰性储气罐向闭式循环回路注入惰性混合气体，直至稳压箱内的压力达到0.1MPa；

(2)开启闭式循环回路的换热器，开启开式循环回路的加热器至最小功率，逐渐打开开式循环回路的流量调节阀，通过气源所供空气推动向心涡轮，并将与其同轴的压气机试验器转速提至20％～30％设计值；

(3)逐步提高开式循环回路加热器的功率，同步调节开式循环回路的流量调节阀，保证向心涡轮进口温度不超过规定值，且试验器的转速不超过50％设计值；

(4)通过流量微调阀将向心涡轮的转速提高至图2所示工况1(图中五角星对应的工况点)，使开式循环回路进入转速闭环控制状态，实现压气机试验器物理转速与向心涡轮进口流量的闭环控制。根据工况1对应的离心压气机增压比，调节减压阀开度，使其前后压差至合适值(一般为92％～97％设计压比)；调节节流阀开度，保证离心压气机的进口总压稳定在设定工况；调节换热器功率，将离心压气机的进口总温稳定在设定工况，从而使离心压气机工作在图2所示的工况1附近；

(5)调节减压阀开度，改变压气机试验器出口总压；同时调节换热器功率，保证压气机试验器的进口总温不变，使得离心压气机的工作点仅在该转速对应的特性线上移动。当压气机试验器进出口气流参数稳定以后，测量其进出口热力学参数，并保证每条特性线录取的数据点不少于6个。需要注意的是，当压气机发生喘振时，应立即打开高温排气阀并加大减压阀开度，进行退喘；

(6)重复前述第4、5步操作，通过调整开式循环回路中向心涡轮的转速，同步将压气机试验器调整至其他待测转速，依次完成全部特性线数据点的测量、录取工作。此外，根据闭式循环回路中的压力变化情况，向其中注入惰性混合气体，或从中排出惰性混合气体，保证不同转速下的离心压气机工作在图2所示的设计工况点时，闭式循环回路中稳压箱内压力在0.1MPa附近。

由上述技术方案可以看出，本发明方案中，压气机试验器排出的惰性混合气体经过减压阀和换热器的调节以后，压力降低、温度提高，经过稳压箱的再次微调后，满足压气机试验器的进气条件，可重新用于离心压气机性能试验，从而建立闭式循环回路，并实现工质的循环利用。开式循环回路中的向心涡轮作为压气机试验器的动力装置，气源所供空气推动涡轮做功，并带动压气机试验器工作。通过流量调节阀和流量微调阀可调整向心涡轮转速，使开式循环回路进入转速闭环控制状态，实现压气机试验器物理转速与向心涡轮进口流量的闭环控制，满足离心压气机性能试验的变工况需求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种闭式循环离心压气机特性试验方法，其特征在于，所述试验方法基于闭式循环离心压气机特性试验系统进行，所述试验系统包括：由惰性混合气体储气罐、进气压力调节器、稳压箱、流量计、进排气温度和压力探针、压气机试验器、高温排气阀、节流阀、减压阀、冷却水及进排水装置、换热器、气体成分分析仪和真空泵依次连接组成并以惰性混合气体作为工质的闭式循环回路，以及由空气气源、流量调节阀连接后并分为两路分别经流量微调阀、加热器连接向心涡轮组成的开式循环回路，以空气作为工质；所述试验方法包括以下步骤：

S1：排清闭式循环回路中的空气，并向闭式循环回路中注入惰性混合气体；

S2：开启开式循环回路，通过空气气源所供空气推动向心涡轮，由向心涡轮带动与其同轴的压气机试验器转动；

S3：调整空气气源所供空气的流量和温度，提升压气机试验器的转速；

S4：按照试验的设定工况，调整向心涡轮的转速，使开式循环回路进入转速闭环控制状态，实现压气机试验器物理转速与向心涡轮进口流量的闭环控制；

S5：调节减压阀开度，改变压气机试验器出口总压；调节换热器功率，保证压气机试验器的进口总温不变，使压气机试验器的工作点在该转速对应的特性线上移动；当压气机试验器进出口气流参数稳定后，测量其进出口热力学参数，每条特性线录取的数据点不少于6个；

S6：重复步骤S4和S5，通过调整开式循环回路中向心涡轮的转速，同步将压气机试验器调整至其他待测转速，依次完成全部特性线数据点的测量、录取工作。

2.如权利要求1所述的闭式循环离心压气机特性试验方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过关闭开式循环回路的流量调节阀和流量微调阀，打开闭式循环回路的节流阀和减压阀，开启真空泵将闭式循环回路中的空气排净。

3.如权利要求2所述的闭式循环离心压气机特性试验方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过惰性储气罐向闭式循环回路注入惰性混合气体，直至稳压箱内的压力达到0.1Mpa。

4.如权利要求3所述的闭式循环离心压气机特性试验方法，其特征在于，所述步骤S2中，开启闭式循环回路的换热器，开启开式循环回路的加热器至最小功率，逐渐打开开式循环回路的流量调节阀，通过气源所供空气推动向心涡轮。

5.如权利要求4所述的闭式循环离心压气机特性试验方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过向心涡轮将与其同轴的压气机试验器转速提至20％～30％设计值。

6.如权利要求5所述的闭式循环离心压气机特性试验方法，其特征在于，所述步骤S3中，逐步提高开式循环回路加热器的功率，同步调节开式循环回路的流量调节阀，保证向心涡轮进口温度不超过规定值，且压气机试验器的转速不超过50％设计值。

7.如权利要求6所述的闭式循环离心压气机特性试验方法，其特征在于，所述步骤S4中，开式循环回路进入转速闭环控制状态以及压气机试验器物理转速与向心涡轮进口流量进行闭环控制时，按照试验设定工况对应的离心压气机增压比，调节减压阀开度，使其前后压差至92％～97％设计压比；调节节流阀开度，保证离心压气机的进口总压稳定在设定工况；调节换热器功率，将压气机试验器的进口总温稳定在设定工况。

8.如权利要求7所述的闭式循环离心压气机特性试验方法，其特征在于，所述步骤S5中，当压气机发生喘振时，打开高温排气阀并加大减压阀开度，进行退喘。

9.如权利要求8所述的闭式循环离心压气机特性试验方法，其特征在于，所述步骤S6中，试验装置运行期间，根据闭式循环回路中的压力变化情况，向其中注入惰性混合气体或从中排出惰性混合气体，保证不同转速下的压气机试验器工作在设定工况点时，闭式循环回路中稳压箱内压力稳定在0.1MPa。

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