1、概述
化工過程流體機械是過程裝備與控制工程專業(yè)的主干核心課程，風機性能測試試驗是該門專業(yè)課程中zui基本的試驗。學生們通過試驗調(diào)節(jié)風機運行工況，獲取風機運行參數(shù)，繪制風機性能曲線，監(jiān)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(chǎn)品的開發(fā)、研制的基礎(chǔ)，也是科學、合理、客觀地評價其產(chǎn)品質(zhì)量和性能的前提和基礎(chǔ)。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(nèi)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(nèi)企業(yè)及高校的相關(guān)設備的基礎(chǔ)上，執(zhí)行《GB /T 1236—2000工業(yè)通風機用標準化風道進行性能實驗》，結(jié)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(shù)據(jù)、PID調(diào)整運行工況、處理并存儲數(shù)據(jù)，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(wěn)定，振動和噪聲較小，未出現(xiàn)喘振和失速現(xiàn)象，可利用該裝置開展相關(guān)實踐教學及研究。
2 試驗臺的結(jié)構(gòu)設計
2． 1 總體設計
試驗裝置既可以用于本專業(yè)課程的教學試驗，又可以為本專業(yè)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(gòu)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(nèi)安裝多噴嘴流量計，通過調(diào)整使用的噴嘴數(shù)，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(diào)節(jié)風機運行工況，獲取多個工作狀態(tài)的性能參數(shù)，因而，應設計可變排氣系統(tǒng)，并提出改變工作點的調(diào)節(jié)方案。
(4)風機在不同轉(zhuǎn)速下的運行特性并不相同，風機的轉(zhuǎn)速應設計為可調(diào)，并在同一測試中保持恒定，因而，需配備電壓可調(diào)穩(wěn)壓直流電源，并設計被測風機兩端電壓調(diào)解方案。
(5)為了后續(xù)的風機性能研究，風機性能測試試驗臺應對以下數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(wěn)流網(wǎng)、風機測試接口等，如圖1 所示。所測直流風機由穩(wěn)壓穩(wěn)流電源提供的直流電壓驅(qū)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(nèi)實現(xiàn)性能參數(shù)測量和工作點調(diào)節(jié)，被測風機可實現(xiàn)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(zhuǎn)速，形成可變排氣系統(tǒng)。

圖1試驗臺機械部分示意
2．2風室結(jié)構(gòu)設計
風室由有機玻璃搭建，內(nèi)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(diào)整。在測量噴嘴前后各布置3層整流網(wǎng)，上游整流網(wǎng)是確保進入測量平面前氣流的均勻性，下游整流網(wǎng)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(nèi)正常膨脹。考慮到出口系統(tǒng)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(wěn)定氣流和湍流。
2．3工況調(diào)節(jié)系統(tǒng)設計
為實現(xiàn)工作工況的調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)技術(shù)，設計了工況自動化調(diào)解方案。試驗裝置的自動控制通過指示調(diào)節(jié)器實現(xiàn)，每次調(diào)節(jié)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(diào)整，如此反復，直至工況趨于穩(wěn)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(diào)節(jié)。
2．3．1風室靜壓控制
風機所產(chǎn)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(wěn)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(tǒng)屬于典型的閉環(huán)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(guān)系。當被測風機運轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)器放大系數(shù)為負，該調(diào)節(jié)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(wěn)壓穩(wěn)流電源提供的可調(diào)直流電壓驅(qū)動，風機轉(zhuǎn)速與輸入電壓成正比，通過改變直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓來調(diào)節(jié)風機在不同轉(zhuǎn)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(diào)速方式。風機電源電壓控制如圖3所示，調(diào)節(jié)器選擇反作用調(diào)節(jié)方式。

圖3被測風機電源電壓控制回路
實現(xiàn)風機運行工況自動調(diào)節(jié)的關(guān)鍵為指示調(diào)節(jié)器，本裝置采用UT3通用型數(shù)字指示調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)，以電流輸出或電壓脈沖輸出控制執(zhí)行機構(gòu)。該指示調(diào)節(jié)器的特點:性能，配備有調(diào)節(jié)器的性能，包括基于梯形圖語言的順控功能，支持以太網(wǎng)、PROFIBUS－DP以及RS－485*1通信協(xié)議，14段大屏彩色液晶顯示器，以及導航鍵等操作向?qū)Чδ?結(jié)構(gòu)緊湊，進深65m;控制周期200s，工步數(shù)300步，專門用于制造裝置的單回路控制。
2．4電氣和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計
所有電氣和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)均安裝在控制柜內(nèi)，方便裝置的操作，又能防止學生人為誤動，引發(fā)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(diào)節(jié)直流供電，及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(zhì)量;負載上游安裝ABS54B－40A微型斷路器，實現(xiàn)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(jù)控制柜上的按鈕開關(guān)發(fā)出的控制信號，實現(xiàn)裝置的停車、啟動功能。
各傳感器實現(xiàn)現(xiàn)場物理信號到電信號的轉(zhuǎn)換，如圖4所示，通過接口端子將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意
采用Visual C++編制風機性能測試程序，主要實現(xiàn)以下功能:完成風機性能曲線的測定，可實現(xiàn)調(diào)零、輸入風機型號及操作者信息、噴嘴選擇、所有參數(shù)信息采集、數(shù)據(jù)處理、對各輸入狀態(tài)實時數(shù)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?qū)崿F(xiàn)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(wěn)條件，即平均值和均方差的偏差值進行設定;具有狀態(tài)指示、報警和保護功能。
3、參數(shù)計算方法
風機的性能參數(shù)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(shù)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(jù)流體力學的節(jié)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(shù)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(shù)法，根據(jù)溫濕度和壓力進行計算
di———噴嘴直徑，m
αi———噴嘴流量系數(shù)
測試系統(tǒng)采用長頸比為L/d = 0．6的流量噴嘴，流量系數(shù)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(nèi)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(qū)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(zhuǎn)換的程度，是反映風機性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，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(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，測出對應于不同靜壓的風量、全壓、功率和效率等參數(shù)，風機性能測試的結(jié)果應按相似定律轉(zhuǎn)化為給定轉(zhuǎn)速和標準進氣狀態(tài)下的空氣動力性能參數(shù)，以便于風機性能進行比較。將所得數(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)平均值的誤差見表1，數(shù)據(jù)基本吻合，zui大重復性*．59%。可見，試驗測試結(jié)果與噴嘴的選取無關(guān)，數(shù)據(jù)穩(wěn)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(shù)據(jù)處理方法正確。先進的測試技術(shù)和的測試結(jié)果，提高了試驗教學質(zhì)量，培養(yǎng)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(yè)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(shù)據(jù)后處理方案，在試驗過程中嚴格執(zhí)行標準相關(guān)要求，加強了標準化培養(yǎng)和教育，激發(fā)了大學生對標準化測試和生產(chǎn)的關(guān)注和意識，提高了大學生標準化素質(zhì)。
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(diào)節(jié)，通過UT3指示調(diào)節(jié)器進行PID自動調(diào)節(jié)，一方面可實現(xiàn)工況點調(diào)節(jié)的化，另一方面，PID調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)，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(shù)據(jù)采集接口，可讓學生自主編程設計相關(guān)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(diào)速、PID控制、控制儀表、傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)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(fā)學生的學習，培養(yǎng)創(chuàng)新能力有較大的幫助。