曹晨陽

（英飛同仁風機股份有限公司研究院，上海 201806）

0 引言

發(fā)電機在運行時通常會產(chǎn)生大量的熱量。為了保證發(fā)電機機組能夠持續(xù)安全可靠運行，發(fā)電機機組產(chǎn)生的大量熱量必須及時排出。發(fā)電機機組冷卻方式是直接空氣冷卻，可以依靠發(fā)電機轉(zhuǎn)子自身的結(jié)構(gòu)特點，帶動空氣旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的離心力可將通過轉(zhuǎn)子的空氣排出。在自身排風能力不足時則需要安裝散熱風機，提升發(fā)電機組的散熱排風能力，以滿足發(fā)電機溫升、機組溫度控制等各方面的相關(guān)要求。在發(fā)電機的機艙上裝有為發(fā)電機的進風提供過濾的空氣過濾器，因此發(fā)電機直冷進風時必須在克服空氣過濾器、閥門等系統(tǒng)管路阻力的同時依然有足夠的通風量來保證發(fā)電機機組設備能有效散熱。在發(fā)電機機組及其散熱風扇安裝完成后，對機組整體進行散熱通風性能測試，再將獲得的機組通風性能特性數(shù)據(jù)反饋給發(fā)電機設計方進行產(chǎn)品評估、優(yōu)化改進等。由于常規(guī)的AMCA專業(yè)通風機性能測試實驗室無法滿足發(fā)電機組運行的電路條件、安裝條件等，也無法將發(fā)電機組運至專業(yè)實驗室進行測試，因此需要設計一套適用于發(fā)電機組裝配測試現(xiàn)場的測試管路系統(tǒng)來對發(fā)電機組進行通風性能測試。

1 測試管路系統(tǒng)方案設計

發(fā)電機的散熱風機種類形式較多，該文所述測試對象為兩臺軸流風扇分布在發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩側(cè)且與轉(zhuǎn)子同軸的某臺發(fā)電機機組整體，被測的發(fā)電機組由另一臺電機驅(qū)動，且被測發(fā)電機組需要在空載狀態(tài)下進行通風性能測試。該文根據(jù)《GB/T 1236—2017工業(yè)通風機用標準化風道性能試驗》和《GB/T 10178—2006工業(yè)通風機現(xiàn)場性能試驗》中的要求、原則和建議，并結(jié)合具體的測試需求和測試現(xiàn)場的實地條件進行測試管道系統(tǒng)的方案設計與配置。

1.1 測試裝置類型選取與管道直徑的確定

考慮發(fā)電機機組自身的結(jié)構(gòu)特點，測試管道系統(tǒng)方案采用帶有出口側(cè)試驗管道的標準試驗方法——B型裝置進行測試[1]，即被測通風機為自由進口、管道出口，并采用出口節(jié)流調(diào)節(jié)流量[2]。這里將發(fā)電機轉(zhuǎn)子及散熱風扇作為通風機組整體?？紤]發(fā)電機組的出風口大小、發(fā)電機組在測試條件下運行時的預估風量、測試現(xiàn)場場地限制等因素，整體測試管道的直管段管道內(nèi)直徑選取Dn=?750m。

1.2 畢托管測量截面選取和測量要求

所選取的畢托管測量截面應該沒有明顯的渦流、逆流產(chǎn)生，流線盡可能接近于平行且垂直于該截面的直管段，氣流的方向基本上應是軸向的、對稱的。測量截面的位置應盡可能選擇在管道截面不變的直線管段上，且不得存在能夠改變測量平面氣流的障礙物。該部分測試管段的長度應至少是該段管道水力直徑的2倍，由于是直管，因此此處水力直徑也是管道內(nèi)直徑。畢托管測量面的位置建議選取在距離通風機出口至少5倍的管道直徑處，此處為發(fā)電機整體的出風口，并配置穩(wěn)流裝置?？紤]管道中從管壁到中心區(qū)域氣流速度的變化情況，應在截面上選取足夠數(shù)量的測試點。對圓形的測量截面，測試點應分布于至少3條直徑上，且在各半徑上分布不少于3個測試點。該次測試采用切貝切夫法確定測點位置，測點的具體分布位置如圖1所示。測量時，將標準L型畢托管伸入流量測量孔內(nèi)，通過觀察畢托管的校正手柄調(diào)整探頭方向，使探頭平行于管道軸向并做好固定。通過調(diào)整畢托管的插入深度測取同一半徑上不同徑向位置的數(shù)據(jù)。選擇量程適當且校準過的壓力表，再將畢托管的滯止壓力接口和靜壓接口分別連接到壓力表上。按上述要求測試并記錄測量截面4上各點的滯止壓力pesg4j和靜壓pe4j。該次測試使用量程為0Pa～1250Pa的電磁式壓差計。

圖1 切貝切夫法測點分布圖

為能夠更準確地繪制出特性曲線，體現(xiàn)發(fā)電機機組的風量與風壓的關(guān)系，應至少測量6組不同的流量與壓力關(guān)系的數(shù)據(jù)。

1.3 壁面靜壓測量截面選取和測量要求

所選取的壁面靜壓的測量截面在圓形風道的壓力測量平面內(nèi)，在沿管道測量截面的圓周上應至少選擇4個等距軸對稱均勻分布的壁面測孔進行測量。靜壓測量孔的位置分布如圖2所示。靜壓測量孔的截面位置同樣須選取在氣流狀態(tài)較為穩(wěn)定的管段。在穩(wěn)定流動的條件下測取靜壓讀數(shù)并進行平均計算。為了減少重復性的工作步驟和后續(xù)數(shù)據(jù)計算步驟，將4個側(cè)壁孔各自的氣流引出管連接到同一根匯總氣管上，使4個側(cè)壁孔全部聯(lián)通。同樣使用量程適當且校準過的壓力表，將壓力表的進氣端口與匯總氣管相連接，如圖2所示，這樣便可直接測得截面上4個測孔的平均靜壓。

圖2 靜壓測孔連接示意圖

1.4 整流器與調(diào)節(jié)閥

由于從發(fā)電機組出風口流出的氣流并不是較為理想的測量狀態(tài)，因此需要在測試管道中增設穩(wěn)流裝置。常用的整流器類型有兩種，一種是AMCA蜂窩狀整流器，一種是星型整流器?？紤]測試現(xiàn)場場地條件的局限性，該次測試選用結(jié)構(gòu)較為緊湊的AMCA蜂窩狀整流器，整流器內(nèi)部由方形截面的相同單元構(gòu)成的網(wǎng)格組成，具有壓力損失小的優(yōu)點。整流器尺寸的設計要求應滿足如下條件：W=0.075Dn，L=0.45Dn，e≤0.005Dn，如圖3所示。管道內(nèi)直徑Dn=?750m，計算后整流器尺寸取為W=56.25mm，L=337.5mm，e=2mm。測試管路中配置花瓣式調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)閥門開度控制流量。

圖3 蜂窩形整流器

1.5 測試管路系統(tǒng)方案

由于發(fā)電機組測試現(xiàn)場的場地和空間條件的客觀因素限制，無法完全按照相關(guān)標準要求和建議進行方案設計，因此在盡可能滿足標準中的要求和建議的同時，對測試管道的部分尺寸做出了一些適應性調(diào)整。同時為了便于生產(chǎn)加工和測管的靈活配置，將測試管道進行分段設計。就這些調(diào)整對測試過程和結(jié)果可能產(chǎn)生的影響經(jīng)過評估后所確認的最終測試管路系統(tǒng)方案示意圖如圖4所示。

圖4 測試管路系統(tǒng)方案示意圖

2 測試原理與計算

2.1 容積流量

如圖4所示，畢托管測量截面4上的馬赫數(shù)的計算如公式（1）所示。

根據(jù)實測，最大平均流速約為11m/s，管道內(nèi)平均溫度為24.19℃，粗算最大流速下流量測量截面上馬赫數(shù)為Ma4=0.0318，在馬赫數(shù)Max小于0.15、通風機的壓力小于2000Pa的情況下，馬赫系數(shù)可以取FMx=1；進、出口的靜態(tài)溫度、滯止溫度可視為相同，且當通風機上游沒有輔助通風機時，則都等于環(huán)境溫度，如公式（2）所示。

流過通風機和測試管道內(nèi)的空氣流可視為不可壓縮，測試管道內(nèi)截面x上的滯止表壓與風機全壓近似相等。因此在后續(xù)的計算中均使用所測得的管道內(nèi)平溫度進行計算。

pa為大氣壓，試驗環(huán)境下空氣密度如公式（3）所示。

水蒸氣分壓由公式（4）求得。

式中：hu為測得的濕度；（psat）Td為飽和蒸氣壓，由查表可得[3]。

則濕空氣氣體常數(shù)如公式（5）所示。

截面4上的平均靜態(tài)表壓如公式（6）所示。

截面4上的平均滯止表壓如公式（7）所示。

截面4的絕對靜態(tài)壓力如公式（8）所示。

截面4的空氣密度如公式（9）所示。

截面4上的平均動壓如公式（10）所示。

風道中任意一截面的常規(guī)動壓與流速如公式（11）所示。

式中：ρx=ρ2=ρ3=ρ4。

求得通過截面4的平均流速后，容積流量如公式（12）所示。

式中：A4為測試風道中截面4的橫截面積。

2.2 壓力與靜壓

截面2和截面3之間的摩擦損失如公式（13）所示。

常規(guī)損失系數(shù)如公式（14）所示。

蜂窩狀整流器的等效長度與水力學直徑之比如公式（15）所示。

摩擦損失系數(shù)如公式（16）所示。

雷諾數(shù)如公式（17）所示。

式中：v為運動黏性系數(shù)，由查表可得[4]。

風機出口截面2的滯止表壓如公式（18）所示。

風機出口截面2的靜態(tài)表壓如公式（19）所示。

風機進口側(cè)有pesg1=0，通風機的壓力如公式（20）所示。

通風機靜壓如公式（21）所示。

3 測試結(jié)果

3.1 發(fā)電機機組的通風特性

現(xiàn)場測試過程中，由于實際管道內(nèi)存在氣流流速不均勻的情況，壓力表的數(shù)值是波動，因此在讀取壓力表數(shù)值時，通過充分的觀察后，在穩(wěn)定的波動范圍內(nèi)記錄當前測量位置點壓力的較高值和較低值兩組數(shù)值，然后再取其算術(shù)平均值作為該點的壓力值。

測得的風管內(nèi)溫度為24.19℃，測試環(huán)境下大氣壓為101375Pa，測得濕度為63.1%。從閥門全開到閥門全關(guān)閉之間共取11個閥門開度進行測量，即測取11組流量壓力關(guān)系數(shù)值。測得并進行平均計算后的壓力和計算所得最終發(fā)電機組的壓力和流量見表1，風量風壓性能曲線如圖5所示。

圖5 流量-壓力曲線圖

表1 測試與計算數(shù)據(jù)表

在進行現(xiàn)場測試之前，先在我公司專業(yè)AMCA性能測試實驗室內(nèi)，分別用實驗室風室和該文所述測試管路系統(tǒng)對同一臺試驗風機做性能測試。通過對兩種方法測試的結(jié)果進行對比可知，測試管路系統(tǒng)的管路損失與該文所述損失計算方法的計算結(jié)果誤差在5%以內(nèi)。所以該次測試管路系統(tǒng)方案、測試結(jié)果是可靠的。

3.2 測試管道內(nèi)流速分布

在各個閥門開度下各條半徑上的平均流速如圖6所示，可以看出在同一閥門開度（流量）下每條半徑上的平均流速有較明顯的差異，也說明在畢托管測量截面上通過截面各點流速差異也較明顯。單條半徑上靠近高壓力小流量點時，隨閥門開度的調(diào)整，氣體流速的變化波動也相對較大，整流器的作用也有所弱化。

圖6 各條半徑上的平均流速

4 結(jié)論

從發(fā)電機機組的通風特性數(shù)據(jù)和曲線圖可以看出，實際上并沒有測到零流量點的壓力，這是因為閥門有其自身的結(jié)構(gòu)特點。閥門完全關(guān)閉時存在縫隙，仍然會有相對少量的氣流流出。

由于測量截面上各個位置的流速有明顯不同，為了提高整體測試結(jié)果的準確性，該文選取足夠數(shù)量的測量點進行測量，求得平均流速后再行后續(xù)的計算處理。

另外需要注意，在其他工況條件下的實際測試中也有壓力超過2000Pa且管道內(nèi)溫度比較高的情況，此類工況下的測試和計算必須考慮空氣壓縮性的影響。