曹晨阳

（英飞同仁风机股份有限公司研究院，上海 201806）

0 引言

发电机在运行时通常会产生大量的热量。为了保证发电机机组能够持续安全可靠运行，发电机机组产生的大量热量必须及时排出。发电机机组冷却方式是直接空气冷却，可以依靠发电机转子自身的结构特点，带动空气旋转，产生的离心力可将通过转子的空气排出。在自身排风能力不足时则需要安装散热风机，提升发电机组的散热排风能力，以满足发电机温升、机组温度控制等各方面的相关要求。在发电机的机舱上装有为发电机的进风提供过滤的空气过滤器，因此发电机直冷进风时必须在克服空气过滤器、阀门等系统管路阻力的同时依然有足够的通风量来保证发电机机组设备能有效散热。在发电机机组及其散热风扇安装完成后，对机组整体进行散热通风性能测试，再将获得的机组通风性能特性数据反馈给发电机设计方进行产品评估、优化改进等。由于常规的AMCA专业通风机性能测试实验室无法满足发电机组运行的电路条件、安装条件等，也无法将发电机组运至专业实验室进行测试，因此需要设计一套适用于发电机组装配测试现场的测试管路系统来对发电机组进行通风性能测试。

1 测试管路系统方案设计

发电机的散热风机种类形式较多，该文所述测试对象为两台轴流风扇分布在发电机转子两侧且与转子同轴的某台发电机机组整体，被测的发电机组由另一台电机驱动，且被测发电机组需要在空载状态下进行通风性能测试。该文根据《GB/T 1236—2017工业通风机用标准化风道性能试验》和《GB/T 10178—2006工业通风机现场性能试验》中的要求、原则和建议，并结合具体的测试需求和测试现场的实地条件进行测试管道系统的方案设计与配置。

1.1 测试装置类型选取与管道直径的确定

考虑发电机机组自身的结构特点，测试管道系统方案采用带有出口侧试验管道的标准试验方法——B型装置进行测试[1]，即被测通风机为自由进口、管道出口，并采用出口节流调节流量[2]。这里将发电机转子及散热风扇作为通风机组整体。考虑发电机组的出风口大小、发电机组在测试条件下运行时的预估风量、测试现场场地限制等因素，整体测试管道的直管段管道内直径选取Dn=ϕ750m。

1.2 毕托管测量截面选取和测量要求

所选取的毕托管测量截面应该没有明显的涡流、逆流产生，流线尽可能接近于平行且垂直于该截面的直管段，气流的方向基本上应是轴向的、对称的。测量截面的位置应尽可能选择在管道截面不变的直线管段上，且不得存在能够改变测量平面气流的障碍物。该部分测试管段的长度应至少是该段管道水力直径的2倍，由于是直管，因此此处水力直径也是管道内直径。毕托管测量面的位置建议选取在距离通风机出口至少5倍的管道直径处，此处为发电机整体的出风口，并配置稳流装置。考虑管道中从管壁到中心区域气流速度的变化情况，应在截面上选取足够数量的测试点。对圆形的测量截面，测试点应分布于至少3条直径上，且在各半径上分布不少于3个测试点。该次测试采用切贝切夫法确定测点位置，测点的具体分布位置如图1所示。测量时，将标准L型毕托管伸入流量测量孔内，通过观察毕托管的校正手柄调整探头方向，使探头平行于管道轴向并做好固定。通过调整毕托管的插入深度测取同一半径上不同径向位置的数据。选择量程适当且校准过的压力表，再将毕托管的滞止压力接口和静压接口分别连接到压力表上。按上述要求测试并记录测量截面4上各点的滞止压力pesg4j和静压pe4j。该次测试使用量程为0Pa～1250Pa的电磁式压差计。

图1 切贝切夫法测点分布图

为能够更准确地绘制出特性曲线，体现发电机机组的风量与风压的关系，应至少测量6组不同的流量与压力关系的数据。

1.3 壁面静压测量截面选取和测量要求

所选取的壁面静压的测量截面在圆形风道的压力测量平面内，在沿管道测量截面的圆周上应至少选择4个等距轴对称均匀分布的壁面测孔进行测量。静压测量孔的位置分布如图2所示。静压测量孔的截面位置同样须选取在气流状态较为稳定的管段。在稳定流动的条件下测取静压读数并进行平均计算。为了减少重复性的工作步骤和后续数据计算步骤，将4个侧壁孔各自的气流引出管连接到同一根汇总气管上，使4个侧壁孔全部联通。同样使用量程适当且校准过的压力表，将压力表的进气端口与汇总气管相连接，如图2所示，这样便可直接测得截面上4个测孔的平均静压。

图2 静压测孔连接示意图

1.4 整流器与调节阀

由于从发电机组出风口流出的气流并不是较为理想的测量状态，因此需要在测试管道中增设稳流装置。常用的整流器类型有两种，一种是AMCA蜂窝状整流器，一种是星型整流器。考虑测试现场场地条件的局限性，该次测试选用结构较为紧凑的AMCA蜂窝状整流器，整流器内部由方形截面的相同单元构成的网格组成，具有压力损失小的优点。整流器尺寸的设计要求应满足如下条件：W=0.075Dn，L=0.45Dn，e≤0.005Dn，如图3所示。管道内直径Dn=ϕ750m，计算后整流器尺寸取为W=56.25mm，L=337.5mm，e=2mm。测试管路中配置花瓣式调节阀，通过调节阀门开度控制流量。

图3 蜂窝形整流器

1.5 测试管路系统方案

由于发电机组测试现场的场地和空间条件的客观因素限制，无法完全按照相关标准要求和建议进行方案设计，因此在尽可能满足标准中的要求和建议的同时，对测试管道的部分尺寸做出了一些适应性调整。同时为了便于生产加工和测管的灵活配置，将测试管道进行分段设计。就这些调整对测试过程和结果可能产生的影响经过评估后所确认的最终测试管路系统方案示意图如图4所示。

图4 测试管路系统方案示意图

2 测试原理与计算

2.1 容积流量

如图4所示，毕托管测量截面4上的马赫数的计算如公式（1）所示。

根据实测，最大平均流速约为11m/s，管道内平均温度为24.19℃，粗算最大流速下流量测量截面上马赫数为Ma4=0.0318，在马赫数Max小于0.15、通风机的压力小于2000Pa的情况下，马赫系数可以取FMx=1；进、出口的静态温度、滞止温度可视为相同，且当通风机上游没有辅助通风机时，则都等于环境温度，如公式（2）所示。

流过通风机和测试管道内的空气流可视为不可压缩，测试管道内截面x上的滞止表压与风机全压近似相等。因此在后续的计算中均使用所测得的管道内平温度进行计算。

pa为大气压，试验环境下空气密度如公式（3）所示。

水蒸气分压由公式（4）求得。

式中：hu为测得的湿度；（psat）Td为饱和蒸气压，由查表可得[3]。

则湿空气气体常数如公式（5）所示。

截面4上的平均静态表压如公式（6）所示。

截面4上的平均滞止表压如公式（7）所示。

截面4的绝对静态压力如公式（8）所示。

截面4的空气密度如公式（9）所示。

截面4上的平均动压如公式（10）所示。

风道中任意一截面的常规动压与流速如公式（11）所示。

式中：ρx=ρ2=ρ3=ρ4。

求得通过截面4的平均流速后，容积流量如公式（12）所示。

式中：A4为测试风道中截面4的横截面积。

2.2 压力与静压

截面2和截面3之间的摩擦损失如公式（13）所示。

常规损失系数如公式（14）所示。

蜂窝状整流器的等效长度与水力学直径之比如公式（15）所示。

摩擦损失系数如公式（16）所示。

雷诺数如公式（17）所示。

式中：v为运动黏性系数，由查表可得[4]。

风机出口截面2的滞止表压如公式（18）所示。

风机出口截面2的静态表压如公式（19）所示。

风机进口侧有pesg1=0，通风机的压力如公式（20）所示。

通风机静压如公式（21）所示。

3 测试结果

3.1 发电机机组的通风特性

现场测试过程中，由于实际管道内存在气流流速不均匀的情况，压力表的数值是波动，因此在读取压力表数值时，通过充分的观察后，在稳定的波动范围内记录当前测量位置点压力的较高值和较低值两组数值，然后再取其算术平均值作为该点的压力值。

测得的风管内温度为24.19℃，测试环境下大气压为101375Pa，测得湿度为63.1%。从阀门全开到阀门全关闭之间共取11个阀门开度进行测量，即测取11组流量压力关系数值。测得并进行平均计算后的压力和计算所得最终发电机组的压力和流量见表1，风量风压性能曲线如图5所示。

图5 流量-压力曲线图

表1 测试与计算数据表

在进行现场测试之前，先在我公司专业AMCA性能测试实验室内，分别用实验室风室和该文所述测试管路系统对同一台试验风机做性能测试。通过对两种方法测试的结果进行对比可知，测试管路系统的管路损失与该文所述损失计算方法的计算结果误差在5%以内。所以该次测试管路系统方案、测试结果是可靠的。

3.2 测试管道内流速分布

在各个阀门开度下各条半径上的平均流速如图6所示，可以看出在同一阀门开度（流量）下每条半径上的平均流速有较明显的差异，也说明在毕托管测量截面上通过截面各点流速差异也较明显。单条半径上靠近高压力小流量点时，随阀门开度的调整，气体流速的变化波动也相对较大，整流器的作用也有所弱化。

图6 各条半径上的平均流速

4 结论

从发电机机组的通风特性数据和曲线图可以看出，实际上并没有测到零流量点的压力，这是因为阀门有其自身的结构特点。阀门完全关闭时存在缝隙，仍然会有相对少量的气流流出。

由于测量截面上各个位置的流速有明显不同，为了提高整体测试结果的准确性，该文选取足够数量的测量点进行测量，求得平均流速后再行后续的计算处理。

另外需要注意，在其他工况条件下的实际测试中也有压力超过2000Pa且管道内温度比较高的情况，此类工况下的测试和计算必须考虑空气压缩性的影响。