CN111946650A - 一种可调扩压器叶片表面载荷的测试方法和测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种适用于离心压缩机可调扩压器的测试方法和测试装置，通过在扩压器叶片压力面和/或吸力面的前缘、中部和/或尾缘处设置叶片表面测压孔，以及在叶片内部设置与各叶片表面测压孔一一对应连通的第一内部引压通道，并通过在叶片传动轴内设置与各第一内部引压通道一一对应连通的第二内部引压通道，各第二内部引压通道的出气口沿轴向均匀布置在叶片传动轴延长出气部分的轴侧表面上，各第二内部引压通道的出气口形成为与各叶片表面测压孔一一对应的传动轴侧面测压孔，并利用气体管件与多通道压力扫描阀的测压通道连通，即利用自叶片表面到叶片固定/旋转轴侧面的内流压力通道引出叶片表面局部静压力，最终实现叶片表面载荷的测量。

Description

一种可调扩压器叶片表面载荷的测试方法和测试装置

技术领域

本发明属于离心压缩机测试技术领域，涉及一种适用于离心压缩机可调扩压器的测试方法和测试装置，具体涉及一种适用于离心压缩机整机运行环境下动态测量可调扩压器压力面、吸力面表面载荷的测试方法和测试装置，可应用于离心压缩机设计工况和变工况时可调扩压器叶片表面载荷的测试。

背景技术

压缩空气储能技术作为分布式可再生能源应用与未来智能电网、微电网建设领域中的关键技术，为实现大规模新能源“安全可靠、低碳环保、高效经济”的利用提供重要支撑。离心压缩机是压缩空气储能系统的核心部件，承担着将待储蓄电能转换为工质内能及压力势能的任务，其能量转换效率会直接影响到系统整体效率和储能经济性。

而扩压器作为离心压缩机中仅次于离心叶轮的重要部件，其功能主要是将离心叶轮出口的高速气流减速，使动能有效地转化为压力势能。扩压器的基本型式分为无叶扩压器和有叶扩压器(即叶片扩压器)两种，叶片扩压器又可以分为单列叶片扩压器、半高叶片(肋条)扩压器、串列叶片扩压器、分流叶片扩压器、楔形叶片扩压器等多种型式。其中单列叶片扩压器是叶片扩压器中最常用的型式，也是本发明测试装置中可调扩压器的型式，其通过调整来流的气流角度，尽量在合理的范围内提高扩压度。单列叶片扩压器流道较短，设计工况下流动损失较小；但由于叶片的存在，变工况时冲击损失较大；特别当冲角过大时，流道内易发生严重分离，导致失速、喘振现象，稳定运行工况较窄。

由于单列叶片扩压器内部流动是复杂的三维粘性流动，内流损失约占级损失的30％，其气动性能对整机效率、压比和变工况运行等有着重要影响，为了提高其优化设计能力，往往需要大量的试验数据作为分析指导。但目前公开的气动性能试验研究中，大都是简易的静态平面叶栅、环形叶栅的风洞模拟试验，其难以反映离心压缩机真实运行环境下的准确参数；很少有单级或多级的动态试验，关于整机运行环境下的试验研究更是微乎其微，因为动态整机试验研究及其试验台设备费用昂贵，且非稳态的动态测试难度较大，高频数据的有效采集和处理分析较困难。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和不足，本发明提出了一种适用于离心压缩机可调扩压器的测试方法和测试装置，尤其是一种适用于压缩空气储能系统离心压缩机整机运行环境下，动态测量可调扩压器压力面、吸力面表面载荷的测试方法和测试装置，其目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷。该测试装置测得的叶片扩压器压力面、吸力面表面载荷试验数据，可有效体现离心压缩机整机运行环境下的真实参数，更能有效指导扩压器的叶片优化设计；通过传动固定部分实现扩压器角度可调，研究叶片扩压器在调节过程中压力面、吸力面表面载荷的变化规律，分析可调扩压器在变工况运行过程中发挥的作用及其机理；另外通过在周向不同位置同时排布多个可调扩压器，还能分析蜗壳周向不对称性对叶片扩压器压力面、吸力面表面载荷分布的影响。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种适用于离心压缩机整机运行环境下测量可调扩压器表面载荷的装置，包括离心压缩机、可调扩压器和压力测量单元，所述可调扩压器在径向上设置在所述离心压缩机叶轮出口的外围，所述可调扩压器包括一环形安装板、多个扩压器叶片和一叶片安装角调节机构，每一所述扩压器叶片均通过设置在其底部的叶片传动轴可转动地设置在所述环形安装板上，且各所述扩压器叶片沿周向均匀布置，其特征在于，

--每一所述扩压器叶片，均包括一叶片进气部分、一传动连接部分和一延长出气部分，其中，

所述叶片进气部分设置在叶片的压力面和/或吸力面上，包括设置在所述压力面和/或吸力面的前缘、中部和/或尾缘处的多个叶片表面测压孔以及设置在叶片内部的多个第一内部引压通道，各所述第一内部引压通道与各所述叶片表面测压孔一一对应连通，且各所述叶片表面测压孔分别对应形成为各所述第一内部引压通道的进气口；

所述传动连接部分布置在叶片传动轴的临近叶片的部分，用以与所述叶片安装角调节机构传动连接，所述叶片安装角调节机构通过带动所述传动连接部分转动以调节扩压器叶片的安装角度；

所述延长出气部分布置在叶片传动轴的远离叶片的部分，叶片传动轴内设置有多个沿轴向延伸的第二内部引压通道，各所述第二内部引压通道与布置在叶片内部的各所述第一内部引压通道一一对应连通，且各所述第二内部引压通道的出气口沿轴向均匀布置在所述延长出气部分的轴侧表面上，各所述第二内部引压通道的出气口形成为与各所述叶片表面测压孔一一对应的传动轴侧面测压孔；

--所述压力测量单元，至少包括一多通道压力扫描阀，各所述传动轴侧面测压孔分别通过气体管件与所述多通道压力扫描阀的测压通道连通，用以实现所述扩压器叶片的压力面和/或吸力面的表面载荷测量。

优选地，各所述传动轴侧面测压孔以螺旋等距的方式均匀布置在所述延长出气部分的轴侧表面上。

优选地，各所述传动轴侧面测压孔均为通过机加工方式形成在所述延长出气部分的轴侧表面上的内螺纹孔，所述传动轴侧面测压孔以螺纹连接的方式与外部气体管件连接。

所述压力测量单元中，所述气体管件至少包括放大接头、PU管、三通快插接头、快插开关阀、缩小接头、压力扫描阀尼龙接管，所述的放大接头连接了出气口和PU管，具有轴向通孔作为气流通道；所述的缩小接头连接了PU管和压力扫描阀尼龙接管，具有轴向通孔作为气流通道；所述的PU管、三通快插接头、快插开关阀按照示意图3的连接方式依次排开，通过快插开关阀控制每个压力测量单元多个流道的开闭状态，保证每次测量某一待测叶片表面的典型位置测量孔时，仅开放与之对应的某一流道，多个压力测量单元再和有限通道的压力扫描阀测压通道连通，便能实现在测量过程中，通过多次调节每个压力测量单元多个流道的开闭状态，仅使用有限通道的压力扫描阀，测量多个待测叶片表面的典型位置测量孔。

本发明的适用于离心压缩机整机运行环境下测量可调扩压器表面载荷的装置，通过在扩压器叶片压力面和/或吸力面的前缘、中部和/或尾缘处设置叶片表面测压孔，以及在叶片内部设置与各叶片表面测压孔一一对应连通的第一内部引压通道，并通过在叶片传动轴内设置与各第一内部引压通道一一对应连通的第二内部引压通道，各第二内部引压通道的出气口沿轴向均匀布置在叶片传动轴延长出气部分的轴侧表面上，各第二内部引压通道的出气口形成为与各叶片表面测压孔一一对应的传动轴侧面测压孔，并利用气体管件与多通道压力扫描阀的测压通道连通，即利用自扩压器叶片表面到叶片传动轴的内流压力通道引出叶片表面的局部静压力，最终实现扩压器叶片表面载荷的测量。该装置适用于离心压缩机整机运行时动态测量可调扩压器压力面、吸力面的表面载荷，可针对三个问题进行不同层次的研究，具体有：区别于传统的叶片扩压器叶栅风洞试验，其测得的试验数据能反映离心压缩机整机运行环境下的真实参数，更能有效指导扩压器叶片气动外形的优化设计；通过传动连接部分实现扩压器叶片安装角的调节，研究扩压器叶片在调节过程中压力面、吸力面表面载荷的变化规律，分析可调扩压器在变工况运行过程中发挥的作用及其机理；另外通过在周向不同位置同时排布多个可调扩压器叶片，还能分析蜗壳周向不对称性对叶片扩压器压力面、吸力面表面载荷分布的影响。

本发明的另一个发明目的在于提供一种利用本发明的上述测试装置对离心压缩机整机运行环境下可调扩压器表面载荷进行测试的方法，其特征在于，

当需要对扩压器叶片压力面和/或吸力面的气动外形进行优化设计时，启动离心压缩机使其处于整机运行环境，选择周向某一位置的扩压器叶片作为待测叶片，并将其传动轴侧面测压孔通过气体管件与多通道压力扫描阀的测压通道连通，在保持其它扩压器叶片的安装角不变的情况下，利用叶片安装角调节机构将待测叶片逐一调节到不同的安装角上，并分别测试待测叶片处于不同安装角时各叶片表面测压孔的压力分布，继而实现离心压缩机整机运行环境下待测叶片压力面和/或吸力面的表面载荷的真实参数测量。

进一步地，当需要研究扩压器叶片在调节过程中压力面和/或吸力面的表面载荷变化规律时，调节离心压缩机使其处于不同工况，并利用叶片安装角调节机构调节待测叶片的安装角，分析待测叶片在不同工况下压力面和/或吸力面的表面载荷情况，继而分析可调扩压器在变工况运行过程中发挥的作用及其原因。

进一步地，当需要分析离心压缩机蜗壳周向不对称性对扩压器叶片压力面和/或吸力面的表面载荷分布的影响时，调节离心压缩机使其处于整机运行环境，将各扩压器叶片的传动轴侧面测压孔均通过气体管件与多通道压力扫描阀的测压通道连通，同时测量各扩压器叶片压力面和/或吸力面的表面载荷情况。

相对于现有技术，本发明的可调扩压器叶片表面载荷的测试方法和测试装置具有以下优势：通过在扩压器叶片压力面和/或吸力面的前缘、中部和/或尾缘处设置叶片表面测压孔，以及在叶片内部设置与各叶片表面测压孔一一对应连通的第一内部引压通道，并通过在叶片传动轴内设置与各第一内部引压通道一一对应连通的第二内部引压通道，各第二内部引压通道的出气口沿轴向均匀布置在叶片传动轴延长出气部分的轴侧表面上，各第二内部引压通道的出气口形成为与各叶片表面测压孔一一对应的传动轴侧面测压孔，并利用气体管件与多通道压力扫描阀的测压通道连通，即利用自扩压器叶片表面到叶片传动轴的内流压力通道引出叶片表面的局部静压力，最终实现扩压器叶片表面载荷的测量。该装置适用于离心压缩机整机运行时动态测量可调扩压器压力面、吸力面的表面载荷，可针对三个问题进行不同层次的研究，具体有：区别于传统的叶片扩压器叶栅风洞试验，其测得的试验数据能反映离心压缩机整机运行环境下的真实参数，更能有效指导扩压器叶片气动外形的优化设计；通过传动连接部分实现扩压器叶片安装角的调节，研究扩压器叶片在调节过程中压力面、吸力面表面载荷的变化规律，分析可调扩压器在变工况运行过程中发挥的作用及其机理；另外通过在周向不同位置同时排布多个可调扩压器叶片，还能分析蜗壳周向不对称性对叶片扩压器压力面、吸力面表面载荷分布的影响。

附图说明

图1为本发明的适用于离心压缩机整机运行环境下测量可调扩压器表面载荷的装置示意图。

图2为本发明中扩压器叶片结构示意图。

图3为本发明中压力测量单元部分布置示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。

本发明的适用于离心压缩机整机运行环境下测量可调扩压器表面载荷的装置，如图1所示，包括离心压缩机(图中未示出)、被测可调扩压器单元100和压力测量单元200，被测可调扩压器单元100在径向上设置在离心压缩机叶轮出口的外围。本发明的被测可调扩压器单元100，包括一环形安装板、多个扩压器叶片和一叶片安装角调节机构，每一扩压器叶片均通过设置在其底部的叶片传动轴可转动地设置在环形安装板上，且各扩压器叶片沿周向均匀布置。本发明的压力测量单元200，至少包括一多通道压力扫描阀201，各传动轴侧面测压孔131分别通过气体管件与多通道压力扫描阀201的测压通道连通，用以实现扩压器叶片的压力面和/或吸力面的表面载荷测量。其中的气体管件例如可包括放大接头202、PU管207、三通快插接头204、快插开关阀203、缩小接头205、压力扫描阀尼龙接管206等。放大接头202连接了传动轴侧面测压孔131和PU管207，且内流道直径是1mm；PU管207、三通快插接头204、快插开关阀203按照图3的连接方式依次排开；缩小接头205连接了PU管207和压力扫描阀尼龙接管206，且内流道直径是1mm；压力扫描阀尼龙接管206和压力扫描阀201连接好后，接入电源端、控制端和信号采集系统。

本发明的被测可调扩压器单元100中，扩压器叶片的结构如图2所示。每一扩压器叶片，均包括一叶片进气部分110，传动固定部分120，延长出气部分130，扩压器叶片整体工艺制造利用工业级3D打印机通过增材制造技术实现。叶片进气部分110，即在可调扩压器的叶片基础上，按照被测量面是压力面、吸力面的不同，都可分别布置多个典型位置测量孔，即在压力面和/或吸力面的前缘、中部和/或尾缘处设置多个叶片表面测压孔111，每个测量孔的位置由CFD数值分析的结果确定，相应地在叶片内部设置多个第一内部引压通道112并集中到叶片传动轴的轴端面；传动连接部分120，布置在叶片传动轴的临近叶片的部分，用以与叶片安装角调节机构传动连接，叶片安装角调节机构通过带动传动连接部分转动以调节扩压器叶片的安装角度；延长出气部分130布置在叶片传动轴的远离叶片的部分，叶片传动轴内设置有多个沿轴向延伸的第二内部引压通道121，各第二内部引压通道121与布置在叶片内部的各第一内部引压通道112一一对应连通，且各第二内部引压通道121的出气口沿轴向均匀布置在延长出气部分130的轴侧表面上，各第二内部引压通道的出气口形成为与各叶片表面测压孔一一对应的传动轴侧面测压孔131。即延长出气部分130轴侧面有序布置多个内流道出气口，其规律是通过螺旋等距上升方式，将末端出气口位置排布与叶片进气部分的叶片表面测压孔111一一对应。另外各内流道末端出气口均会被再机加成内螺纹孔，与相应的外螺纹放大接头(内有气流通道)连接。

PU管207、三通快插接头204、快插开关阀203按照图3的连接方式依次排开，能实现在测量过程中，仅使用两个16通道的压力扫描阀，即可测量两个压力面、两个吸力面共计120个待测孔。其中利用了4种调节方式，通过快插开关阀303控制每个压力测量单元4个流道的开闭状态，保证每次测量某一待测叶片表面30个典型位置测量孔时，仅开放与之对应的某一流道，30个压力测量单元每次便开放30个流道，再选取两个16通道的压力扫描阀共计32个测压通道中的30个接口与之相连，就能实现4种调节方式测量4个待测叶片表面共计120个待测孔。

一般性试验实施过程：

依照离心压缩机闭式试验台操作规程，本着启动顺序：供气、供电、供油、供水，停机顺序：断水、断油、断气、断电的基本原则进行操作：

1.启动前准备工作具体包括：开启仪表气供气；开启试验台各部分供电；开启供油循环；开启换热器供水循环；开启高压缓冲罐补气；开机前检查和中控室计算机测控界面程序自检启停车是否正常；

2.启动运行具体包括：保证主管道的低压段3个压力调节阀(主压力调节阀、辅助压力调节阀、微量压力调节阀)开度均为100％；在低压轴系界面中(联轴器两端振动需小于45μm，否则自动停机)给定电机转速300r/min后点击正转启动；每间隔3min左右按照300→500→700→900→1185(r/min)顺序依次升速至100％转速；到达指定转速后调节主管道低压段3个压力调节阀(主、辅助、微量)开始性能曲线试验；切换至其它转速，进行其他转速下性能曲线试验；

3.停机工作具体包括：将主管道3个调节阀均调节至100％开度，每间隔1min左右将转速按照1185→900→700→500→300→0(r/min)顺序逐步调低至停机；打开放空阀，将主管道内气体排出；打开换热器壳/管程中的排液/气共四个阀门1min后关闭，打开压缩机底部排水阀和后面油污阀，检查有无液体漏出，然后关闭；关闭高压缓冲罐补气；关闭换热器供水循环；关闭供油循环；关闭仪表气供气；关闭试验台各部分供电；

4.最后进入中控室计算机，导出实验数据并处理。

当需要对扩压器叶片压力面和/或吸力面的气动外形进行优化设计时：

1.拆机后先确定可调扩压器中周向某一个典型位置，再将同一个可调扩压器的压力面或吸力面安装到该待测位置，接着将其与相应的叶片安装角调节机构相互配合固定，最后吊装扩压器-蜗壳端与叶轮端配合；

2.按照图3中的连接方式，依次连接放大接头、PU管、三通快插接头、快插开关阀、缩小接头、压力扫描阀尼龙接管、压力扫描阀和相应的密封垫圈、电源电线、控制端、信号采集系统等；

3.依据上述一般性试验实施过程进行相关操作，测量周向某一个位置、同一个可调扩压器的压力面或吸力面表面载荷，反映整机运行环境下的真实参数，便于有效指导扩压器的叶片优化设计。

当需要研究扩压器叶片在调节过程中压力面和/或吸力面的表面载荷变化规律时：与对扩压器叶片气动外形进行优化设计时的操作流程大体一致，但在测量过程中，需通过叶片安装角调节机构实现叶片扩压器角度可调的功能，以便研究可调扩压器在调节过程中压力面、吸力面表面载荷的变化规律，分析可调扩压器在变工况运行过程中发挥的作用及其原因。

当需要分析离心压缩机蜗壳周向不对称性对扩压器叶片压力面和/或吸力面的表面载荷分布的影响时：与对扩压器叶片气动外形进行优化设计时的操作流程大体一致，但在拆机后，需先确定可调扩压器中周向不同的典型位置，然后将多个可调扩压器压力面、吸力面安装到待测位置，再把它们与相应的叶片安装角调节机构相互配合固定，最后吊装扩压器-蜗壳端与叶轮端配合，以便分析蜗壳周向不对称性对可调扩压器压力面、吸力面表面载荷分布的影响。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (6)

1.一种适用于压缩空气储能系统离心压缩机整机运行环境下测量可调扩压器表面载荷的装置，包括离心压缩机、可调扩压器和压力测量单元，所述可调扩压器在径向上设置在所述离心压缩机叶轮出口的外围，所述可调扩压器包括一环形安装板、多个扩压器叶片和一叶片安装角调节机构，每一所述扩压器叶片均通过设置在其底部的叶片传动轴可转动地设置在所述环形安装板上，且各所述扩压器叶片沿周向均匀布置，其特征在于，

--每一所述扩压器叶片，均包括一叶片进气部分、一传动连接部分和一延长出气部分，其中，

所述叶片进气部分设置在叶片的压力面和/或吸力面上，包括设置在所述压力面和/或吸力面的前缘、中部和/或尾缘处的多个叶片表面测压孔以及设置在叶片内部的多个第一内部引压通道，各所述第一内部引压通道与各所述叶片表面测压孔一一对应连通，且各所述叶片表面测压孔分别对应形成为各所述第一内部引压通道的进气口；

所述传动连接部分布置在叶片传动轴的临近叶片的部分，用以与所述叶片安装角调节机构传动连接，所述叶片安装角调节机构通过带动所述传动连接部分转动以调节扩压器叶片的安装角度；

所述延长出气部分布置在叶片传动轴的远离叶片的部分，叶片传动轴内设置有多个沿轴向延伸的第二内部引压通道，各所述第二内部引压通道与布置在叶片内部的各所述第一内部引压通道一一对应连通，且各所述第二内部引压通道的出气口沿轴向均匀布置在所述延长出气部分的轴侧表面上，各所述第二内部引压通道的出气口形成为与各所述叶片表面测压孔一一对应的传动轴侧面测压孔；

--所述压力测量单元，至少包括一多通道压力扫描阀，各所述传动轴侧面测压孔分别通过气体管件与所述多通道压力扫描阀的测压通道连通，用以实现所述扩压器叶片的压力面和/或吸力面的表面载荷测量。

2.根据上述权利要求所述的适用于离心压缩机整机运行环境下测量可调扩压器表面载荷的装置，其特征在于，各所述传动轴侧面测压孔以螺旋等距的方式均匀布置在所述延长出气部分的轴侧表面上。

3.根据上述权利要求所述的适用于离心压缩机整机运行环境下测量可调扩压器表面载荷的装置，其特征在于，各所述传动轴侧面测压孔均为通过机加工方式形成在所述延长出气部分的轴侧表面上的内螺纹孔，所述传动轴侧面测压孔以螺纹连接的方式与外部气体管件连接。

4.一种利用上述任一项权利要求所述的测试装置对离心压缩机整机运行环境下可调扩压器表面载荷进行测试的方法，其特征在于，

当需要对扩压器叶片压力面和/或吸力面的气动外形进行优化设计时，启动离心压缩机使其处于整机运行环境，选择周向某一位置的扩压器叶片作为待测叶片，并将其传动轴侧面测压孔通过气体管件与多通道压力扫描阀的测压通道连通，在保持其它扩压器叶片的安装角不变的情况下，利用叶片安装角调节机构将待测叶片逐一调节到不同的安装角上，并分别测试待测叶片处于不同安装角时各叶片表面测压孔的压力分布，继而实现离心压缩机整机运行环境下待测叶片压力面和/或吸力面的表面载荷的真实参数测量。

5.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，当需要研究扩压器叶片在调节过程中压力面和/或吸力面的表面载荷变化规律时，调节离心压缩机使其处于不同工况，并利用叶片安装角调节机构调节待测叶片的安装角，分析待测叶片在不同工况下压力面和/或吸力面的表面载荷情况，继而分析可调扩压器在变工况运行过程中发挥的作用及其原因。

6.根据上述权利要求所述的方法，其特征在于，当需要分析离心压缩机蜗壳周向不对称性对扩压器叶片压力面和/或吸力面的表面载荷分布的影响时，调节离心压缩机使其处于整机运行环境，将各扩压器叶片的传动轴侧面测压孔均通过气体管件与多通道压力扫描阀的测压通道连通，同时测量各扩压器叶片压力面和/或吸力面的表面载荷情况。

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