CN113482959B - 一种可识别工况和预警的离心压气机及工况识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可识别工况和预警的离心压气机及工况识别方法，该离心压气机包括叶轮、进气管道，以及电连接的中央处理模块和检测模块，检测模块设置为检测进气管道内的温度和压力之一；检测模块包括第一检测组件，以及多个第二检测组件，第一检测组件设置为获得边缘区内一点的检测数据，多个第二检测组件沿进气管道轴向布置；中央处理模块设置为接收检测数据，并确定叶顶回流前缘位置和工作点流量。该工况识别方法包括获得温度或压力数据、得到叶顶回流前缘信息、计算工作点流量。本发明涉及叶轮机械技术领域，提供了一种可识别工况和预警的离心压气机及工况识别方法，可识别工况，对喘振进行预警，而且空间适用性强，不会引入额外的流动阻力。

Description

一种可识别工况和预警的离心压气机及工况识别方法

技术领域

本发明涉及叶轮机械技术领域，更具体地，涉及一种可识别工况和预警的离心压气机及工况识别方法。

背景技术

离心压气机是一种应用于车辆涡轮增压系统、航空涡轮发动机、工业气体压缩等领域的机械装置。离心压气机的工作原理是通过高速旋转的叶片对气体做功，将机械能转换为气体的动能和压能。然而，离心压气机的稳定运行工况受到其气动性能的影响，在低流量工况下，离心压气机会发生喘振，导致流动参数的剧烈变化，迫使离心压气机轴系和叶片承受巨大的周期交变载荷，严重的会造成轴系破坏和叶片断裂。因此，在离心压气机工作中应极力避免进入喘振区。图1所示为离心压气机的压比特性图，图中的喘振线(虚线)区分了离心压气机的稳定工作区域(位于喘振线右侧)，和非稳定工作区域(喘振线左侧)。当离心压气机的工作点位于非稳定工作区域时，将发生喘振，威胁离心压气机的安全。实际应用中，离心压气机的压比特性图可由试验得到，但其工作点则取决于整个系统的运行工况。

发明内容

本发明实施例提供了一种可识别工况和预警的离心压气机，包括叶轮以及用以引导气体流向所述叶轮顶部的进气管道，所述进气管道的管壁在其轴向上包括靠近所述叶轮的叶顶回流区和远离所述叶轮的边缘区，离心压气机还包括电连接的中央处理模块和检测模块，所述检测模块设置为检测所述进气管道内的温度和压力之一；所述检测模块包括设置在所述边缘区的第一检测组件，以及多个设置在所述叶顶回流区内的第二检测组件，所述第一检测组件设置为获得所述边缘区内一点的检测数据，多个所述第二检测组件沿所述进气管道轴向布置，用以获得轴向上不同点位的检测数据；

所述中央处理模块设置为接收所述第一检测组件和第二检测组件在一叶轮转速下的检测数据，并根据所述检测数据和所述第二检测组件的位置信息确定叶顶回流前缘位置和工作点流量。

一种可能的设计，任一所述第二检测组件设置为喘振感应件，所述中央处理模块设置为在所述喘振感应件的检测数据大于第一检测组件的检测数据时发出预警信号。

一种可能的设计，所述第一检测组件和所述第二检测组件的检测端嵌在所述进气管道的管壁上，以避免置于进气管道而增加流动阻力，所述第一检测组件的检测数据设置为基准数据。

一种可能的设计，所述第二检测组件包括多个传感器，多个所述传感器绕所述进气管道周向布置。

一种可能的设计，所述第一检测组件设置为一压力传感器或温度传感器，多个所述第二检测组件等间隔布置，并由所述叶轮顶部延伸至所述叶顶回流区远离所述叶轮的边缘。

一种可能的设计，包括相接的轮盖和连接管，所述轮盖对应叶轮设置，所述进气管道由所述轮盖向所述连接管延伸且贯通所述连接管，所述第二检测组件分布在所述轮盖和连接管上。

一种可能的设计，所述中央处理模块设置为根据预设预警流量确定一所述第二检测组件作为所述喘振感应件。

一种可能的设计，还包括预警器，所述预警器与所述中央处理模块电连接，所述预警器设置为根据所述预警信号动作，以提醒操作人员。

本发明实施例提供了一种工况识别方法，应用于上述的识别工况和预警的离心压气机，包括以下步骤：

S1，离心压气机开启，并以一叶轮转速稳定运行；

S2，第一检测组件和第二检测组件进行测量，并将检测数据传输给中央处理模块；

S3，在一所述第二检测组件的检测数据的数值大于所述基准数据，且上游相邻的另一所述第二检测组件的检测数据小于所述基准数据时，所述中央处理模块筛选出这两个第二检测组件，并将处于上游的所述第二检测组件所在点位设置为叶顶回流前缘位置；

S4，所述中央处理模块根据叶顶回流前缘位置得到叶顶回流前缘轴向距离，所述叶顶回流前缘轴向距离设置为叶顶回流前缘位置与叶顶之间的轴向距离；

S5，所述中央处理模块根据叶顶回流前缘轴向距离，以及流量与叶顶回流前缘轴向距离关系，计算得到工作点流量。

本发明实施例的离心压气机可通过测量压力或温度，得到叶顶前缘位置，进而得到工作点流量，而且可对喘振进行预警。另外，该第一检测组件和第二检测组件嵌在进气管道上，对安装空间要求较小，适用性更强，且为非浸入式测量，不会引入额外的流动阻力。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为离心压气机压比特性图；

图2为图1中的三个工作点对应的叶顶回流前缘轴向距离示意图；

图3为根据本发明的一实施例的离心压气机示意图；

图4为离心压气机的进口流量系数与叶顶回流前缘轴向距离的关系示意图；

图5为图3的离心压气机的电连接示意图。

附图标记：1-叶轮、2-轮盖、3-连接管、4-叶顶回流区、5-第一检测组件、6-边缘区、7-第二检测组件、8-目标传感器、9-进气管道、10-中央处理模块、11-预警器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

对离心压气机喘振的预警，需定位离心压气机工作点，以判断工作点与喘振线的距离，一旦该距离小于预设值，则需启用防喘振措施。因此，准确定位离心压气机的工作点对其喘振预警和安全运行具有重要作用。如图1所示的离心压气机在三个转速下的压比特性图，该离心压气机的工作点的定位须至少已知流量、压比或转速三个参数中的两个参数，这就包含三种方案。(1)已知压比和转速，在离心压气机的压比特性图中(图1)找到对应转速，再根据压比在该等转速线上定位工作点。(2)已知流量和转速，在离心压气机的压比特性图中找到对应转速，再根据流量在该等转速线上定位工作点。以及(3)已知压比和流量，在离心压气机的压比特性图中直接定位工作点。当定位工作点后，若工作点流量小于所设置的喘振预警流量，即发出喘振预警。实际中由于压力的测量较容易实现，通常采用方案(1)来定位工作点。但是，离心压气机在近喘振工况点的压比特性线几乎呈水平分布(如图1)，因此在等转速线上，同一压比可对应多个工作点，并且在这种情况下压力值测量的微小误差将导致工作点定位的较大误差。通常这种情况只能采用方案(2)或(3)。这两个方案均涉及流量的测量。由于流量测量需采用浸入流体的设备，不仅会带来额外的流动阻力，而且要求较大的安装空间，这极大地限制了其应用。

请参阅图3和图5的本发明一实施例的离心压气机，该离心压气机可识别工况，并可对喘振进行预警，如图3和图5所示，该离心压气机包括叶轮1以及用以引导气体流向叶轮1顶部的进气管道9，同时，该进气管道9的管壁在其轴向(进气管道9的轴线方向)上包括靠近叶轮1的叶顶回流区4(图3中双点划线所围区域)和远离叶轮1的边缘区6。该离心压气机还包括电连接的中央处理模块10和检测模块，该检测模块设置为检测进气管道9内的温度和压力之一。该检测模块包括设置在边缘区6的第一检测组件5，以及多个设置在叶顶回流区4内的第二检测组件7，其中，第一检测组件5设置为获得边缘区6内一点的检测数据，多个第二检测组件7沿进气管道7的轴向布置，用以获得轴向上不同点位的检测数据。另外，该中央处理模块10设置为接收第一检测组件5和第二检测组件7在一叶轮转速(叶轮1的一个固定转速)下的检测数据，并根据该检测数据和第二检测组件7的位置信息确定叶顶回流前缘位置和工作点流量。由此，该离心压气机可通过测量压力或温度，得到叶顶前缘位置，进而得到工作点流量，可对喘振进行预警，而且测量用的第一检测组件5和第二检测组件7对安装空间要求较小，适用性更强。

如图3所示，该离心压气机包括相接的轮盖2和连接管3，该轮盖2对应叶轮1设置，叶轮1处于轮盖2、蜗壳(图中未示出)等围成的腔体内，上述进气管道9由轮盖1向连接管3延伸，具体地由叶轮1顶部开始背向叶轮1延伸，该进气管道9贯通了连接管3。在该离心压气机运行时，如图2所示，进气管道9内存在主流和叶顶回流(可简称“回流”，指在叶轮1顶部产生的回流)。上述叶顶回流区4分布在轮盖2对应叶轮1顶部上游的区域，和连接管3靠近叶轮1的区域，该叶顶回流区4为该离心压气机在所有工况下叶顶回流所能达到的区域。上述边缘区6分布在连接管3远离叶轮1的一端，该边缘区6指该离心压气机在所有工况下叶顶回流未能达到的区域。上述进气管道9可引导气流流向，该进气管道9内的上游是指在进气管道9的轴向方向上靠近气源的位置，同理，进气管道9内的下游指在进气管道9的轴向方向上远离气源的位置，以下文中的上游和下游皆同上述描述。

由上述可知，检测模块可检测进气管道9内的温度或压力，本示例以检测温度为例，第一检测组件5采用一个温度传感器，可测量进气管道9内第一检测组件5对应位置的温度数据，如图3所示，该第一检测组件5嵌在进气管道9的管壁上且未伸入进气管道9内，避免非浸入式测量，不会引入额外的流动阻力。每个第二检测组件7包括多个温度传感器，该温度传感器也嵌在进气管道9的管壁上且未伸入进气管道9内，也避免了非浸入式测量，同一第二检测组件7的多个温度传感器绕进气管道9的周向均匀布置，可测量进气管道9内该第二检测组件7对应的轴向位置的温度数据。另外，多个第二检测组件7等间隔布置，并由叶轮1顶部延伸至叶顶回流区4远离叶轮1的边缘，结合上述的每个第二检测组件7包括多个温度传感器，所有第二检测组件7的众多温度传感器构成传感器阵列。而且每个第二检测组件7的位置信息，即每个第二检测组件7在进气管道9轴向上距离叶轮1顶部的距离，都记录在中央处理模块中。值得注意地，第一检测组件5和第二检测组件7检测的数据都为温度数据，类型相同，第一检测组件5的检测数据作为基准数据，作为比较对象。第一检测组件5和第二检测组件7还可将检测数据传输给上述中央处理模块10，该中央处理模块10可接收检测数据并分析后，得出结果。检测模块并不限于测量温度，也可第一检测组件5和第二检测组件7都测量压力，第一检测组件5和第二检测组件7都需采用压力传感器。

在一些示例性实施例中，如图5所示，该离心压气机还包括预警器11，预警器11与中央处理模块10电连接，可根据接收到的预警信号动作，以提醒操作人员。该预警器11可为播放器、文字或符号显示装置等，可发出声音、图像或文字提示，吸引操作人员注意。

如图2所示，其为图1中处于中间的等转速线上三个工作点(a，b和c)对应的叶顶回流前缘轴向距离示意图，图中虚线为回流流线，实线为通过离心压气机叶轮进出口的主流流向，叶顶回流前缘为叶顶回流处于上游的边缘，叶顶回流前缘轴向距离即叶顶回流前缘位置与叶轮顶部之间的轴向距离(L)。离心压气机三个工作点a，b和c分别对应的流量逐渐减小，而同时压气机进口回流前缘的距离L逐渐变大，即L_a＜L_b＜L_c。因此，离心压气机在等转速线上的流量与其叶顶回流前缘轴向距离具有一一对应的映射关系，且可通过试验或仿真方法在得到流量与叶顶回流前缘轴向距离的关系式，该关系式也记录在中央处理模块10中，正如图4的曲线所示，其中的流量系数可换算为流量。具体地，试验中可通过流量计和传感器阵列测得离心压气机工作在不同转速不同流量点时叶顶回流前缘的轴向距离。仿真可通过流场分析得到离心压气机工作在不同转速不同流量点时叶顶回流前缘的轴向距离。所得到的离心压气机等转速线上的进口流量系数与其叶顶回流前缘轴向距离的关系如图4所示，采用进口流量系数作为横坐标，不同转速下叶顶回流前缘轴向距离可近似落于同一曲线上。图中进口流量系数φ定义为：

其中，

为离心压气机的质量流量；ρ_t0为离心压气机进口总密度；D₂为离心叶轮的出口直径；U₂为离心压气机出口旋转线速度。

由于叶顶回流的温度和压力均高于离心压气机进口出温度和压力，因此，在形成的传感器阵列中位于叶顶回流前缘下游的温度传感器测量值会大于基准数据的数值，而位于叶顶回流前缘上游的温度传感器测量值会低于基准数据的数值。由此，在传感器阵列可找出轴向上两个位置相邻的第二检测组件7，其中处于相对上游位置的第二检测组件7的测量值低于基准数据的数值，处于相对下游位置的第二检测组件7的测量值高于基准数据的数值，据此可判断叶顶回流前缘位置位于这两个第二检测组件7的轴向位置之间。上述中央处理模块10可根据上述方法，取相对上游位置的第二检测组件7在轴向上的位置作为叶顶回流前缘的位置。

该离心压气机的工况识别过程可在其工作状态下进行，首先，该离心压气机开启，并以一固定的叶轮1转速稳定运行，但是离心压气机的工作点受整个系统的运行工况影响。第一检测组件5和第二检测组件7分别进行测量，并将检测数据传输给中央处理模块10。在一第二检测组件7的检测数据的数值大于基准数据，且上游相邻的另一第二检测组件7的检测数据小于基准数据时，中央处理模块筛选出这两个第二检测组件7，并将其中处于上游的第二检测组件7所在点位设置为叶顶回流前缘位置；而且，该中央处理模块10可根据叶顶回流前缘位置换算得到叶顶回流前缘轴向距离。最后，中央处理模块10根据得到的叶顶回流前缘轴向距离，以及记录在其内的流量系数与叶顶回流前缘轴向距离关系，得到对应的流向系数，换算得到工作点流量，识别出工况。而且进一步，在离心压气机的压比特性图中找到对应转速，再根据得到的流量在该等转速线上定位工作点。

另外，操作人员可指定传感器阵列中的任一第二检测组件7作为喘振感应件，中央处理模块10会在该喘振感应件的检测数据的数值大于基准数据的数值时发出预警信号，指示预警器11动作。该操作人员还可根据图1的压比特性图，在一等转速线上挑选一靠近喘振线的点，作为预设报警点，该预设报警点对应的流量可有图查出，即喘振预警流量；上述中央处理模块10可根据喘振预警流量、流量与流量系数的换算、以及流量系数与叶顶回流前缘轴向距离关系，可得到喘振预警流量对应的叶顶回流前缘轴向距离；该上述中央处理模块10根据得到叶顶回流前缘轴向距离和第二检测组件7的位置信息，选择最靠近该叶顶回流前缘轴向距离的第二检测组件7作为喘振感应件。具体地，以图1中处于中间位置的等转速线为例，设置该等转速线上的b点流量为喘振预警流量，即当离心压气机工作于该转速情况下，当工作点流量达到b点流量时需发出喘振预警信号。根据b点的质量流量由上式计算对应的流量系数，再根据图2得到对应的预警距离(即叶顶回流前缘轴向距离)L_b，L_b位置处恰布置有一第二检测组件7(图3中的目标传感器8)。当离心压气机在该转速工作时，若其流量大于b点流量，则L_b位置处目标传感器8的测量值低于基准数据；当L_b位置处目标传感器8的测量值高于基准数据，即中央处理模块10发出预警信号，显示此时离心压气机的工作点也位于b点。喘振预警流量可选择不同数值，所对应的预警距离也会不同，多个第二检测组件7构成的传感器阵列可满足其需求。

结合上述实施例，本发明实施例的离心压气机可通过测量压力或温度，得到叶顶前缘位置，进而得到工作点流量，而且可对喘振进行预警。另外，该第一检测组件和第二检测组件嵌在进气管道上，对安装空间要求较小，适用性更强，且为非浸入式测量，不会引入额外的流动阻力。

在本发明中的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“一侧”、“另一侧”、“一端”、“另一端”、“边”、“相对”、“四角”、“周边”、““口”字结构”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“直接连接”、“间接连接”、“固定连接”、“安装”、“装配”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；术语“安装”、“连接”、“固定连接”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定为准。

Claims (9)

1.一种可识别工况和预警的离心压气机，包括叶轮以及用以引导气体流向所述叶轮顶部的进气管道，所述进气管道的管壁在其轴向上包括靠近所述叶轮的叶顶回流区和远离所述叶轮的边缘区，其特征在于，离心压气机还包括电连接的中央处理模块和检测模块，所述检测模块设置为检测所述进气管道内的温度和压力之一；所述检测模块包括设置在所述边缘区的第一检测组件，以及多个设置在所述叶顶回流区内的第二检测组件，所述第一检测组件设置为获得所述边缘区内一点的检测数据，多个所述第二检测组件沿所述进气管道轴向布置，用以获得轴向上不同点位的检测数据；

所述中央处理模块设置为接收所述第一检测组件和第二检测组件在一叶轮转速下的检测数据，并根据所述检测数据和所述第二检测组件的位置信息确定叶顶回流前缘位置和工作点流量。

2.根据权利要求1所述的可识别工况和预警的离心压气机，其特征在于，任一所述第二检测组件设置为喘振感应件，所述中央处理模块设置为在所述喘振感应件的检测数据大于第一检测组件的检测数据时发出预警信号。

3.根据权利要求1所述的可识别工况和预警的离心压气机，其特征在于，所述第一检测组件和所述第二检测组件的检测端嵌在所述进气管道的管壁上，以避免置于进气管道而增加流动阻力，所述第一检测组件的检测数据设置为基准数据。

4.根据权利要求3所述的可识别工况和预警的离心压气机，其特征在于，所述第二检测组件包括多个传感器，多个所述传感器绕所述进气管道周向布置。

5.根据权利要求3所述的可识别工况和预警的离心压气机，其特征在于，所述第一检测组件设置为一压力传感器或温度传感器，多个所述第二检测组件等间隔布置，并由所述叶轮顶部延伸至所述叶顶回流区远离所述叶轮的边缘。

6.根据权利要求3所述的可识别工况和预警的离心压气机，其特征在于，包括相接的轮盖和连接管，所述轮盖对应叶轮设置，所述进气管道由所述轮盖向所述连接管延伸且贯通所述连接管，所述第二检测组件分布在所述轮盖和连接管上。

7.根据权利要求2所述的可识别工况和预警的离心压气机，其特征在于，所述中央处理模块设置为根据预设预警流量确定一所述第二检测组件作为所述喘振感应件。

8.根据权利要求2所述的可识别工况和预警的离心压气机，其特征在于，还包括预警器，所述预警器与所述中央处理模块电连接，所述预警器设置为根据所述预警信号动作，以提醒操作人员。

9.一种工况识别方法，应用于如权利要求3所述的可识别工况和预警的离心压气机，其特征在于，包括以下步骤：

S1，离心压气机开启，并以一叶轮转速稳定运行；

S2，第一检测组件和第二检测组件进行测量，并将检测数据传输给中央处理模块；

S3，在一所述第二检测组件的检测数据的数值大于所述基准数据，且上游相邻的另一所述第二检测组件的检测数据小于所述基准数据时，所述中央处理模块筛选出这两个第二检测组件，并将处于上游的所述第二检测组件所在点位设置为叶顶回流前缘位置；

S4，所述中央处理模块根据叶顶回流前缘位置得到叶顶回流前缘轴向距离，所述叶顶回流前缘轴向距离设置为叶顶回流前缘位置与叶顶之间的轴向距离；

S5，所述中央处理模块根据叶顶回流前缘轴向距离，以及流量与叶顶回流前缘轴向距离关系，计算得到工作点流量。

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