第38卷第5期 2017年5月
自动化仪表
PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION
Vol. 38 No. 5 May-2017
磁悬浮离心式压缩机的推力轴承喘振控制
唐茂，周瑾，翟恒斌
（南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016）
摘要：压缩机等流体机械在流量减少到一定程度时会发生喘振。针对传统喘振控制方法结构复杂、响应慢、存在功率损失等缺点，提出了一种新的喘振控制方法。通过磁悬浮推力轴承改变压缩机叶轮的叶顶与压缩机蜗壳之间的叶尖间隙，进行嘴振控制。通过正弦和方波参考信号跟踪，采用悬浮于不同位置的干扰信号扫频试验，验证了基于控制算法的磁悬浮控制能够满足改变叶尖间隙所需要的位置跟踪性能和悬浮于不同位置的稳定性。设计了基于质量流量反馈控制和基于输出压力反馈控制的控制策略，并进行仿真验证。结果表明：变叶尖间隙嘴振控制能够有效起到喘振抑制作用，扩大压缩机稳定运行范围，为磁悬浮流体机械的喘振控制开辟了一个新的方向。关键调：离心式压缩机：磁悬浮轴承；叶尖间隙；嘴振控制：位置跟踪
中图分类号：TH138；TP273
文献标志码：A
D0I:10. 16086/j. cnki. issn1000 0380.201705004
Surge Control of the Centrifugal Compressor with Magnetic Thrust Bearing
TANGMao,ZHOUJin,CUIHengbin
( College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China,
Abstract: For fluid machinery, such as compressor, etc. , when the fluid reduces to a certain degree, the surge may occur. Aiming at the weakness of traditional surge control methods , e. g. ,complex structure, long response time, and the power loss, etc. , a new control method is proposed. The impeller tip clearance between the top of the impeller and volute of the compressor is changed by adopting maglev trust bearing. Firstly,the maglev control algorithm is verified satisfying the tip clearance control performance and stability by sine and square wave signal tracking experiments and the interference signal frequency sweep experiments in diferent suspension location. Then,the control strategies based on mass flow feedback control and based on the output pressure feedback control are designed, and verified by simulation. The results show that the new control method changing tip clearance with thrust magnetic bearing can control the surge effectively and expand the range of stable operation of compressor. The research provides a new direction for surge control of magnetic fluid machinery.
Keywords : Centrifugal compressor; Magnetic bearing; Impeller tip clearance; Surge control; Position tracking
0引言
压缩机等流体机的喘振使转子及定子元件经受
交变电场的动应力：级闻压力失调引起强烈振动，便密封及轴承损坏，基至发生转子与定子元件相碰，气体外泄，引起爆炸等恶性事故。因此，需要研究更好、更有效的防喘振措施，以提高离心压缩机的抗喘振能力，避免喘振发生。常用的防喘振控制包括喘振避免和喘振控制。喘振避免包括固定极限流量法和可变极限流量法[2]。这类方法需要考虑一定的喘振裕度，减小了压缩机的工作区域，使压缩机不能在性能最佳的工作点运行。
修改稿收到日期：2017-01-15
喘振主动控制是对引起喘振的不稳定气流进行控制，从而防止喘振的发生[3]。目前嘴振主动控制方法应用于实际还存在一些问题[4]，包括执行器难以安装、成本过高、算法复杂、功率损失。所以研究一种更方便、可靠性更高、响应更快、能减小功率损失的喘振控制方式是很有必要的。
近年来，有学者提出，对于磁悬浮离心式压缩机利用控制磁悬浮压缩机转子轴向约束的磁悬浮推力轴承，调整压缩机叶轮的叶顶蜗壳之间的叶尖间隙可以实现防瞻振控制。这种方法不需要增加额外的硬件只需要修改磁悬浮推力轴承的控制策略，不影响效率，响应时间快[5]。但相关研究还在起步阶段，在调整叶
（191国
室）开放基金（kfj20160509）
作者简企：募（1291一），男，在读硕士研究生，主要研究方向为机电一体化、报动控制。Email：tangm@nuaa.edu.cn。
方有数信作者），女，博士，教授，主要研究方向为磁悬浮技术、机电一体化。Email:zhj@nuaa.edu.en。