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廣州市譜源氣體有限公司
標準氣減壓器的安全使用
2009-4-14 21:17:00
為了風洞試驗驗證對比，我們從一族新設計翼型中選出FJZX08、FJZX10和FJZX12三個翼型，其參數見表2，還選用了兩個常用翼型CLARK—Y(相對厚度為11.7%)和RAF—6E(相對厚度10.2%)，一共加工了5個翼型模型進行風洞試驗，各翼型形狀如圖1所示。考慮到使用雷諾數比較低，因此，有可能要求新設計翼型翼面上保持較長的層流段，以便降低阻力，提高升阻比。但是，過長的層流段，會使翼型在非設計狀態下的性能迅速變壞。因此，我們規定50%層流段作為設計目標。軸流風機葉輪的氣動性能是決定風機性能好壞的主要因素，而葉輪葉片的剖面形狀(翼型)又是決定風機性能的關鍵。有關文獻中已有許多種翼型，其中最先進的莫過于航空上使用的飛機機翼翼型；其它領域或行業對翼型的研究沒有投入或投入較少，常常參照采用航空用翼型。但是，由于使用條件，特別是雷諾數的差異太大，簡單采用航空的已有翼型作為風機葉輪葉片形狀，并不能充分發揮翼型的最佳作用。因此，我們采用航空科學上的先進氣動設計分析技術，針對風機的使用條件，設計出系列風機專用翼型，經過風洞試驗驗證，新翼型的性能高于原有翼型。用同樣的風機設計方法，而葉輪剖面采用兩種不同的翼型——新翼型和原有翼型設計風機，在風機試驗臺上進行對比試驗，結果表明采用新翼型的風機效率高于原有翼型。按照德國DIN24163-2、英國BS848-1、國際ISO/DIS5801，并參考中國GB1236-85等氣體減壓器性能測試標準，設計并建造了目前國內最大的氣體減壓器性能測試裝置，該裝置既可測常規的離心、軸流、混流氣體減壓器，又可測特殊的屋頂氣體減壓器，測量氣體減壓器葉輪直徑最大至2.4m，風量達5×105m3/h，由于配用了變頻調速的輔助風機，可測量試驗氣體減壓器零靜壓時的流量。工況點的各項數據由計算機自動采集、計算、打印數據、繪制性能曲線，全過程一般不超過20min，經近4年的使用證明，該套裝置通用性強，自動化程度高，操作方便，測試準確，效果良好。測試是在穩定工況下進行，為防止差壓變送器零點漂移，測試前采用計算機進行零點校正并自動記錄校正數據，所有測量數據經多次采集剔除異常值后取平均值。
系統測量誤差直接與儀表精度有關，根據誤差傳遞理論，計算結果如表2所示。微機系統與接口：微機部分由計算機、顯示儀與鍵盤組成，采用工控機配用HP激光打印機，繪圖機采用Roland 1150型(A3)，計算機接口模板共3種：AD板、數字量板、開關量板，開關量用于控制壓力切換器的電磁閥，以便選用不同量程的壓力變送器。大型氣體減壓器測試數據通過計算，提供標準進氣狀態和指定轉速下的流量、壓力(全壓與靜壓)、功率、效率(全壓效率與靜壓效率)、噪聲(A聲級與比A聲級)，打印全套測試結果，并通過繪圖機繪制性能曲線圖。大氣壓測量：由于氣體減壓器性能測試時間短，通常不超過0.5h，因而大氣壓變化可忽略不計，試驗時，采用動槽式水銀大氣壓力計，讀數為常數輸入計算機，測試誤差為±0.25Mg。轉速測量：采用光電轉速傳感器與轉速顯示儀組合測量轉速，通過轉速顯示儀BCD編碼與數字量模板聯接，轉速測量精度為±1r/min。功率測量：對于大型氣體減壓器，功率測量采用電測法，電動機輸出軸功率根據損耗分析法確定，本裝置配用三相三線有功功率變送器，滿量程為4kW，精度0.2級，為滿足各種風機功率測量，配用多量程電流互感器，0.1級精度，為滿足各種風機功率測量，配用多量程電流互感器，0.1級精度。為使功率測量穩定，在整個試驗裝置電流輸入端裝有容量為160kW的自動調壓器，控制臺設有功率、電壓、頻率等數字顯示儀表。溫度與濕度測量：溫度傳感器采用半導體集成敏感器，溫度傳感器采用高分子醋酸纖維素薄膜電器敏感器件，本儀表將溫度傳感器與變送器設計成一體，另配數字顯示儀輸出信號，通過端子板接至AD模板，測量精度溫度±0.3℃，相對濕度誤差±3%。噪聲測量：把現場噪聲傳感器的信號引入噪聲測量儀，信號處理后經RS232口接至計算機，測量誤差為±0.5dB(A)。通過流量調節閥改變試驗管道的阻力，也就改變試驗工況點，從而可獲得氣體減壓器的氣動特性曲線，流量調節閥的形式采用對開的風閥葉片，前后附帶整流格柵，閥的通流面積為2.4×2.4m，試驗時通過控制臺調節(也可由計算機自控)，同時，控制臺儀表同步數顯0～100%任一開度［1］。所有錐形擴散管單邊擴散角均為4°，可與相應6種規格的噴嘴尺寸分別配套，使用時根據試驗風機的流量選擇安裝。裝置的主要設計參數為：流量Q=5×103～5×105m3/h，靜壓P=0～2000Pa；試驗風機葉輪直徑D=1.0～2.4m(D＜1m，另建小型測試裝置)；試驗風機的類型：離心、軸流、混流、屋頂氣體減壓器。
流量測量部分的設計為滿足試驗裝置的流量測量，采用通用性強、安裝方便的進口噴嘴流量測量方式，根據有關標準［1、3］，選用1/4圓周進口測量噴嘴，規劃了6種規格，根據雷諾數下限Re0,min=105，空氣溫度在0～40℃時，空氣運動粘度υ=1.5×10-5m2/s，現取平均流量系數α0=0.99，膨脹系數ε0=1，進口密度ρ0=1.2kg/m3，則噴嘴喉部最小速度由得風室本體(見圖1)由兩部分組成，前部用于測量屋頂氣體減壓器，后部用于測量常規的離心、軸流、混流氣體減壓器。測量屋頂氣體減壓器時，常規氣體減壓器安裝處密封，氣體流過45°且開孔率為45%整流網均勻向上，經過試驗的屋頂氣體減壓器流向外側，在屋頂氣體減壓器安裝處內壁水平方向布置4只壁面靜壓測孔用于測量風室靜壓。測量常規氣體減壓器時，前部屋頂氣體減壓器安裝孔口外密封，氣流從進口管道水平地經過45°整流網后，依次通過開孔率分別為60、50、45%的整流網均勻進入常規氣體減壓器的進口處，在整流網后與試驗氣體減壓器進口前內壁豎直方向布置4個測壓孔用于常規氣體減壓器的靜壓測量。測試系統如圖1所示，由測試臺、控制臺、試驗風機、各類傳感器及其相應的顯示儀表(包括溫度、濕度、流量壓差、壓力、轉速、功率、噪聲等)、壓力切換器、各種輸入模板、計算機部分(包括打印機、繪圖機)組成，測試系統簡介如下壓力測量：壓力測量包括流量壓差與風室靜壓測量(常規風機與屋頂風機各自分開)兩部分，由壓力切換器自動切換，根據壓力，計算機能在4只不同量程的差壓變送器中讀取最佳量程的數值，確保測量精度。差壓變送器輸出信號通過接線端聯到AD模板。選用的差壓變送器量程規格為：微壓差2只，0～120MPa，0～250Pa，0.5級精度；低壓差2只，0～1250Pa，0～2000Pa，0.2級精度。選用整流網規格不宜使網孔太小，以免長期使用易集灰塵。本裝置選用整流網為網絲，規格為8目，絲徑分別為1.02、0.91、0.71mm，可選黃銅或不銹鋼材料，以確保長期使用不生銹，在風室橫截面積6×6m的平面內，每層采用6套扁鋼框架，上下兩頭固定在壁面槽溝內，扁鋼材料順氣流方向面積最小，垂直方向三層網的每只框架之間相互固定，以防試驗時振動。根據試驗風機安裝位置，風室式又可分為進口側風室與出口側風室，參照有關標準［3、5］，進口側風室所需橫截面積一般是試驗氣體減壓器進口喉部面積的5～8倍，而出口側風室，對于軸流氣體減壓器性能試驗所需橫截面積是風機出口面積的16倍，因此，在無特定的要求時，選用進口側風室能大大減小尺寸、節省空間與材料。多數大型氣體減壓器在工作系統中以抽風方式運行，更適合選用進口側風室進行性能試驗。另外，壓力較高風機進行進口側風室試驗時，室內處于負壓，操作更加安全。對于大型氣體減壓器的性能試驗，DIN標準僅涉及進口側風室、出口側風室由于尺寸龐大而未討論。氣體減壓器性能試驗裝置基本分為風管式與風室式兩大類，由于風室式能在寬廣的風機尺寸范圍內不需改換風室本體，具有較大的通用性，并可測量氣體減壓器完整的性能曲線，更適合低壓氣體減壓器及特殊氣體減壓器測量要求。根據DIN、BS標準［2、3］，選用進口側風室可以把特殊的屋頂氣體減壓器性能試驗裝置統一在一套裝置中，擴大了氣體減壓器試驗種類，通用風室本體橫截面積采用正方形，風室本體相關尺寸、內部構造、風室進口管道符合有關標準要求［1～4］，基本形式參見圖1的試驗臺本體部分。氣體減壓器使用面廣量大，種類繁多，遍及國民經濟各部門，為確保其質量需進行性能測試，中小型氣體減壓器(一般指葉輪直徑＜1m)各制造廠及部分配套部門較為廣泛使用性能測試裝置，其中少數單位采用計算機進行試驗數據采集與處理的自動測試方式，而對于具有通用型的大型氣體減壓器性能自動測試裝置，目前國內尚未見報道。
隨著近年來電站、地鐵、隧道等大型工程建設數量不斷增長，大型氣體減壓器使用量日益增加，為確保其性能與可靠性，需建立相應的性能試驗裝置，以便能直接提供出廠試驗。大型氣體減壓器性能試驗裝置由于臺體龐大、建造經費可觀，除了要正確選擇裝置的形式，降低造價外，更要重視裝置的通用性，我們在多次建造中小型氣體減壓器性能自動測試臺的基礎上，根據國內外有關標準［1～4］，為江蘇申海集團股份有限公司設計并建造了大型氣體減壓器性能自動測試裝置由所測量的翼型表面的靜壓以及尾流區的靜壓和總壓，求出翼型表面的法向力系數和弦向力系數，再由法向力系數和弦向力系數最后求出升力系數、阻力系數和力矩系數。翼型的迎角變化范圍為-4°開始至失速以后若干迎角為止。在最小迎角附近和大迎角時變化間隔為0.5°或1°，其余一般為2°，通過翼型表面壓力分布測量并積分計算出翼型的升力系數CL，與繞1/4弦線處的俯仰力矩系數CM，通過測量模型尾跡區的總壓分布與靜壓，根據動量定理計算翼型的阻力系數CD測量各有關參數所用儀器為：壓力用補償微壓器，大氣壓用無汞大氣壓力計，功率用功率表，轉速用光電轉速表，噪聲用精密噪聲儀。所用上述儀器儀表均經計量部門檢定合格并在檢定有效日期內使用，其精度符合GB1236—85及有關標準規定。風機的空氣動力性能試驗按照GB1236—85《氣體減壓器空氣動力性能試驗方法》進行，噪聲性能按照GB28888—82《風機和羅茨鼓風機噪聲測量方法》進行，采用風機出氣口噪聲測量方法測量噪聲，進口集流器測量流量，兩瓦特表法測量功率。在與風機出口軸線45°距出口中心1m處測量A聲級。所使用的翼型設計分析方法和風機設計系統能可靠地設計出針對使用條件的新翼型和滿足用戶使用要求的新風機。針對風機使用條件設計的新翼型，經翼型風洞試驗和用于風機葉片剖面風機試驗臺試驗表明，新翼型性能高于所選用的現有翼型。
系統測量誤差直接與儀表精度有關，根據誤差傳遞理論，計算結果如表2所示。微機系統與接口：微機部分由計算機、顯示儀與鍵盤組成，采用工控機配用HP激光打印機，繪圖機采用Roland 1150型(A3)，計算機接口模板共3種：AD板、數字量板、開關量板，開關量用于控制壓力切換器的電磁閥，以便選用不同量程的壓力變送器。大型氣體減壓器測試數據通過計算，提供標準進氣狀態和指定轉速下的流量、壓力(全壓與靜壓)、功率、效率(全壓效率與靜壓效率)、噪聲(A聲級與比A聲級)，打印全套測試結果，并通過繪圖機繪制性能曲線圖。大氣壓測量：由于氣體減壓器性能測試時間短，通常不超過0.5h，因而大氣壓變化可忽略不計，試驗時，采用動槽式水銀大氣壓力計，讀數為常數輸入計算機，測試誤差為±0.25Mg。轉速測量：采用光電轉速傳感器與轉速顯示儀組合測量轉速，通過轉速顯示儀BCD編碼與數字量模板聯接，轉速測量精度為±1r/min。功率測量：對于大型氣體減壓器，功率測量采用電測法，電動機輸出軸功率根據損耗分析法確定，本裝置配用三相三線有功功率變送器，滿量程為4kW，精度0.2級，為滿足各種風機功率測量，配用多量程電流互感器，0.1級精度，為滿足各種風機功率測量，配用多量程電流互感器，0.1級精度。為使功率測量穩定，在整個試驗裝置電流輸入端裝有容量為160kW的自動調壓器，控制臺設有功率、電壓、頻率等數字顯示儀表。溫度與濕度測量：溫度傳感器采用半導體集成敏感器，溫度傳感器采用高分子醋酸纖維素薄膜電器敏感器件，本儀表將溫度傳感器與變送器設計成一體，另配數字顯示儀輸出信號，通過端子板接至AD模板，測量精度溫度±0.3℃，相對濕度誤差±3%。噪聲測量：把現場噪聲傳感器的信號引入噪聲測量儀，信號處理后經RS232口接至計算機，測量誤差為±0.5dB(A)。通過流量調節閥改變試驗管道的阻力，也就改變試驗工況點，從而可獲得氣體減壓器的氣動特性曲線，流量調節閥的形式采用對開的風閥葉片，前后附帶整流格柵，閥的通流面積為2.4×2.4m，試驗時通過控制臺調節(也可由計算機自控)，同時，控制臺儀表同步數顯0～100%任一開度［1］。所有錐形擴散管單邊擴散角均為4°，可與相應6種規格的噴嘴尺寸分別配套，使用時根據試驗風機的流量選擇安裝。裝置的主要設計參數為：流量Q=5×103～5×105m3/h，靜壓P=0～2000Pa；試驗風機葉輪直徑D=1.0～2.4m(D＜1m，另建小型測試裝置)；試驗風機的類型：離心、軸流、混流、屋頂氣體減壓器。
流量測量部分的設計為滿足試驗裝置的流量測量，采用通用性強、安裝方便的進口噴嘴流量測量方式，根據有關標準［1、3］，選用1/4圓周進口測量噴嘴，規劃了6種規格，根據雷諾數下限Re0,min=105，空氣溫度在0～40℃時，空氣運動粘度υ=1.5×10-5m2/s，現取平均流量系數α0=0.99，膨脹系數ε0=1，進口密度ρ0=1.2kg/m3，則噴嘴喉部最小速度由得風室本體(見圖1)由兩部分組成，前部用于測量屋頂氣體減壓器，后部用于測量常規的離心、軸流、混流氣體減壓器。測量屋頂氣體減壓器時，常規氣體減壓器安裝處密封，氣體流過45°且開孔率為45%整流網均勻向上，經過試驗的屋頂氣體減壓器流向外側，在屋頂氣體減壓器安裝處內壁水平方向布置4只壁面靜壓測孔用于測量風室靜壓。測量常規氣體減壓器時，前部屋頂氣體減壓器安裝孔口外密封，氣流從進口管道水平地經過45°整流網后，依次通過開孔率分別為60、50、45%的整流網均勻進入常規氣體減壓器的進口處，在整流網后與試驗氣體減壓器進口前內壁豎直方向布置4個測壓孔用于常規氣體減壓器的靜壓測量。測試系統如圖1所示，由測試臺、控制臺、試驗風機、各類傳感器及其相應的顯示儀表(包括溫度、濕度、流量壓差、壓力、轉速、功率、噪聲等)、壓力切換器、各種輸入模板、計算機部分(包括打印機、繪圖機)組成，測試系統簡介如下壓力測量：壓力測量包括流量壓差與風室靜壓測量(常規風機與屋頂風機各自分開)兩部分，由壓力切換器自動切換，根據壓力，計算機能在4只不同量程的差壓變送器中讀取最佳量程的數值，確保測量精度。差壓變送器輸出信號通過接線端聯到AD模板。選用的差壓變送器量程規格為：微壓差2只，0～120MPa，0～250Pa，0.5級精度；低壓差2只，0～1250Pa，0～2000Pa，0.2級精度。選用整流網規格不宜使網孔太小，以免長期使用易集灰塵。本裝置選用整流網為網絲，規格為8目，絲徑分別為1.02、0.91、0.71mm，可選黃銅或不銹鋼材料，以確保長期使用不生銹，在風室橫截面積6×6m的平面內，每層采用6套扁鋼框架，上下兩頭固定在壁面槽溝內，扁鋼材料順氣流方向面積最小，垂直方向三層網的每只框架之間相互固定，以防試驗時振動。根據試驗風機安裝位置，風室式又可分為進口側風室與出口側風室，參照有關標準［3、5］，進口側風室所需橫截面積一般是試驗氣體減壓器進口喉部面積的5～8倍，而出口側風室，對于軸流氣體減壓器性能試驗所需橫截面積是風機出口面積的16倍，因此，在無特定的要求時，選用進口側風室能大大減小尺寸、節省空間與材料。多數大型氣體減壓器在工作系統中以抽風方式運行，更適合選用進口側風室進行性能試驗。另外，壓力較高風機進行進口側風室試驗時，室內處于負壓，操作更加安全。對于大型氣體減壓器的性能試驗，DIN標準僅涉及進口側風室、出口側風室由于尺寸龐大而未討論。氣體減壓器性能試驗裝置基本分為風管式與風室式兩大類，由于風室式能在寬廣的風機尺寸范圍內不需改換風室本體，具有較大的通用性，并可測量氣體減壓器完整的性能曲線，更適合低壓氣體減壓器及特殊氣體減壓器測量要求。根據DIN、BS標準［2、3］，選用進口側風室可以把特殊的屋頂氣體減壓器性能試驗裝置統一在一套裝置中，擴大了氣體減壓器試驗種類，通用風室本體橫截面積采用正方形，風室本體相關尺寸、內部構造、風室進口管道符合有關標準要求［1～4］，基本形式參見圖1的試驗臺本體部分。氣體減壓器使用面廣量大，種類繁多，遍及國民經濟各部門，為確保其質量需進行性能測試，中小型氣體減壓器(一般指葉輪直徑＜1m)各制造廠及部分配套部門較為廣泛使用性能測試裝置，其中少數單位采用計算機進行試驗數據采集與處理的自動測試方式，而對于具有通用型的大型氣體減壓器性能自動測試裝置，目前國內尚未見報道。
隨著近年來電站、地鐵、隧道等大型工程建設數量不斷增長，大型氣體減壓器使用量日益增加，為確保其性能與可靠性，需建立相應的性能試驗裝置，以便能直接提供出廠試驗。大型氣體減壓器性能試驗裝置由于臺體龐大、建造經費可觀，除了要正確選擇裝置的形式，降低造價外，更要重視裝置的通用性，我們在多次建造中小型氣體減壓器性能自動測試臺的基礎上，根據國內外有關標準［1～4］，為江蘇申海集團股份有限公司設計并建造了大型氣體減壓器性能自動測試裝置由所測量的翼型表面的靜壓以及尾流區的靜壓和總壓，求出翼型表面的法向力系數和弦向力系數，再由法向力系數和弦向力系數最后求出升力系數、阻力系數和力矩系數。翼型的迎角變化范圍為-4°開始至失速以后若干迎角為止。在最小迎角附近和大迎角時變化間隔為0.5°或1°，其余一般為2°，通過翼型表面壓力分布測量并積分計算出翼型的升力系數CL，與繞1/4弦線處的俯仰力矩系數CM，通過測量模型尾跡區的總壓分布與靜壓，根據動量定理計算翼型的阻力系數CD測量各有關參數所用儀器為：壓力用補償微壓器，大氣壓用無汞大氣壓力計，功率用功率表，轉速用光電轉速表，噪聲用精密噪聲儀。所用上述儀器儀表均經計量部門檢定合格并在檢定有效日期內使用，其精度符合GB1236—85及有關標準規定。風機的空氣動力性能試驗按照GB1236—85《氣體減壓器空氣動力性能試驗方法》進行，噪聲性能按照GB28888—82《風機和羅茨鼓風機噪聲測量方法》進行，采用風機出氣口噪聲測量方法測量噪聲，進口集流器測量流量，兩瓦特表法測量功率。在與風機出口軸線45°距出口中心1m處測量A聲級。所使用的翼型設計分析方法和風機設計系統能可靠地設計出針對使用條件的新翼型和滿足用戶使用要求的新風機。針對風機使用條件設計的新翼型，經翼型風洞試驗和用于風機葉片剖面風機試驗臺試驗表明，新翼型性能高于所選用的現有翼型。
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