風機性能測試實驗裝置的開發與教學應用

1、概述
化工過程流體機械是過程裝備與控制工程專業的主干核心課程，風機性能測試試驗是該門專業課程中zui基本的試驗。學生們通過試驗調節風機運行工況，獲取風機運行參數，繪制風機性能曲線，監測風機運行狀況，風機性能測試是成品風機的檢驗、選型、改制，新產品的開發、研制的基礎，也是科學、合理、客觀地評價其產品質量和性能的前提和基礎。多年的教學實踐表明，化工過程流體機械理論性強、課程抽象難懂和分析計算難度大，該試驗的開設對于學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，應保證理論教學與配套試驗教學同步開展。
在借鑒國內企業及高校的相關設備的基礎上，執行《GB /T 1236—2000工業通風機用標準化風道進行性能實驗》，結合理論和試驗教學的要求，本文介紹一種可移動式風機性能測試試驗裝置( 以下簡稱試驗裝置) ，該裝置能自動采集風機性能試驗數據、PID調整運行工況、處理并存儲數據，能自動繪制風機性能曲線;試驗裝置可進行風機出口性能測試，運行穩定，振動和噪聲較小，未出現喘振和失速現象，可利用該裝置開展相關實踐教學及研究。
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業課程的教學試驗，又可以為本專業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生操作的安全性，被測風機選用為流量和功率較小的直流風機。
(2) 為獲取被測風機在設計流量下的完整性能，采用風室試驗裝置，在風室內安裝多噴嘴流量計，通過調整使用的噴嘴數，來滿足不同流量范圍的風機性能試驗需要。
(3) 試驗過程中需調節風機運行工況，獲取多個工作狀態的性能參數，因而，應設計可變排氣系統，并提出改變工作點的調節方案。
(4)風機在不同轉速下的運行特性并不相同，風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，并設計被測風機兩端電壓調解方案。
(5)為了后續的風機性能研究，風機性能測試試驗臺應對以下數據進行記錄: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、風室靜壓、被測風機兩端電壓和電流。
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機、風室本體、輔助風機、噴嘴、穩流網、風機測試接口等，如圖1 所示。所測直流風機由穩壓穩流電源提供的直流電壓驅動，其進口為自由進風的大氣，出口使用喉箍連接在測試接口管道，通過測試接口引風至風室，在風室內實現性能參數測量和工作點調節，被測風機可實現方便拆卸、安裝;試驗置使用輔助風機克服通過試驗裝置時壓力的損失，通過變頻器控制輔助風機的轉速，形成可變排氣系統。

圖1試驗臺機械部分示意
2．2風室結構設計
風室由有機玻璃搭建，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的橢圓母線噴嘴，共布置5個噴嘴，出口喉部直徑分別為15，25，30，40和70mm，可滿足測試風量范圍10～816m³/h。設計檢查門，以方便操作人員在風機改變流量時對噴嘴開啟情況進行相應的調整。在測量噴嘴前后各布置3層整流網，上游整流網是確保進入測量平面前氣流的均勻性，下游整流網為了吸收噴嘴射流的動能，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
為實現工作工況的調節和測量，試驗裝置針對風室靜壓和被測風機電源電壓，采用PID調節技術，設計了工況自動化調解方案。試驗裝置的自動控制通過指示調節器實現，每次調節輔助風機頻率改變工況后，修正風機端電壓，端電壓修正后輔助風機頻率又需再次調整，如此反復，直至工況趨于穩定，測試風機端電壓恒定，風室靜壓為設定值。這樣既可以模擬風機進、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行調節。
2．3．1風室靜壓控制
風機所產生的升壓的一部分即靜壓用于克服管路中的阻力，風機運行穩定時，靜壓力與阻力相等，也就是位于工作點位置，使被測風機在“定靜壓”下達到一定的流量，以控制被測風機的工況點，從而得到風機性能曲線。
風室靜壓控制系統屬于典型的閉環控制，是實時的靜壓變送器、計算機和變頻器三者之間閉合的三角關系。當被測風機運轉時，由傳感器讀取的當前靜壓值，與計算機設定靜壓值進行比較，如果當前靜壓值高于設定靜壓值，則需加大輔助風機的抽氣量、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風室靜壓控制回路
2．3．2風機電源電壓控制
所測直流風機由穩壓穩流電源提供的可調直流電壓驅動，風機轉速與輸入電壓成正比，通過改變直流穩壓電源的輸出電壓來調節風機在不同轉速下的運行工況，實際運行時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被測風機電源電壓控制回路
實現風機運行工況自動調節的關鍵為指示調節器，本裝置采用UT3通用型數字指示調節器，接受變送器送來的信號，與給定信號進行比較，對其差值進行比例、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:性能，配備有調節器的性能，包括基于梯形圖語言的順控功能，支持以太網、PROFIBUS－DP以及RS－485*1通信協議，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，進深65m;控制周期200s，工步數300步，專門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，又能防止學生人為誤動，引發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，以過濾交流電傳輸過程中的高次、低次電源雜音，改善電源質量;負載上游安裝ABS54B－40A微型斷路器，實現短路和過載電流保護、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關發出的控制信號，實現裝置的停車、啟動功能。
各傳感器實現現場物理信號到電信號的轉換，如圖4所示，通過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++編制風機性能測試程序，主要實現以下功能:完成風機性能曲線的測定，可實現調零、輸入風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、對各輸入狀態實時數字顯示和波形顯示、生成實驗報表及實驗報告的打印、歷史查詢和幫助;設定風室靜壓和測試風機電壓值，設置實驗工況點;具有手動、人工自動、全自動3種測試模式，能夠實現對被測風機電壓、變頻器等自動控制;能自動對風機性能做出判別，可對判穩條件，即平均值和均方差的偏差值進行設定;具有狀態指示、報警和保護功能。
3、參數計算方法
風機的性能參數主要有風量Q、升壓ΔP、功率和效率，當風機壓比大于1．02和基準馬赫數大于0．15時，應采用如下可壓縮流體的一般計算方法。
3．1風量的計算
使用多噴嘴流量計來測試風量，依據流體力學的節流原理，通過測量噴嘴前后的差壓來測量流體流量的大小。按可壓縮氣體流動方法對氣體壓縮性進行修正，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行計算
di———噴嘴直徑，m
αi———噴嘴流量系數
測試系統采用長頸比為L/d = 0．6的流量噴嘴，流量系數為:

3．2升壓ΔP計算
風機升壓是指風機進口截面(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風機后所獲取的總能量。通過伯努利方程分析可知:

式中Psc———靜風壓，即風機有效利用的能量，由風室上游的靜壓變送器獲取，Psc=P2－P1
Pd———動風壓，即風機中未被利用的能量，
因為風機出口處氣體流速u2比較大，因此動風壓不能忽略，風機的升壓為靜風壓和動風壓之和。
3．3功率的計算
風機所輸送的氣體在單位時間內從風機中獲取的能量稱為全壓有效功率，對于風機，忽略其壓縮性，視為不可壓縮流體:Pe = ΔPQ   (4)
風機的靜壓有效功率為Pest:Pest = ΔPstQ   (5)
被測風機為直流電源驅動，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，是反映風機性能優劣的重要參數，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與風機軸功率P之比。
試驗時，使風機在一定轉速下運轉，測出對應于不同靜壓的風量、全壓、功率和效率等參數，風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氣狀態下的空氣動力性能參數，以便于風機性能進行比較。將所得數據整理后用曲線表示，即得到風機的特性曲線。
4、教學效果
為了驗證該測試系統的正確性，對1#直流通風機在電壓12V、風室靜壓100Pa工況下，重復做6次試驗，每次試驗選取不同的噴嘴，所測該工況下風量大小及相對于6組數據平均值的誤差見表1，數據基本吻合，zui大重復性*．59%?？梢?，試驗測試結果與噴嘴的選取無關，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。先進的測試技術和的測試結果，提高了試驗教學質量，培養了大學生嚴謹細致的科學作風。
 

表1風量測試對比
試驗臺嚴格按照《GB/T 1236—2000工業通風機用標準化風道進行性能實驗》設計制造，并在試驗前由學生按照標準自行設計試驗方案和數據后處理方案，在試驗過程中嚴格執行標準相關要求，加強了標準化培養和教育，激發了大學生對標準化測試和生產的關注和意識，提高了大學生標準化素質。
被測風機選用為流量和功率較小的直流風機，降低了相應的風室、管路、噴嘴和輔助風機等裝置的成本，大大降低了裝置運行過程中的噪音。
被測風機運行工況的調節，通過UT3指示調節器進行PID自動調節，一方面可實現工況點調節的化，另一方面，PID調節應用實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，該裝置的風室靜壓控制回路為典型的正作用調節，為裝備過程控制知識體系增加了正作用應用實例。試驗裝置預留數據采集接口，可讓學生自主編程設計相關試驗，達到綜合性、設計性試驗教學目標。試驗裝置綜合了風機性能、噴嘴流量測量、變頻調速、PID控制、控制儀表、傳感技術、數據采集等知識點，能讓學生對所學理論知識進行綜合運用，對于激發學生的學習，培養創新能力有較大的幫助。