0.6m連續式風洞調試運行關鍵技術研究

熊 波，周恩民，程 松，張 文，劉 愷，羅新福

0.6m連續式風洞調試運行關鍵技術研究

熊 波＊，周恩民，程 松，張 文，劉 愷，羅新福

（中國空氣動力研究與發展中心高速空氣動力研究所，四川綿陽 621000）

為了降低大型連續式風洞建設風險，在0.6m連續式風洞中開展了壓縮機防喘振控制、轉速控制、馬赫數控制等調試運行關鍵技術研究。本研究采用壓力波動法準確測量出了壓縮機的喘振邊界，通過設置合理的報警線和防喘振線，保證了壓縮機的安全；采用矢量控制技術實現了轉速的精確控制，控制精度達到0.03%的設計要求；采用壓縮機轉速、駐抽流量以及中心體開度與馬赫數的函數關系，實現了馬赫數的精確控制，控制精度達到了0.002的設計指標要求。通過研究各項關鍵技術實現了該風洞定總壓、定馬赫數的運行方式，該風洞具有優良的流場品質，是開展基礎研究平臺建設和大型連續式風洞引導性研究的理想平臺。

連續式風洞；調試；壓縮機；流場；控制精度

0 引 言

0.6 m×0.6m連續式跨聲速風洞（簡稱0.6m連續式風洞）是中國空氣動力研究與發展中心高速空氣動力研究所新建成的一座連續式風洞，主要用于對大型連續式風洞設計、建設和調試中的若干關鍵技術［1］進行預研和驗證。

國際上，歐美等發達國家連續式風洞建設起步早，美國于1941年建成了4.7m的大型連續式高速風洞，英國于1942年建成了1.8m×2.4m的連續式跨聲速風洞［2］。而國內由于受到經費、制造和加工水平限制以及發達國家的技術封鎖，連續式風洞建設起步晚。西北工業大學于2003年建成了國內第一座連續式跨聲速風洞。開展了軸流式壓縮機的喘振邊界線測試［3－6］，在連續式風洞設計與調試方面作了一定開創性的工作，但調試過程中也暴露出了一些問題和不足。目前國內在暫沖式跨聲速風洞設計、建設和使用等方面技術成熟、經驗豐富，已經建成了2m量級具有國際一流水平的大型跨超聲速風洞（2.4m跨聲速風洞和2m超聲速風洞），但同暫沖式風洞相比，連續式風洞不僅在驅動形式和運行原理上不同，而且在風洞的調試內容、調試方法和關鍵技術等方面也有諸多差異，因此在連續式風洞設計、建設及調試方面可借鑒的文獻和經驗很少。

為了了解和掌握軸流式壓縮機的運行特點及安全運行邊界以及實現壓縮機轉速和馬赫數的精確控制，在風洞調試運行中開展壓縮機防喘振控制和轉速控制以及馬赫數多變量控制關鍵技術研究，并給出具體的應用效果。

1 風洞介紹

0.6 m連續式風洞結構輪廓圖如圖1所示。試驗段截面尺寸：0.6m×0.6m；風洞運行總壓：p0＝（0.15～2.5）×105Pa；總溫：T0＝（280～323）K；馬赫數：Ma＝0.2～1.6；Re數范圍：Rec＝（0.1～2.25）×106（c＝0.06m）。

圖1 0.6m連續式風洞輪廓圖Fig.1 Sketch of the 0.6mcontinuous wind tunnel

該風洞配置了主、輔2套壓縮機，其中主壓縮機為靜葉可調的AV90－3型三級軸流壓縮機，輔壓縮機為E71－3型離心壓縮機，用于駐抽試驗工況，與主壓縮機配套使用輔助建立跨聲速和低超聲速流場。

2 控制方法研究

2.1壓縮機防喘振控制

目前，國內壓縮機主要應用于大型鋼鐵、石油和化工等行業。該行業壓縮機具有運行工況單一、轉速變化范圍小、工況范圍窄和遠離喘振點的特點。而對于連續式風洞這一特殊的管網系統，風洞流量大小由壓縮機能提供的壓比確定，風洞與壓縮機二者形成閉環回路，整個系統的工作是一個相互耦合、作用的過程［7］，且壓縮機具有運行工況點多，轉速、壓比和流量變化范圍廣，部分運行工況點靠近喘振邊界線，同時由于壓縮機轉速、馬赫數和模型姿態角等變量的劇烈變化，將嚴重影響整個管網系統的阻尼特性，極易誘發壓縮機喘振，因此連續式風洞壓縮機防喘振難度遠遠大于一般工業應用的壓縮機。

2.1.1喘振邊界測定

在0.6m連續式風洞中，通過控制中心體二喉道流通面積，減小壓縮機進氣體積流量，對壓縮機進行“逼喘”。在“逼喘”過程中分別在壓縮機出／入口通過精密壓力表實時測量壓力波動，通過“壓力波動法”［8］準確測量壓縮機喘振邊界。圖2給出了具體的試驗結果。

2.1.2防喘振控制

為了保證壓縮機的安全運行，根據壓縮機廠家的經驗，需要設置合理防喘振線ε1＝f1（Q）和防喘報警線ε2＝f2（Q）。通常在實測喘振點的基礎上保持壓比不變，將體積流量增大3%～5%作為防喘振線，體積流量增大6%～10%作為防喘振報警線。而在連續式風洞中，由于壓縮機使用經驗少，運行工況復雜、多變，因此對喘振裕度的控制更加保守，結合風洞實際調試情況，并滿足風洞試驗運行工況要求，將體積流量分別增大6%和12%作為壓縮機的防喘振線ε1＝f1（Q）和防喘報警線ε2＝f2（Q）。

圖3給出了該風洞軸流式壓縮機實測喘振線、防喘振線、防喘振報警線以及各馬赫數運行工況點的分布。

試驗中，實時監控壓縮機運行壓比ε與對應體積流量下的喘振報警壓比ε1和防喘振壓比ε2。如果ε＜ε1，機組運行安全；如果ε1≤ε＜ε2，控制程序自動發出報警信息，但壓縮機可以安全運行；如果ε≥ε2，觸發防喘振控制，迅速打開防喘振閥或緊急停機，使壓縮機遠離喘振區。控制邏輯如圖4所示。

圖3 防喘振曲線設置（θ＝66°）Fig.3 Anti－surge curve setting（θ＝66°）

圖4 防喘振控制邏輯框圖Fig.4 Anti－surge control logic

2.2控制策略研究

2.2.1壓縮機轉速控制

壓縮機轉速的精確控制是連續式風洞馬赫數精確控制的基礎。為達到風洞馬赫數控制精度優于0.001～0.002的指標要求，風洞總體設計要求主壓縮機的轉速控制精度≤0.03%。

設計上，為了實現2臺電機同步拖動的穩定運行和精確調速，研制了一套變頻器調速系統。采用矢量控制技術，通過等效變換仿照直流電動機的控制方式，將異步電動機定子電流矢量分解為勵磁電流和轉矩電流進行控制，經電流、轉速雙閉環，達到控制異步電動機轉矩和轉速的目的，獲得媲美直流調速的動態性能；由完全獨立的2臺變頻器通過主、從機同步通訊，實時保持給定參數、控制參數、啟停動作的一致性，實現轉速同步、功率平衡。電流、轉速雙閉環矢量控制拓撲圖如圖5所示。

調試中，為了實現矢量控制和同步控制功能，采取改變工況和開／閉環控制模式、優化轉速采集方式、在線監測和比對運行數據等方法，通過變頻器功能參數、控制參數以及電機參數的解耦，得出相關參數對矢量控制等效變換和變頻器PID參數的影響關系，優化變頻器參數，實現了同步、精確調速。

圖5 矢量控制拓撲圖Fig.5 The vector control topology

由于目前現有轉速測量裝置無法滿足連續式風洞壓縮機轉速控制精度測量要求，為了考核調速精度，自主研制了一套轉速測量裝置［9］，基于編碼器正交輸出四倍頻原理和M／T測速法原理［9－10］，達到了0.0034%的測速精度。該裝置兼具測量精度高、測量周期短、數據實時顯示和導出的特點，能夠可靠實現編碼器信號的復制、外接測量，解決了無法額外安裝測速裝置及安全風險問題。測速裝置原理如圖6所示。

圖6 轉速控制精度測試原理圖Fig.6 Schematic diagram of the rotation measurement system

試驗中選取5個轉速［11－12］作為測試轉速。待轉速穩定后，在2min內采集轉速不少于600次，由公式（1）［11］計算出轉速控制精度。

測量結果如表1所示，表明主壓縮機在工作轉速范圍內轉速控制精度滿足≤0.03%的設計指標要求。

表1 轉速控制精度測試結果Table 1 Test result of the rotation control precision

2.2.2多變量控制策略研究

0.6 m連續式風洞采用定總壓、定馬赫數的運行方式。為了滿足設計要求，需要分別對風洞總壓和馬赫數進行精確控制。其中總壓控制變量包括：壓縮機轉速、進／排氣調壓閥開度和中心體開度；馬赫數控制變量包括：壓縮機轉速、總壓、駐抽流量和中心體開度。由于各控制變量相互影響、相互耦合，極大地增加了控制難度。

2.2.2.1 總壓控制策略研究

0.6 m連續式風洞與2.4m暫沖式跨聲速風洞相比，總壓控制變量在進／排氣調壓閥控制變量的基礎上，增加了一個壓縮機轉速控制變量，使得0.6m連續式風洞總壓控制更加復雜。

壓縮機轉速對總壓的影響機理是在增速過程中提高了壓縮機的壓比，增大了對風洞回路空氣的壓縮能力，而總壓的閉環控制嚴重滯后于轉速的變化，因此造成了壓縮機增速過程中總壓急劇增大，且轉速變化越劇烈，對總壓的影響越顯著。圖7給出了常壓工況下，壓縮機轉速對總壓影響特性曲線。

圖7 轉速與總壓特性曲線Fig.7 Curves of rotating speed and stagnation pressure

穩轉速狀態下，壓縮機轉速只維持風洞回路氣流的穩定流動，不會對總壓造成二次影響，圖8給出了穩轉速狀態下，轉速對總壓的影響曲線。

圖8 穩轉速狀態下，轉速與總壓特性曲線Fig.8 Rotating speed and stagnation pressure characteristic curves of steady state

根據上述特性，為了消除連續式風洞壓縮機轉速對總壓的影響，理想的辦法是使壓縮機保持穩態運行。即：固定各馬赫數對應的壓縮機轉速，在該條件下，0.6m連續式風洞總壓的控制可以簡化為閉環控制進／排氣調壓閥開度，而2.4m暫沖式跨聲速風洞總壓控制即采用該控制策略［13］，具有成熟的使用經驗。因此，0.6m連續式風洞總壓控制策略為：固定進氣調壓閥和各馬赫數對應的壓縮機轉速，閉環控制排氣調壓閥開度，實現總壓的精確控制。

2.2.2.2 馬赫數控制策略研究

由于0.6m連續式風洞采用定總壓運行方式，因此，馬赫數控制變量在原控制變量的基礎上減少為壓縮機轉速、駐抽流量和中心體開度。為了達到精確控制馬赫數的要求，首先要掌握各變量對馬赫數的影響關系；其次根據影響關系，確定最佳的變量組合，實現馬赫數精確控制。

（1）控制變量對馬赫數影響特性測試

（a）轉速與馬赫數特性測試

圖9給出了聲速噴管時，主壓縮機轉速與馬赫數關系曲線。由圖可知，Ma≤1時，馬赫數與壓縮機轉速基本呈線性關系；Ma＞1時，受到雍塞效應的影響，增加轉速對提高馬赫數的貢獻較小。

圖9 轉速與馬赫數特性曲線Fig.9 Curves of rotating speed vs.Mach number

（b）中心體開度與馬赫數特性測試

圖10給出了不同主壓縮機轉速下中心體開度與馬赫數關系曲線。由圖可知，當Ma≤0.6時，中心體開度對馬赫數的調節能力較弱，而Ma＞0.6時，則對馬赫數調節較為靈敏。

圖10 中心體開度與馬赫數特性曲線Fig.10 Curves of Mach number vs.opening of centrosome

（c）駐抽系統與馬赫數控制特性測試

圖11給出了不同主／輔壓縮機轉速組合狀態下，駐抽質量流量百分比與馬赫數的關系曲線。結果表明，試驗馬赫數與駐抽流量百分比基本呈線性關系，只要駐抽流量一定，則馬赫數與主／輔壓縮機轉速組合方式無關。

圖11 駐抽流量與馬赫數的關系曲線Fig.11 Curves of mass ratio vs.Mach number

表2給出了Ma＝1.0不同主／輔壓縮機轉速組合時，總功率的對比。結果表明，相同馬赫數下輔壓縮機轉速越低，總功率越小。主要是因為主壓縮機為軸流式壓縮機，流量大、壓比小，而輔壓縮機為離心式壓縮機，流量小、壓比高，從駐室內抽走相同質量的空氣，輔壓縮機需要耗費的功率更大。因此，駐抽試驗狀態時，宜采用主壓縮機高轉速、輔壓縮機低轉速的組合。

表2 輔壓縮機轉速對能耗的影響Table 2 The effect of the assistant compressor’s rotation on energy consumption

（2）馬赫數控制策略研究

根據各控制變量對馬赫數的影響特性曲線可知，壓縮機轉數是實現馬赫數控制的主要變量。但為了實現壓縮機轉速對總壓的解耦控制，在給定馬赫數的條件下，只能通過中心體開度調節實現馬赫的閉環控制。但當Ma＞1.0時，由于壅塞效應的出現，需要通過駐抽系統對駐室靜壓的輔助抽吸來實現低超聲速范圍氣流的膨脹。因此，Ma＞1.0時，在此上述馬赫控制的基礎上，還需要增加駐抽系統，以實現Ma＞1.0的馬赫數控制。

在調試過程中發現Ma＜0.6時，中心體對馬赫數的調節能力較弱，調節周期較長；而采用壓縮機轉速對馬赫數調節較快，且轉速調節幅度較小，通過閉環控制排氣調壓閥能夠滿足總壓的精確控制要求。因此在該馬赫數范圍，采用壓縮機轉速調節馬赫數效果更好。

根據各控制變量對馬赫數影響特性，并結合風洞試驗調試情況，對馬赫數采用分段控制策略。具體為：0.2≤Ma≤0.6，采用主壓縮機轉速控制策略；0.6＜Ma≤1.0，采用固定馬赫數對應的主壓縮機轉速，閉環控制中心體的控制策略；Ma＞1.0時，采用固定各馬赫數對應的主、輔壓縮機轉速，閉環控制中心體的控制策略。

3 調試結果

3.1壓縮機防喘振控制

在0.6m連續式風洞在調試和運行過程中，由于壓縮機運行范圍廣，運行工況復雜、多變，多次出現壓縮機運行工況點觸碰防喘報警線和防喘振線的情況，防喘控制系統根據既定控制策略，自動實施了報警和打開防喘振閥的避喘操作，很好地保護了壓縮機的安全。截止目前，壓縮機已經累計安全運行長達1000余小時，充分證明該防喘振控制方法是安全和可靠的。

3.2總壓控制

根據0.6m連續式風洞總壓控制策略，對于給定的馬赫數，根據轉速與馬赫數的函數關系，計算出對應的壓縮機轉速。在轉速調節過程，保持進氣和排氣調壓閥開度，待壓縮機進入穩態運行后，再投入總壓閉環控制。圖12給出了具體試驗結果。由圖12可知，采用該控制策略，成功實現了壓縮機轉速對總壓的解耦控制，總壓控制精度優于0.2%。

圖12 總壓控制策略試驗結果Fig.12 Results of stagnation pressure control strategy

3.3馬赫數控制

在固定各馬赫數對應壓縮機轉速，閉環控制中心體開度的控制策略的基礎上，按照馬赫數分段控制策略的方案，實現了0.6m連續式風洞馬赫數的精確控制。圖13給出了調試結果。由圖13可見，采用該控制策略，能較好地實現馬赫數的精確控制，馬赫數控制精度優于0.002。

圖13 馬赫數策略調試結果Fig.13 Results of Mach number control strategy

4 結 論

（1）采用壓力波動法準確測量出了0.6m連續式風洞壓縮機的喘振邊界，設置了合理的報警線和防喘振線，確保了壓縮機的安全運行，為掌握連續式風洞壓縮機喘振邊界測試積累了寶貴的經驗。

（2）采用矢量控制技術，通過等效變換，將異步電動機定子電流矢量分解為勵磁電流和轉矩電流進行控制，使得異步電動機調速的動態性能媲美直流電機，實現了壓縮機轉速的精確控制。

（3）通過總壓多變量控制策略研究，實現了壓縮機轉速對總壓的解耦控制，總壓控制精度優于0.2%。

（4）通過馬赫數多變量控制策略研究，在固定各馬赫數對應壓縮機轉速，閉環控制中心體開度的控制策略的基礎上，根據各變量對馬赫數影響特性，采用分段控制方案，實現了馬赫數的精度控制，控制精度優于0.002。

5 結束語

在0.6m連續式風洞中開展調試運行關鍵技術研究對積累大型連續式風洞調試經驗和技術儲備具有非常重要的指導意義。通過壓縮機調試運行關鍵技術研究，了解并掌握了壓縮機喘振邊界測試方法、壓縮機的防喘振控制以及安全運行監控等。其中“壓力波動法”在國內壓縮機喘振邊界測試中是首次成功應用，解決了“噪聲法”測量結果不準以及“振動法”測試風險大的難題；在馬赫數控制策略研究中，從各控制變量對馬赫數的影響特性出發，在諸多控制變量中實現了變量的解耦控制，找到了最佳變量組合實現了總壓和馬赫數的精確控制。

目前國內連續式風洞建設正處于起步階段，由于人才、技術和調試經驗的缺乏，還出現了其他一系列的問題。如：超聲速流場的建立問題；跨聲速工況下，中心體振動的問題；測力天平溫度效應的問題；壓縮機及風洞降噪的問題等等，都有待后續調試解決。

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Research on key technologies of debugging and operating in 0.6m×0.6mcontinuous transonic wind tunnel

Xiong Bo＊，Zhou Enmin，Cheng Song，Zhang Wen，Liu Kai，Luo Xinfu
（High Speed Aerodynamics Research Institute，China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China）

In order to reduce the risk of constructing a large－scale continuous wind tunnel，research on key technologies is carried out in the 0.6mwind tunnel of China Aerodynamics Research and Development Center，such as anti surge control and speed control of the compressor，Mach number control，and so on.Pressure fluctuation method is used to measure the surge margin of the compressor accurately，and the security of the compressor can be well ensured by setting a reasonable alarm line and surge line.Vector control technology is used to achieve the accurate control of speed，and the 0.03%control precision is achieved.The accurate control of Mach number is achieved by the function relationship between the compressor speed，chamber flow，the centrosome displacement and the Mach number，and the 0.002control precision is achieved.Through the research of the key technologies，the operation mode of fixing stagnation pressure and Mach number is realized.Due to the excellent quality of flow fields achieved in the wind tunnel，it is a good platform to carry out basic and leading research on the construction of large continuous wind tunnels.

continuous wind tunnel；debugging；compressor；flow field；control precision

V211.74

：A

（編輯：楊 娟）

1672－9897（2016）04－0081－06

10.11729／syltlx20150052

2015－04－06；

2015－12－01

＊通信作者E－mail：6643807＠qq.com

Xiong B，Zhou E M，Cheng S，et al.Research on key technologies of debugging and operating in 0.6m×0.6mcontinuous transonic wind tunnel.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（4）：81－86.熊 波，周恩民，程 松，等.0.6m連續式風洞調試運行關鍵技術研究.實驗流體力學，2016，30（4）：81－86.

熊波（1980－），男，四川眉山人，工程師。研究方向：高速風洞性能調試及優化。通信地址：四川綿陽211信箱2分箱（621000）。E－mail：6643807＠qq.com