风机性能测试实验装置的开发与教学应用

1、概述
化工过程流体机械是过程装备与控制工程专业的主干核心课程，风机性能测试试验是该门专业课程中最基本的试验。学生们通过试验调节风机运行工况，获取风机运行参数，绘制风机性能曲线，监测风机运行状况，风机性能测试是成品风机的检验、选型、改制，新产品的开发、研制的基础，也是科学、合理、客观地评价其产品质量和性能的前提和基础。多年的教学实践表明，化工过程流体机械理论性强、课程抽象难懂和分析计算难度大，该试验的开设对于学生理解和掌握课程中众多理论和原理内容有不可替代的作用，应保证理论教学与配套试验教学同步开展。
在借鉴国内企业及高校的相关设备的基础上，执行《GB /T 1236—2000工业通风机用标准化风道进行性能实验》，结合理论和试验教学的要求，本文介绍一种可移动式风机性能测试试验装置( 以下简称试验装置) ，该装置能自动采集风机性能试验数据、PID调整运行工况、处理并存储数据，能自动绘制风机性能曲线;试验装置可进行风机出口性能测试，运行稳定，振动和噪声较小，未出现喘振和失速现象，可利用该装置开展相关实践教学及研究。
2 试验台的结构设计
2． 1 总体设计
试验装置既可以用于本专业课程的教学试验，又可以为本专业课的教师提供科研平台，所以考虑投资少、占用面积少、操作方便、维护方便、性能可靠等要求，总体构思如下:
(1) 考虑试验设备的小型化和学生操作的安全性，被测风机选用为流量和功率较小的直流风机。
(2) 为获取被测风机在设计流量下的完整性能，采用风室试验装置，在风室内安装多喷嘴流量计，通过调整使用的喷嘴数，来满足不同流量范围的风机性能试验需要。
(3) 试验过程中需调节风机运行工况，获取多个工作状态的性能参数，因而，应设计可变排气系统，并提出改变工作点的调节方案。
(4)风机在不同转速下的运行特性并不相同，风机的转速应设计为可调，并在同一测试中保持恒定，因而，需配备电压可调稳压直流电源，并设计被测风机两端电压调解方案。
(5)为了后续的风机性能研究，风机性能测试试验台应对以下数据进行记录:喷嘴前后的差压、喷嘴上游空气温度、喷嘴上游空气湿度、大气压力、风室静压、被测风机两端电压和电流。
试验台总体由机械部分、电气和数据采集系统组成。试验台机械部分主要包括测试风机、风室本体、辅助风机、喷嘴、稳流网、风机测试接口等，如图1 所示。所测直流风机由稳压稳流电源提供的直流电压驱动，其进口为自由进风的大气，出口使用喉箍连接在测试接口管道，通过测试接口引风至风室，在风室内实现性能参数测量和工作点调节，被测风机可实现方便拆卸、安装;试验置使用辅助风机克服通过试验装置时压力的损失，通过变频器控制辅助风机的转速，形成可变排气系统。

图1试验台机械部分示意
2．2风室结构设计
风室由有机玻璃搭建，内部尺寸为530mm×530mm×1400mm。为扩展流量测定范围，采用在风室中布置多喷嘴的流量测定办法，选用喉径比为0．6的椭圆母线喷嘴，共布置5个喷嘴，出口喉部直径分别为15，25，30，40和70mm，可满足测试风量范围10～816m³/h。设计检查门，以方便操作人员在风机改变流量时对喷嘴开启情况进行相应的调整。在测量喷嘴前后各布置3层整流网，上游整流网是确保进入测量平面前气流的均匀性，下游整流网为了吸收喷嘴射流的动能，并让射流在近似不受限制的空间内正常膨胀。考虑到出口系统效应的影响，被测风机出口的接口管道至少应保证3倍管径的直管段，以消除不稳定气流和湍流。
2．3工况调节系统设计
为实现工作工况的精准调节和测量，试验装置针对风室静压和被测风机电源电压，采用PID调节技术，设计了工况自动化调解方案。试验装置的自动控制通过指示调节器实现，每次调节辅助风机频率改变工况后，修正风机端电压，端电压修正后辅助风机频率又需再次调整，如此反复，直至工况趋于稳定，测试风机端电压恒定，风室静压为设定值。这样既可以模拟风机进、出口静差压近似为零的最大流量工况，也可以设定相应的空气阻力进行精准调节。
2．3．1风室静压控制
风机所产生的升压的一部分即静压用于克服管路中的阻力，风机运行稳定时，静压力与阻力相等，也就是位于工作点位置，使被测风机在“定静压”下达到一定的流量，以控制被测风机的工况点，从而得到风机性能曲线。
风室静压控制系统属于典型的闭环控制，是实时的静压变送器、计算机和变频器三者之间闭合的三角关系。当被测风机运转时，由传感器读取的当前静压值，与计算机设定静压值进行比较，如果当前静压值高于设定静压值，则需加大辅助风机的抽气量、提高变频器频率，使排出管路阻力损失减小，调节器放大系数为负，该调节器设置为正作用，如图2 所示。

图2风室静压控制回路
2．3．2风机电源电压控制
所测直流风机由稳压稳流电源提供的可调直流电压驱动，风机转速与输入电压成正比，通过改变直流稳压电源的输出电压来调节风机在不同转速下的运行工况，实际运行时由于电机绕组绝缘耐压的限制，电机的电压不可能大于额定电压，否则击穿电机，通常采用降压调速方式。风机电源电压控制如图3所示，调节器选择反作用调节方式。

图3被测风机电源电压控制回路
实现风机运行工况自动调节的关键为指示调节器，本装置采用UT35A通用型数字指示调节器，接受变送器送来的信号，与给定信号进行比较，对其差值进行比例、积分、微分运算，即PID调节，以电流输出或电压脉冲输出控制执行机构。该指示调节器的特点:性能高端，配备有高端调节器的性能，包括基于梯形图语言的顺控功能，支持以太网、PROFIBUS－DP以及RS－485*1通信协议，14段大屏彩色液晶显示器，以及导航键等操作向导功能;结构紧凑，进深65m;控制周期200s，工步数300步，专门用于制造装置的单回路控制。
2．4电气和数据采集系统设计
所有电气和数据采集系统均安装在控制柜内，方便装置的操作，又能防止学生人为误动，引发装置损坏或人员触电等安全事故。试验装置的供电需求有:变频器、辅助风机的380V交流供
电，计算机、打印机等设备的220V交流供电，被测风机0－30V的可调节直流供电，及数据采集系统的24V恒定直流供电。220V电源上加装了canny well单级电源滤波器，以过滤交流电传输过程中的高次、低次电源杂音，改善电源质量;负载上游安装ABS54B－40A微型断路器，实现短路和过载电流保护、隔离，可保护负载，防止人员间接接触;设置GMC型交流电磁接触器，根据控制柜上的按钮开关发出的控制信号，实现装置的停车、启动功能。
各传感器实现现场物理信号到电信号的转换，如图4所示，通过接口端子将电信号转换为数字信号，数据采集模块选用研华ADAM4117模块，采集传感器电压、电流信号，用RS485接口传输至计算机。

图4数据采集系统示意
采用Visual C++编制风机性能测试程序，主要实现以下功能:完成风机性能曲线的测定，可实现调零、输入风机型号及操作者信息、喷嘴选择、所有参数信息采集、数据处理、对各输入状态实时数字显示和波形显示、生成实验报表及实验报告的打印、历史查询和帮助;设定风室静压和测试风机电压值，设置实验工况点;具有手动、人工自动、全自动3种测试模式，能够实现对被测风机电压、变频器等自动控制;能自动对风机性能做出判别，可对判稳条件，即平均值和均方差的偏差值进行设定;具有状态指示、报警和保护功能。
3、参数计算方法
风机的性能参数主要有风量Q、升压ΔP、功率和效率，当风机压比大于1．02和基准马赫数大于0．15时，应采用如下可压缩流体的一般计算方法。
3．1风量的计算
使用多喷嘴流量计来测试风量，依据流体力学的节流原理，通过测量喷嘴前后的差压来测量流体流量的大小。按可压缩气体流动方法对气体压缩性进行修正，考虑气流雷诺数的影响，对多喷嘴的流量计算采用迭代法。

式中ρu———喷嘴上游空气密度，kg/m³，可按照湿空气气体常数法，根据温湿度和压力进行计算
di———喷嘴直径，m
αi———喷嘴流量系数
测试系统采用长颈比为L/d = 0．6的流量喷嘴，流量系数为:

3．2升压ΔP计算
风机升压是指风机进口截面(1截面) 与出口截面(2截面) 气体的全压之差，即单位体积的气体流过风机后所获取的总能量。通过伯努利方程分析可知:

式中Psc———静风压，即风机有效利用的能量，由风室上游的静压变送器获取，Psc=P2－P1
Pd———动风压，即风机中未被利用的能量，
因为风机出口处气体流速u2比较大，因此动风压不能忽略，风机的升压为静风压和动风压之和。
3．3功率的计算
风机所输送的气体在单位时间内从风机中获取的能量称为全压有效功率，对于风机，忽略其压缩性，视为不可压缩流体:Pe = ΔPQ   (4)
风机的静压有效功率为Pest:Pest = ΔPstQ   (5)
被测风机为直流电源驱动，其轴功率P 为电
压U和电流I之积:P=UI   (6)
3．4效率的计算
效率表征能量利用和转换的程度，是反映风机性能优劣的重要参数，主要指标有全压效率η和静压效率ηst，分别为全压有效功率Ps和静压有效功率Pest与风机轴功率P之比。
试验时，使风机在一定转速下运转，测出对应于不同静压的风量、全压、功率和效率等参数，风机性能测试的结果应按相似定律转化为给定转速和标准进气状态下的空气动力性能参数，以便于风机性能进行比较。将所得数据整理后用曲线表示，即得到风机的特性曲线。
4、教学效果
为了验证该测试系统的正确性，对1#直流通风机在电压12V、风室静压100Pa工况下，重复做6次试验，每次试验选取不同的喷嘴，所测该工况下风量大小及相对于6组数据平均值的误差见表1，数据基本吻合，最大重复性误差0．59%。可见，试验测试结果与喷嘴的选取无关，数据稳定，重复性误差小，因而，该试验台达到了设计要求，有较好的气密性，测试手段合理，测试仪表采样精度高，数据处理方法正确。先进的测试技术和精确的测试结果，提高了试验教学质量，培养了大学生严谨细致的科学作风。

试验编号	电压U(V)	静压SP(Pa)	喷嘴组合dt(mm)	喷嘴差压Δp(Pa)	标准风量Q(m3/h)	重复性误差|Q－Qp|/Qp
1	12	100	70	394.8	345.76	00.7%
2	12	100	70+15	361.7	345.45	0.16%
3	12	100	70+25	311.4	345.49	0.15%
4	12	100	70+30	225.3	346.40	0.18%
5	12	100	70+40	284.6	344.83	0.34%
6	12	100	40+30+25+15	866.9	348.04	0.59%

表1风量测试对比
试验台严格按照《GB/T 1236—2000工业通风机用标准化风道进行性能实验》设计制造，并在试验前由学生按照标准自行设计试验方案和数据后处理方案，在试验过程中严格执行标准相关要求，加强了标准化培养和教育，激发了大学生对标准化测试和生产的关注和意识，提高了大学生标准化素质。
被测风机选用为流量和功率较小的直流风机，降低了相应的风室、管路、喷嘴和辅助风机等装置的成本，大大降低了装置运行过程中的噪音。
被测风机运行工况的调节，通过UT35A指示调节器进行PID自动调节，一方面可实现工况点调节的精准化，另一方面，PID调节应用实例使抽象的控制理论具体化，加深了对理论知识的理解，另外，该装置的风室静压控制回路为典型的正作用调节，为装备过程控制知识体系增加了正作用应用实例。试验装置预留数据采集接口，可让学生自主编程设计相关试验，达到综合性、设计性试验教学目标。试验装置综合了风机性能、喷嘴流量测量、变频调速、PID控制、控制仪表、传感技术、数据采集等知识点，能让学生对所学理论知识进行综合运用，对于激发学生的学习、创新欲望，培养创新能力有较大的帮助。