風(fēng)機性能測試實(shí)驗裝置的開(kāi)發(fā)與教學(xué)應用

1、概述
化工過(guò)程流體機械是過(guò)程裝備與控制工程專(zhuān)業(yè)的主干核心課程，風(fēng)機性能測試試驗是該門(mén)專(zhuān)業(yè)課程中zui基本的試驗。學(xué)生們通過(guò)試驗調節風(fēng)機運行工況，獲取風(fēng)機運行參數，繪制風(fēng)機性能曲線(xiàn)，監測風(fēng)機運行狀況，風(fēng)機性能測試是成品風(fēng)機的檢驗、選型、改制，新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、研制的基礎，也是科學(xué)、合理、客觀(guān)地評價(jià)其產(chǎn)品質(zhì)量和性能的前提和基礎。多年的教學(xué)實(shí)踐表明，化工過(guò)程流體機械理論性強、課程抽象難懂和分析計算難度大，該試驗的開(kāi)設對于學(xué)生理解和掌握課程中眾多理論和原理內容有不可替代的作用，應保證理論教學(xué)與配套試驗教學(xué)同步開(kāi)展。
在借鑒國內企業(yè)及高校的相關(guān)設備的基礎上，執行《GB /T 1236—2000工業(yè)通風(fēng)機用標準化風(fēng)道進(jìn)行性能實(shí)驗》，結合理論和試驗教學(xué)的要求，本文介紹一種可移動(dòng)式風(fēng)機性能測試試驗裝置( 以下簡(jiǎn)稱(chēng)試驗裝置) ，該裝置能自動(dòng)采集風(fēng)機性能試驗數據、PID調整運行工況、處理并存儲數據，能自動(dòng)繪制風(fēng)機性能曲線(xiàn);試驗裝置可進(jìn)行風(fēng)機出口性能測試，運行穩定，振動(dòng)和噪聲較小，未出現喘振和失速現象，可利用該裝置開(kāi)展相關(guān)實(shí)踐教學(xué)及研究。
2 試驗臺的結構設計
2． 1 總體設計
試驗裝置既可以用于本專(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)試驗，又可以為本專(zhuān)業(yè)課的教師提供科研平臺，所以考慮投資少、占用面積少、操作方便、維護方便、性能可靠等要求，總體構思如下:
(1) 考慮試驗設備的小型化和學(xué)生操作的安全性，被測風(fēng)機選用為流量和功率較小的直流風(fēng)機。
(2) 為獲取被測風(fēng)機在設計流量下的完整性能，采用風(fēng)室試驗裝置，在風(fēng)室內安裝多噴嘴流量計，通過(guò)調整使用的噴嘴數，來(lái)滿(mǎn)足不同流量范圍的風(fēng)機性能試驗需要。
(3) 試驗過(guò)程中需調節風(fēng)機運行工況，獲取多個(gè)工作狀態(tài)的性能參數，因而，應設計可變排氣系統，并提出改變工作點(diǎn)的調節方案。
(4)風(fēng)機在不同轉速下的運行特性并不相同，風(fēng)機的轉速應設計為可調，并在同一測試中保持恒定，因而，需配備電壓可調穩壓直流電源，并設計被測風(fēng)機兩端電壓調解方案。
(5)為了后續的風(fēng)機性能研究，風(fēng)機性能測試試驗臺應對以下數據進(jìn)行記錄:噴嘴前后的差壓、噴嘴上游空氣溫度、噴嘴上游空氣濕度、大氣壓力、風(fēng)室靜壓、被測風(fēng)機兩端電壓和電流。
試驗臺總體由機械部分、電氣和數據采集系統組成。試驗臺機械部分主要包括測試風(fēng)機、風(fēng)室本體、輔助風(fēng)機、噴嘴、穩流網(wǎng)、風(fēng)機測試接口等，如圖1 所示。所測直流風(fēng)機由穩壓穩流電源提供的直流電壓驅動(dòng)，其進(jìn)口為自由進(jìn)風(fēng)的大氣，出口使用喉箍連接在測試接口管道，通過(guò)測試接口引風(fēng)至風(fēng)室，在風(fēng)室內實(shí)現性能參數測量和工作點(diǎn)調節，被測風(fēng)機可實(shí)現方便拆卸、安裝;試驗置使用輔助風(fēng)機克服通過(guò)試驗裝置時(shí)壓力的損失，通過(guò)變頻器控制輔助風(fēng)機的轉速，形成可變排氣系統。

圖1試驗臺機械部分示意
2．2風(fēng)室結構設計
風(fēng)室由有機玻璃搭建，內部尺寸為530mm×530mm×1400mm。為擴展流量測定范圍，采用在風(fēng)室中布置多噴嘴的流量測定辦法，選用喉徑比為0．6的橢圓母線(xiàn)噴嘴，共布置5個(gè)噴嘴，出口喉部直徑分別為15，25，30，40和70mm，可滿(mǎn)足測試風(fēng)量范圍10～816m³/h。設計檢查門(mén)，以方便操作人員在風(fēng)機改變流量時(shí)對噴嘴開(kāi)啟情況進(jìn)行相應的調整。在測量噴嘴前后各布置3層整流網(wǎng)，上游整流網(wǎng)是確保進(jìn)入測量平面前氣流的均勻性，下游整流網(wǎng)為了吸收噴嘴射流的動(dòng)能，并讓射流在近似不受限制的空間內正常膨脹?？紤]到出口系統效應的影響，被測風(fēng)機出口的接口管道至少應保證3倍管徑的直管段，以消除不穩定氣流和湍流。
2．3工況調節系統設計
為實(shí)現工作工況的調節和測量，試驗裝置針對風(fēng)室靜壓和被測風(fēng)機電源電壓，采用PID調節技術(shù)，設計了工況自動(dòng)化調解方案。試驗裝置的自動(dòng)控制通過(guò)指示調節器實(shí)現，每次調節輔助風(fēng)機頻率改變工況后，修正風(fēng)機端電壓，端電壓修正后輔助風(fēng)機頻率又需再次調整，如此反復，直至工況趨于穩定，測試風(fēng)機端電壓恒定，風(fēng)室靜壓為設定值。這樣既可以模擬風(fēng)機進(jìn)、出口靜差壓近似為零的zui大流量工況，也可以設定相應的空氣阻力進(jìn)行調節。
2．3．1風(fēng)室靜壓控制
風(fēng)機所產(chǎn)生的升壓的一部分即靜壓用于克服管路中的阻力，風(fēng)機運行穩定時(shí)，靜壓力與阻力相等，也就是位于工作點(diǎn)位置，使被測風(fēng)機在“定靜壓”下達到一定的流量，以控制被測風(fēng)機的工況點(diǎn)，從而得到風(fēng)機性能曲線(xiàn)。
風(fēng)室靜壓控制系統屬于典型的閉環(huán)控制，是實(shí)時(shí)的靜壓變送器、計算機和變頻器三者之間閉合的三角關(guān)系。當被測風(fēng)機運轉時(shí)，由傳感器讀取的當前靜壓值，與計算機設定靜壓值進(jìn)行比較，如果當前靜壓值高于設定靜壓值，則需加大輔助風(fēng)機的抽氣量、提高變頻器頻率，使排出管路阻力損失減小，調節器放大系數為負，該調節器設置為正作用，如圖2 所示。

圖2風(fēng)室靜壓控制回路
2．3．2風(fēng)機電源電壓控制
所測直流風(fēng)機由穩壓穩流電源提供的可調直流電壓驅動(dòng)，風(fēng)機轉速與輸入電壓成正比，通過(guò)改變直流穩壓電源的輸出電壓來(lái)調節風(fēng)機在不同轉速下的運行工況，實(shí)際運行時(shí)由于電機繞組絕緣耐壓的限制，電機的電壓不可能大于額定電壓，否則擊穿電機，通常采用降壓調速方式。風(fēng)機電源電壓控制如圖3所示，調節器選擇反作用調節方式。

圖3被測風(fēng)機電源電壓控制回路
實(shí)現風(fēng)機運行工況自動(dòng)調節的關(guān)鍵為指示調節器，本裝置采用UT3通用型數字指示調節器，接受變送器送來(lái)的信號，與給定信號進(jìn)行比較，對其差值進(jìn)行比例、積分、微分運算，即PID調節，以電流輸出或電壓脈沖輸出控制執行機構。該指示調節器的特點(diǎn):性能，配備有調節器的性能，包括基于梯形圖語(yǔ)言的順控功能，支持以太網(wǎng)、PROFIBUS－DP以及RS－485*1通信協(xié)議，14段大屏彩色液晶顯示器，以及導航鍵等操作向導功能;結構緊湊，進(jìn)深65m;控制周期200s，工步數300步，專(zhuān)門(mén)用于制造裝置的單回路控制。
2．4電氣和數據采集系統設計
所有電氣和數據采集系統均安裝在控制柜內，方便裝置的操作，又能防止學(xué)生人為誤動(dòng)，引發(fā)裝置損壞或人員觸電等安全事故。試驗裝置的供電需求有:變頻器、輔助風(fēng)機的380V交流供
電，計算機、打印機等設備的220V交流供電，被測風(fēng)機0－30V的可調節直流供電，及數據采集系統的24V恒定直流供電。220V電源上加裝了canny well單級電源濾波器，以過(guò)濾交流電傳輸過(guò)程中的高次、低次電源雜音，改善電源質(zhì)量;負載上游安裝ABS54B－40A微型斷路器，實(shí)現短路和過(guò)載電流保護、隔離，可保護負載，防止人員間接接觸;設置GMC型交流電磁接觸器，根據控制柜上的按鈕開(kāi)關(guān)發(fā)出的控制信號，實(shí)現裝置的停車(chē)、啟動(dòng)功能。
各傳感器實(shí)現現場(chǎng)物理信號到電信號的轉換，如圖4所示，通過(guò)接口端子將電信號轉換為數字信號，數據采集模塊選用研華ADAM4117模塊，采集傳感器電壓、電流信號，用RS485接口傳輸至計算機。

圖4數據采集系統示意
采用Visual C++編制風(fēng)機性能測試程序，主要實(shí)現以下功能:完成風(fēng)機性能曲線(xiàn)的測定，可實(shí)現調零、輸入風(fēng)機型號及操作者信息、噴嘴選擇、所有參數信息采集、數據處理、對各輸入狀態(tài)實(shí)時(shí)數字顯示和波形顯示、生成實(shí)驗報表及實(shí)驗報告的打印、歷史查詢(xún)和幫助;設定風(fēng)室靜壓和測試風(fēng)機電壓值，設置實(shí)驗工況點(diǎn);具有手動(dòng)、人工自動(dòng)、全自動(dòng)3種測試模式，能夠實(shí)現對被測風(fēng)機電壓、變頻器等自動(dòng)控制;能自動(dòng)對風(fēng)機性能做出判別，可對判穩條件，即平均值和均方差的偏差值進(jìn)行設定;具有狀態(tài)指示、報警和保護功能。
3、參數計算方法
風(fēng)機的性能參數主要有風(fēng)量Q、升壓ΔP、功率和效率，當風(fēng)機壓比大于1．02和基準馬赫數大于0．15時(shí)，應采用如下可壓縮流體的一般計算方法。
3．1風(fēng)量的計算
使用多噴嘴流量計來(lái)測試風(fēng)量，依據流體力學(xué)的節流原理，通過(guò)測量噴嘴前后的差壓來(lái)測量流體流量的大小。按可壓縮氣體流動(dòng)方法對氣體壓縮性進(jìn)行修正，考慮氣流雷諾數的影響，對多噴嘴的流量計算采用迭代法。

式中ρu———噴嘴上游空氣密度，kg/m³，可按照濕空氣氣體常數法，根據溫濕度和壓力進(jìn)行計算
di———噴嘴直徑，m
αi———噴嘴流量系數
測試系統采用長(cháng)頸比為L(cháng)/d = 0．6的流量噴嘴，流量系數為:

3．2升壓ΔP計算
風(fēng)機升壓是指風(fēng)機進(jìn)口截面(1截面) 與出口截面(2截面) 氣體的全壓之差，即單位體積的氣體流過(guò)風(fēng)機后所獲取的總能量。通過(guò)伯努利方程分析可知:

式中Psc———靜風(fēng)壓，即風(fēng)機有效利用的能量，由風(fēng)室上游的靜壓變送器獲取，Psc=P2－P1
Pd———動(dòng)風(fēng)壓，即風(fēng)機中未被利用的能量，
因為風(fēng)機出口處氣體流速u(mài)2比較大，因此動(dòng)風(fēng)壓不能忽略，風(fēng)機的升壓為靜風(fēng)壓和動(dòng)風(fēng)壓之和。
3．3功率的計算
風(fēng)機所輸送的氣體在單位時(shí)間內從風(fēng)機中獲取的能量稱(chēng)為全壓有效功率，對于風(fēng)機，忽略其壓縮性，視為不可壓縮流體:Pe = ΔPQ   (4)
風(fēng)機的靜壓有效功率為Pest:Pest = ΔPstQ   (5)
被測風(fēng)機為直流電源驅動(dòng)，其軸功率P 為電
壓U和電流I之積:P=UI   (6)
3．4效率的計算
效率表征能量利用和轉換的程度，是反映風(fēng)機性能優(yōu)劣的重要參數，主要指標有全壓效率η和靜壓效率ηst，分別為全壓有效功率Ps和靜壓有效功率Pest與風(fēng)機軸功率P之比。
試驗時(shí)，使風(fēng)機在一定轉速下運轉，測出對應于不同靜壓的風(fēng)量、全壓、功率和效率等參數，風(fēng)機性能測試的結果應按相似定律轉化為給定轉速和標準進(jìn)氣狀態(tài)下的空氣動(dòng)力性能參數，以便于風(fēng)機性能進(jìn)行比較。將所得數據整理后用曲線(xiàn)表示，即得到風(fēng)機的特性曲線(xiàn)。
4、教學(xué)效果
為了驗證該測試系統的正確性，對1#直流通風(fēng)機在電壓12V、風(fēng)室靜壓100Pa工況下，重復做6次試驗，每次試驗選取不同的噴嘴，所測該工況下風(fēng)量大小及相對于6組數據平均值的誤差見(jiàn)表1，數據基本吻合，zui大重復性*．59%?？梢?jiàn)，試驗測試結果與噴嘴的選取無(wú)關(guān)，數據穩定，重復性誤差小，因而，該試驗臺達到了設計要求，有較好的氣密性，測試手段合理，測試儀表采樣精度高，數據處理方法正確。先進(jìn)的測試技術(shù)和的測試結果，提高了試驗教學(xué)質(zhì)量，培養了大學(xué)生嚴謹細致的科學(xué)作風(fēng)。
 

表1風(fēng)量測試對比
試驗臺嚴格按照《GB/T 1236—2000工業(yè)通風(fēng)機用標準化風(fēng)道進(jìn)行性能實(shí)驗》設計制造，并在試驗前由學(xué)生按照標準自行設計試驗方案和數據后處理方案，在試驗過(guò)程中嚴格執行標準相關(guān)要求，加強了標準化培養和教育，激發(fā)了大學(xué)生對標準化測試和生產(chǎn)的關(guān)注和意識，提高了大學(xué)生標準化素質(zhì)。
被測風(fēng)機選用為流量和功率較小的直流風(fēng)機，降低了相應的風(fēng)室、管路、噴嘴和輔助風(fēng)機等裝置的成本，大大降低了裝置運行過(guò)程中的噪音。
被測風(fēng)機運行工況的調節，通過(guò)UT3指示調節器進(jìn)行PID自動(dòng)調節，一方面可實(shí)現工況點(diǎn)調節的化，另一方面，PID調節應用實(shí)例使抽象的控制理論具體化，加深了對理論知識的理解，另外，該裝置的風(fēng)室靜壓控制回路為典型的正作用調節，為裝備過(guò)程控制知識體系增加了正作用應用實(shí)例。試驗裝置預留數據采集接口，可讓學(xué)生自主編程設計相關(guān)試驗，達到綜合性、設計性試驗教學(xué)目標。試驗裝置綜合了風(fēng)機性能、噴嘴流量測量、變頻調速、PID控制、控制儀表、傳感技術(shù)、數據采集等知識點(diǎn)，能讓學(xué)生對所學(xué)理論知識進(jìn)行綜合運用，對于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習，培養創(chuàng )新能力有較大的幫助。