Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние проблемы. Постановка задач исследования стр. 7
1.1. Аэродинамика нестационарных процессов в проточной части и помпаж стр. 7
1.2 Общая характеристика нестационарных процессов стр. 12
1.3 Виды вращающегося срыва, возникающие в центробежном компрессоре стр. 17
1.4. Постановка задач и целей исследования стр. 20
2. Объекты исследования стр. 22
3. Методика экспериментального исследования стр. 30
3-1 Выбор метода экспериментального исследования стр. 30
3.2 Автоматизированная система для исследования нестационарных аэродинамических процессов стр. 32
3.3 Выбор метода диагностирования предпомпажного
состояния и способа определения информативных признаков стр. 3 8
4. Методика обработки данных стр.48
4.1 Выбор способа обработки данных стр. 48
4.2 Свойства цифровых записей исследуемых процессов стр. 61
4.3 Описание программного комплекса и процедур обработки данных, используемых в системе диагностики стр. 64
4.4 Принцип действия разработанной системы диагностики предпомпажного состояния стр. 85
5. Результаты экспериментального исследования стр. 89
5.1 Экспериментальное исследование ступеней с лопаточными
диффузорами стр. 91
5.1.1 Серия экспериментов "KZ" стр. 91
5.1.2 Серия экспериментов "NC" стр. 123
5Л.З Эксперимент "KZ-5" стр. 153
5.2 Экспериментальное исследование ступеней с
безлопаточными диффузорами. Серия"КВ" стр. 157
6. Анализ полученных результатов стр. 191
6.1 Серия экспериментов "KZ" стр. 193
6.2 Серия экспериментов "NC" , стр. 194
6.3 Серия экспериментов "RB" стр. 195
6.4 Результаты работы системы диагностики предпомпажного состояния стр. 196
6.5 Источники возникновения срыва стр. 197
7. Рекомендации по использованию системы стр. 223
Выводы стр. 229
Список использованной литературы стр. 231
- Общая характеристика нестационарных процессов
- Автоматизированная система для исследования нестационарных аэродинамических процессов
- Описание программного комплекса и процедур обработки данных, используемых в системе диагностики
- Серия экспериментов "NC"
Введение к работе
Компрессоры являются одной из важнейших технологических и энергетических частей оборудования для повышения давления и транспортировки газов. Они используются в технологических процессах химической, нефтехимической нефтяной, угольной и газовой промышленности, металлургии, энергетике, машиностроении и других промышленных отраслях,
Центробежные компрессоры обладают такими преимуществами (по сравнению с компрессорами объемного действия), как хорошие массогабаритные показатели, отсутствие возвратно-поступательного движения, высокая технологичность конструкции, равномерная подача газа, отсутствие загрязнения газа маслом и возможность непосредственного соединения компрессора с высокооборотным приводом.
Диапазон применения центробежных компрессоров постоянно растет как по производительности» так и по достигаемым давлениям нагнетания. Постоянно растет число центробежных компрессоров в сфере компрессоров общего назначения, развивается производство центробежных компрессоров высокого и сверх высокого давления. Химическая и нефтехимическая промышленности, а также металлургия являются потребителями центробежных компрессоров специального назначения- Большое количество центробежных компрессоров используется в нефтяной и газовой промышленности при добыче нефти, газлифте, газосборе и транспортировки газа. Также очень широко центробежные компрессоры применяются в двигателях транспортных установок, в частности для наддува ДВС.
Широкое применение центробежных компрессоров в различных отраслях промышленности ставит задачи повышения надежности как отдельных деталей и элементов компрессоров, так и работы всей компрессорной установки в целом. Надежность компрессора определяется рядом факторов, из которых важнейшими являются динамическая прочность и
-»тч(> n*v
,«u-V3v;..*'
У Л. !..11::1
' vj!*4 ^|!і! . ,:!'
-4 »г« - - fl1
ПНІ.'
1« і: <-'j
'ї В * Я ] * [» Н ї Н* -tM * * » f » ї >Ч Ч i-a^^-Mi-li* І -и ' *
?т-у_0 ді^ірчп-і.-ч-. 44- ii«Tvnt,T!V,fV',<,*TwnT'"'f1-'*<"'"**"l'1
k-.g-t.*^*- !<"-#** —44-- 4-4-1,-4,1-4-^4-^-^,-4--,-14-11 --,.-,^^--4-
33» ЛИ 4Ь
Рис. 4-8 Г"
результата функционирования
состояния; а) оредсрыв; б) вращшсшх
6 экономичность и надёжность.
Проблема обеспечения устойчивой работы компрессора в широком диапазоне изменения производительности, частоты вращения ротора и т.п. имеет очень большое значение, особенно при повышенном уровне давления перекачиваемой среды (нагнетателей природного газа, цикловых компрессоров химических производств). Для этого необходимо исследование нестационарных процессов в центробежных компрессорах с применением современных малоинерционных измерителей и процедур обработки информации, пригодных для периодических процессов, происходящих на фоне высокого уровня случайных составляющих, характерных для турбулентного потока с крупномасштабными пульсациями из-за отрывного характера движения газа в проточной части. Сложный характер процессов заставляет применять процедуры статистического анализа, в частности корреляционный анализ, что позволяет глубже понять физику процесса и обнаружить появление характерных процессов, в том числе вращающегося срыва, прогнозируя тем самым возможность попадания компрессора в зону помпажа. Построение систем антипомпажного диагностирования на основе предлагаемых принципов позволяет увеличить надёжность установок, расширить диапазон работы. Таким образом, тема диссертации является актуальной для компрессоростроения.
Общая характеристика нестационарных процессов
Построение классификации нестационарных процессов в центробежном компрессоре важно как для физического анализа явлений, так и для организации процедуры исследования и выбора информативных признаков процессов- В работе [ 16 ] представлена классификация, на основе которой предлагается современный вариант (см. рис. 1.1),
В соответствии с классификацией, нестационарные процессы делятся на две группы; аэродинамические и аэроупругие. Аэроупругость (аэродемпфирование и различные виды флаттера) проявляется преимущественно в осевых турбомашинах. В центробежных турбомашинах эти процессы могут иметь существенное значение в ступенях с полуоткрытыми и открытыми осерадиальными колесами, а также в компрессорах высокого и сверхвысокого давления, причем большую роль могут играть эффекты аэроупругого взаимодействия ротора и статора, включая уплотнения. Поскольку в данной работе анализируются результаты, полученые на ступенях, имеющих рабочие колеса закрытого типа, аэроупругие процессы не рассматриваются. Везде предполагается отсутствие связи аэродинамических и упругих характеристик системы. Во всех случаях рассматривается только дозвуковое течение.
В соответствии с предлагаемой классификацией (рис. 1.1), аэродинамические процессы делятся на три класса: детерминированные, квазидетерминированные и случайные. Детерминированные процессы делятся на переходные и периодические (почти периодические). Переходные (неустановившиеся) процессы происходят во время изменения режима работы компрессора, определяемого частотой вращения ротора, сопротивлением сети и т.п. Эти процессы играют важную роль для компрессоров транспортных установок, доменных компрессоров, цикловьтх компрессоров химических производств и нагнетателей природного газа. Изучение этих процессов не входило в число задач, необходимых для решения поставленной в нашей работе проблемы. Во всех рассматриваемых далее случаях предполагается, что режим работы "установившийся" т.е. сопротивление сети и частота вращения ротора фиксированы. Отметим, что присутствовавшие на самом деле сверхнизкочастотые флуктуации привели к некоторым неточностям в расчете.
Периодические процессы делятся на три группы [16]. Первая группа включает процессы, создаваемые неравномерностью распределения аэродинамических величин по угловой (окружной) координате (по шагу решеток р.к. и л.д., углу охвата несимметричных входных и выходных устройств). Эта неравномерность существует практически на всех режимах работы, в том числе и на оптимальных. Вращеіше ротора преобразует пространственную (окружную) неравномерность распределения аэродинамических величин в нестационарное течение. Соответственно шаговая неравномерность давления и скорости в р.к. создает нестационарное периодическое течение в диффузоре и других неподвижных элементах, а неравномерность распределения в неподвижных элементах вызывает нестационарное течение в р. к.
По характеру возбуждения пульсации, вызванные окружной неравномерностью, имеют вид вынужденных колебаний с частотой, равной отношению частоты вращения ротора к пространственному периоду неравномерности. Элементы проточной части компрессора являются открытыми резонаторами, поэтому возможно возбуждение пространственных резонансов при близости значении частоты возбуждающего процесса и собственной частоты резонатора (и соответствующей фазировке). Это явление называется аэродинамическим резонансом и имеет общие черты с акустическим резонансом, возникающим при колебании лопаток осевой решетки.
Рассмотрим функциональную схему проточной части ступени центробежного компрессора (рис, 1,2)- Неравномерность во входных элементах создает флуктуации, распространяющиеся по потоку в р.к. а пульсации, создаваемые неравномерностью в неподвижных элементах за колесом, распространяются против потока в р. к. Соответственно неравномерность в РК создает флуктуации во входных элементах, распространяющиеся против потока, и в неподвижных элементах за колесом - по потоку.
Поскольку нестационарные процессы, создаваемые неравномерностью распределения аэродинамических величин по окружной координате, возникают благодаря вращению ротора, их частота, определяемая пространственной протяженностью области неравномерности, может быть одинакова. Это существенно затрудняет анализ роли элементов, находящихся перед и за колесом, на флуктуации в колесе.
Вторая группа периодически нестационарных процессов включает процессы, вызванные потерей устойчивости движения в проточной части (вращающийся срыв) или во всей системе "компрессор-сеть" (помпаж). Это типичные автоколебательные процессы, т. е. их параметры определяются свойствами системы, в которой они возникли, а не частотой внешнего возмущения (проблема субгармонических или ультрагармоническаих резонансов, характерная для нелинейных автоколебательных систем, дополнительно усложняет задачу),
Автоматизированная система для исследования нестационарных аэродинамических процессов
Для получения измерительной информации была использована информационно-измерительная система кафедры КВиХТ (рис, 3.2) [ 16 , 15 ]. В состав системы входят каналы измерения быстроменяющегося давления, канал синхронизации, цифровая подсистема, персональный компьютер, а также осциллографы и частотомер. Работа системы производится под управлением специального программного обеспечения.
Каждый канал измерения давления состоит из малогабаритного малоинерционного датчика пульсаций давления тензометрического типа, усилителя и линии связи, соединяющей датчик с усилителем (рис. 3,3 ), В ходе экспериментов применялось от 6 до 8 каналов. Использовались датчики пульсаций давления трех типов.
Датчик давления разработки ЛПИ [ 16 ] имеет болтовую конструкцию, которая обеспечивает пневматический канал минимальной длины (рис. 3.4); датчик устанавливается в проведённых экспериментах на входе в БЛД или ЛД, Пневматический канал датчиков разработки ЗАО МЭП (рис, 3,5) образован подводящим штуцером длиной до 25 мм, эти датчики применялись только для измерения низкочастотных пульсаций давления (менее 200 Гц) и устанавливались на выходе диффузора и в поворотном колене- Датчики фирмы ENDEVCO (рис 3.6) имеют диаметр рабочей части 3 мм, наибольшая из трех используемых типов датчиков чувствительность определила их применение для измерения сигналов низкой интенсивности- Все датчики имеют чувствительные элементы давления интегрального типа, выполненные из монокристаллического кремния с тензорезисторами диффузионного типа, которые соединены по мостовой схеме. Датчики проградуированы по давлению и температуре, частотная характеристика определялась с помощью ударной трубы [ 16 ],
Усилитель (рис. 3.2 ) образован токовым дифференциальным усилителем УТД, который обеспечивает питанием мостовую схему датчика и преобразует дифференциальный сигнал от моста датчика в униполярный, масштабирующим усилителем УС с переменным усилением (К-1,2,5,10) и фильтрами низкой и высокой частоты (ФНЧ и ФВЧ). [ 16 ].
Канал синхронизации образован индукционным датчиком стенда ЭЦК-4, соединенным линей связи с усилителем - формирователем УФ и таймером БТЦ. Цифровая подсистема построена на основе блоков ВЕКТОР — КАМАК и состоит из блоков [16] аналога - цифровых преобразователей АЦП типа ФК4225 (10 двоичных разрядов, цикл преобразования 1,5 мкс, емкость памяти 8Кб), по одному на каждый канал измерения давлений, буферных запоминающих стройств МЗУ (емкость памяти — 128 Кб, разрядность 12 двоичных разрядов) по одному на каждый АЦП, блока синхронизации МУС, обеспечивающего синхронные измерения до 8 блоков АЦП по сигналам от таймера БТЦ канала синхронизации, контроллера ПКК, обеспечивающего работу цифровых блоков под управлением персонального компьютера PC.
Цифровая подсистема обеспечивает параллельный сбор измерительной информации по нескольким (до 8) каналам измерения давления в полосе 0.. .50 кГц, емкостью до 69632 отсчётов на канал- Персональный компьютер PC типа ДВК - 2М управляет начальными уставками цифровой подсистемы и сбором данных. Программное обеспечение персонального компьютера специально разработано для ведения сбора данных в темпе эксперимента и написано на ассемблере и языке Pascal. Собранные данные записываются на магнитный носитель (диск) для дальнейшей обработки на PC более высокого уровня в формате RT-11.
Осциллографы используются в системе для оперативной оценки параметров и областей существования нестационарных процессов, а также контроля функционирования информационно-измерительной системы.
В целом система измерения показала применимость для исследования широкого класса нестационарных процессов в проточной части центробежного компрессора и высокую помехоустойчивость при работе в условиях высоких электрических помех.
Описание программного комплекса и процедур обработки данных, используемых в системе диагностики
В языке программирования Agilent VEE написание программы происходит с помощью элементов, называемых объектами. Объекты - это отдельные части программы, они выполняют разнообразные функции, например ввода-вывода, анализа или представления информации. Написание программы заключается в установлении связей между объектами, при этом даные передаются последовательно от одного объекта к другому. В качестве основы в Agilent VEE использована интегрированная техническая комплексная платформа MATLAB, которая связывает между собой численные операции, графическое отображение и языки программирования. Система обеспечивает высокое быстродействие и может использоваться в ситемах реального времени, в том числе с применением цифровых сигнальных процессоров (DSP).
Исходными данными для работы рассматриваемой программы служили записи пульсаций давления, сделанные проф. Р.А. Измайловым и др., уже упоминавшиеся выше. Работа программы начинается с чтения этих данных и преобразования их в формат, удобный для дальнейшей обработки. Далее исходные значения умножаются на соответствующие коэффициенты чувствительности для перевода значения сигнала из милливольт в единицу измерения давления (Па). Программа работает с данными от всех шести датчиков давления, использованных при эксперименте.
Пример необработанного файла записи приведён на рис, 4 Л. На начальном этапе имеется возможность просмотра исходных данных на экране (компьютера) с возможностью изменения масштаба изображения по обеим осям. Затем сигнал подвергается предварительной обработке. Первым этапом предварительной обработки является удаление (локальных) выбросов. Следующим этапом является удаление линейного іренда и фильтрация сигнала. Тренд удаляется штатной функцией Agilent VEE - "detrend(x)", а для фильтрации применены два специально спроектированных для этого фильтра.
В основе обоих фильтров лежит алгоритм синтеза дискретного фильтра Чебышева второго типа [ 51, 4, 27, 30 ]. Это рекурсивный фильтр, использующий метод билинейного z-преобразования. Фильтры Чебышева второго рода имеют амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), монотонно спадающую в полосе пропускания и равномерно пульсирующую в полосе задерживания. По сравнению с фильтрами Чебышева первого рода фильтры второго рода обеспечивают менее крутой спад АЧХ в переходной зоне между полосами пропускания и задерживания, зато их АЧХ не имеет пульсаций в полосе пропускания. При использовании метода инвариантной импульсной характеристики происходит дискретизация импульсной характеристики аналогового прототипа- Частотная характеристика получающегося дискретного фильтра, соответственно, представляет собой периодически повторенную частотную характеристику аналогового прототипа. По этой причине данный метод непригоден для синтеза фильтров верхних частот и вообще фильтров, коэффициент передачи которых не стремится к нулю с ростом частоты.
При использовании метода билинейного z-преобразования происходит искажение характеристики аналогового прототипа только вдоль частотной оси. При этом частотный диапазон аналогового фильтра (от нуля до бесконечности) преобразуется к рабочему диапазону частот дискретного фильтра (от нуля до половины частоты дискретизации). Преобразование частотной оси описывается функцией арктангенса, поэтому частоты, значительно меньшие частоты дискретизации, преобразуются приблизительно линейно- В использованном программном продукте имеются готовые функции расчета фильтров нижних и верхних частот, полосовых и режекторных фильтров методом билинейного z-преобразования по аналоговым прототипам с АЧХ Баттерворта, Чебышева первого и второго рода, а также Кауэра (эллиптические фильтры) [ 4, 27,30, 38].
Таким образом, первый фильтр был спроектирован полосным, с полосой пропускания от 2 до 600 Гц в случае данных с частотой дискретизации
27777 Гц и более, и с полосой пропускания от 2 до 200 Гц в случае данных с частотой дискретизации 1111 Гц и менее. Второй использованный фильтр -фильтр низкой частоты, с частотой среза 100 Гц (во всех случаях)- Таким образом, пропускаемый диапазон частот составил 2.-Л00 Гц, Нами намеренно были удалены все высокочастотные сигналы, так как мы заранее знаем, что исследуемый нами процесс имеет низкочастотный характер, [ 16 ]
Также при процессе фильтрации была использована специальная функция Agilent VEE и MATLAB "filtfilt(x) \ которая позволяет компенсировать фазовый сдвиг, вносимый при обычной фильтрации (иными словами, данная функция реализует фильтрацию без внесения временной задержки). Осуществляется это путем двунаправленной обработки сигнала. Первый проход фильтрации осуществляется обычным образом, а затем полученный выходной сигнал фильтруется повторно - от конца реализации к началу. За счет этого происходит компенсация фазовых сдвигов, а результирующий порядок фильтра увеличивается в два раза. [ 51, 38 ]
За процедурой фильтрации следует нормировка сигналов по амплитуде. Во всех дальнейших расчетах принимают участие сигналы, нормированные по среднеквадратичному отклонению с. На рис, 4.2 приведён пример предварительно обработанной записи пульсаций.
После процесса фильтрации имеется возможность наблюдать поведение сигналов от всех шести (либо четырех) датчиков давления и построить автокорреляционные функции этих сигналов по всей длине с использованием окна, ширина которого регулируется вручную (рис. 4.3),
Ниже приводятся примеры записей сигналов попарно от датчиков, расположенных в одинаковых сечениях (рис, 4.4), а также вычисляются частотные спектры сигнала с использованием быстрого преобразования Фурье (рис, 4.5), Основное назначение преобразования Фурье - выделить частоты регулярных составляющих сигнала, зашумленного помехами. [ 4, 24, 27, 30 ] На этом же этапе производится расчет кросс-корреляционных функций от датчиков расположенных в одинаковых сечениях (рис. 4,6)
Серия экспериментов "NC"
Относительные угловые скорости перемещения зон срыва на этом режиме изменяются в произвольном порядке, а число срывных зон в результате расчета равно нулю. При переходе к режиму минимального расхода, зафиксированного при аэродинамическом эксперименте (Ф=0,044, ii —2, а2=14, ij=3, i5 =12 ) сигналы от датчиков пульсаций давления ведут себя так, как представлено на рис, 5Л,50а и 5-506- На данном режиме хорошо заметны низкочастотые колебания, соответствующие вращающемуся срыву. Периоды автокорреляционных функций сигналов (Тср= 107 мс) от всех датчиков практически совпадают (рис, 5Д.51), а уровни достигаемого максимума превышают 0,6 (рис. 5.1.52). Моменты срабатывания системы обнаружения вращающегося срыва изображены на рис. 5.1 -53.
Вычисленные относительные окружные скорости на входе в диффузор флуктуируют от 0 до 0,4, а число зон срыва флуктуирует между 0 и 1. В сечении за диффузором рассчитанная относительная угловая скорость вращения примерно равна 0» а число зон по результатам расчета также равно нулю, что соответствует режиму "стоячего" срыва Аналитический сигнал, построенный на основе преобразования +н Гильберта, на этом режиме носит хорошо упорядоченный характер и имеет высокие амплитуды как для сигналов перед лопаточным диффузором, так и за ним (рис. 5Л.54а-5.1.54в)и (рис. 5.1.55а-5Л.55в).
Сигналы, полученные в результате процедуры синхронного накопления, для данного режима изображены на рис. 5.1.56а и 5.1.566.
Эксперименты NC-2 и NC-4 проводились с большими окружными скоростями, чем предыдущие (u2 = 275 м/сек). Отличие этих экспериментов друг от друга заключается в том, что в эксперименте NC-4 на рабочем колесе Ф была выполнена так называемая "ромашка". Это различие в геометрической структуре рабочих колес привело к тому, что несмотря на меньшие значения коэффициента расхода Ф и угла выхода потока из рабочего колеса при эксперименте с РК с "ромашкой" появление вращающегося срыва в ступени (на последнем режиме при аэродинамическом эксперименте) обнаруживалось гораздо хуже, нежели в эксперименте с рабочим колесом без "ромашки".
В основном нестационарные процессы в экспериментах при повышенных окружных скоростях аналогичны рассмотренным при испытаниях с окружными скоростями u2 = 206 м/сек. При этом наблюдается лишь повышенный уровень хаотичности пульсаций давления, что объясняется повышенной турбулентностью.
При переходе к режиму минимального расхода, зафиксированного при аэродинамическом эксперименте (Ф=0,049, ii =0, а2=140, із=3, is =12), сигналы от датчиков пульсаций давления ведут себя так, как представлено на рис. 5Л,57а и 5.576. На данном режиме заметны участки, где хорошо проявляются низкочастотные колебания, соответствующие вращающемуся срыву- Периоды автокорреляционных функций сигналов (Tq,- 98 мс) от всех датчиков практически совпадают (рис. 5.1.58), а уровни достигаемого максимума иногда превышают 0,6 (рис- 5Л.59), однако на входе в диффузор периоды автокорреляционных функций хаотически изменяются во времени, а уровни достигаемых максимумов невелики. Моменты срабатывания системы обнаружения вращающегося срыва на данном режиме изображены на рис. 5.1.60.
Между сигналами от датчиков, расположенных перед диффузором, на всем протяжении записи наблюдаются небольшие хаотические сдвиги фаз, а между сигналами от датчиков, расположенных за диффузором, сдвига фаз не обнаружено. Вычисленные относительные окружные скорости перемещения зон срыва на входе в диффузор флуктуируют от -ОД до 0,1, а число зон срыва изменяется от -4 до 2. В сечении за диффузором относительная угловая скорость вращения зон срыва хаотически изменяется, а число зон равно нулю.
Аналитический сигнал, построенный на основе преобразования Гильберта, на этом режиме имеет произвольную форму в сечении замера перед диффузором (рис, 5Л-61а- ЗЛ.61в) и близок к тому состоянию, по которому можно диагностировать вращающийся срыв, в сечении замера за диффузором и (рис. 5.L62a- 5.1.62B).
Во время эксперимента с промежуточным типом проточной части ("KZ-5"), наблюдались такие же явления, как и при предыдущих экспериментах. Можно отметить лишь отсутствие данных при режимах от минимального расхода до оптимального. При проведении этого эксперимента поведение пульсаций давления было в основном аналогичным всем предыдущим экспериментам- Отличием этого эксперимента от предыдущих является небольшая интенсивность обнаруженного вращающегося срыва, зафиксированного при следующих аэродинамических показателях: (Ф=ОД)384, їі=6, 02-15,5, 1з=2, 15-13). Это может быть объяснено нахождением рабочей точки при минимальном расходе несколько правее, чем в предыдущих экспериментах и большим углом выхода потока из рабочего колеса а2 Пульсации давления на режиме срыва представлены на рис. 5.1.63, вид АКФ для этого режима на рис, 5Л.64, а карта срабатываний системы диагностики предпомпажного состояния на рис. 5.1.65.
При этом наблюдается отсутствие сдвигов фаз меящу сигналами датчиков, расположенных на одинаковых диаметрах измерения как за лопаточным диффузором, так и перед диффузором. Относительные угловые скорости зон срыва за и перед диффузором равны нулю. Полученное в результате расчета число зон срыва равно нулю. АКФ, рассчитанные на этом режиме, имеют невысокие уровни (больше 0,4, но меньше 0,6) и периоды около 92 мс. Система обнаружения вращающегося срыва почти всегда сообщает об обнаружении "стоячего" срыва небольшой интенсивности.
