книги из ГПНТБ / Казакевич, В. В. Автоколебания (помпаж) в компрессорах

Издание 2-е, переработанное и дополненное

М о с к в а

«МАШИНОСТРОЕНИЕ»

1974

ВВЕДЕНИЕ

Изучение помпажа, причин помпажных колебаний расхода и давления воздуха в пневматических системах, содержащих вен­ тиляторы и компрессоры, представляет значительный теорети­ ческий и прикладной интерес. При таких колебаниях воздух по­ дается толчками, что приводит к сильным ударам и изменениям потребной мощности. Затрудняется эксплуатация вентилято­ ров и компрессоров, в некоторых случаях возможна их поломка. Так, на рис. 0.1 показано одно из рабочих колес трехступенчато­ го центробежного компрессора, в котором из-за интенсивного помпажа оторвалась лопасть.

Рассмотрим некоторые характеристики, определяющие пове­ дение пневматической системы, показанной на рис. 0.2. Она со­ стоит из компрессора 2 со всасывающим 1 - и нагнетательным 3 трубопроводами, воздушного объема 4 и переменного сопротив­

ление рк в напорном трубопроводе непосредственно за компрес­ сором с объемным расходом воздуха QKв том же сечении. Типпч-. ный вид характеристики компрессора показан кривой 1 иа рис. 0.3, а. Для дальнейшего рассмотрения весьма существенно наличие на характеристике восходящего участка.

Рб —Рба~Ро —Ф(<2*),

где ре — избыточное давление перед дррсселем; Рба — абсолютное давление перед дросселем; Ро — внешнее давление;

Qr — объемный расход воздуха через дроссель.

Эта характеристика показывает величину потери напора на дросселе, затраченную на преодоление его сопротивления, в за­ висимости от величины расхода Q. В рассматриваемом случае ее можно считать приближенно квадратной параболой.

5

Итак, расходы, меньшие равновесного Q*, возрастают, а боль­ шие равновесного, убывают. Следовательно, точка равновесного режима Q* устойчива. Однако на практике довольно часто мо­ гут встретиться такие характеристики компрессора и сети, при которых режим делается статически неустойчивым.

Такой случай показан на рис. 0.4, где характеристики ком­ прессора и сети пересекаются в трех точках А, В, С. Легко ви­ деть, что характер пересечений в точках А и С аналогичен рис. 0.3, б. Следовательно, равновесные режимы, соответствую­ щие этим точкам, устойчивы. Режим, соответствующий точке В, статически неустойчив, и работа на нем практически невозможна. Рассмотрим этот случай, давая приращение расхода AQ в ок­ рестностях точки В.

При Q > Q* характеристика компрессора проходит выше ха­ рактеристики сети. Следовательно, имеется избыток напора и объем воздуха между компрессором и дросселем будет ускорять­ ся, а расход Q — возрастать, удаляясь от равновесного режима.

При Q < Q* характеристика компрессора проходит ниже ха­ рактеристики сети. Объем воздуха будет получать отрицательное ускорение, и, следователь­ но, расход — убывает, так­ же удаляясь от равновесно­ го режима. Следовательно, режим, соответствующий точке В, неустойчив. Он бу­ дет меняться в сторону уве­ личения или уменьшения расхода до тех пор, пока не наступит равновесие, соот­ ветствующее точке А или С характеристики. Указан­ ные здесь чисто описатель­ ные соображения ниже строго обоснованы.

7

Ввиду того что устойчивость в приведенных случаях опреде­ ляется особенностями расположения характеристик компрессо­ ра и дросселя в окрестностях равновесного режима, а эти харак­ теристики, зависящие от величины рассматриваемого параметра (расхода), являются статическими, такой тип устойчивости на­ зывают статической устойчивостью (или статической неустойчи­ востью). Он аналогичен характеру устойчивости тяжелого ша­ рика соответственно на дне углубления или на вершине выпук­ лости. Аналогией можно также считать устойчивое равновесие маятника в нижнем положении и неустойчивое равновесие —

вверхнем.

Вдальнейшем будут рассмотрены также понятия динамиче­ ской устойчивости и неустойчивости, связанные не с величиной расхода вЪздуха, а со скоростью его изменения. Эти соображе­ ния ниже строго обоснованы.

Из опыта эксплуатации вентиляторов и компрессоров извест­ но, что при работе на статически устойчивых равновесных режи­ мах наблюдаются интенсивные колебания давления и расхода, которые иногда могут оказаться опасными; причем, как будет показано далее, характер помпажа и вообще возможность его появления связаны в основном с формой характеристики ком­ прессора.

Исследованию вопросов возникновения указанных колеба­ ний, их частоты и интенсивности, влияния различных факторов на их характер посвящен ряд теоретических и эксперименталь­ ных работ.

Проф. П. Остертаг, рассматривая характеристику центро­ бежного насоса (рис. 0.5), отмечает, что режим работы устойчив лишь в точках понижающейся ветви [27]. Если точка режима ра­ боты компрессора находится на ветви, идущей вверх, то подача происходит толчками и сопровождается сильными колебаниями величины потребной мощности. При таких условиях наступает неустойчивый режим работы.

Для разъяснения этого явления дается представление о том, что компрессор присоединен к резервуару, из которого к месту потребления уходит то больше, то меньше газа. Нормальная работа вблизи наибольшего к. п. д. происходит в том случае,, если режим соответствует приблизительно точке А характерис­ тики. Ордината этой точки дает величину достаточного давления, равного противодавлению трубопровода.

До тех пор, пока величина потребления газа совпадает с по­ даваемым объемом VA, точка работы остается прежней. Если потребление возрастет, то резервуар несколько опорожнится, давление в нем упадет, и противодавление снизится. Тогда ком­ прессор сможет подавать больший объем Vb■ Новое состояние равновесия в точке В устанавливается само собой, в соответст­ вии с величиной потребления газа.

8

Если же потребление уменьшится, то газа будет подаваться слишком много, давление в резервуаре по­ высится, и точка режима работы сместится влево. Такой процесс приспособ­ ления величины подачи к потребности в газе происхо­ дит до высшей точки К, со­ ответствующей объему VK. Если потребление продол­ жает падать и дальше, то точка режима работы пере­ ходит на левую ветвь харак­ теристики, но компрессор

не может при этом поддерживать только что достигнутую наи­ большую величину давления и сразу прекращает подачу, вследствие чего точка режима работы сразу переместится в положение холостого хода (точка D).

Начиная с этого момента, давление в резервуаре не может более оставаться на одном и том же уровне, так как потребле­ ние газа не прекратилось. Как только давление в резервуаре понизится до уровня, соответствующего точке D, подача почти мгновенно возрастет до величины, соответствующей точке Ё. Ре­ зервуар снова наполняется, так как теперь подача будет.больше потребления, и противодавление повышается до критической точки К. Затем подача компрессора снова падает и все описан­ ные явления повторяются.

Особенно ясно обнаруживается неустойчивый режим на левой ветви характеристики, если к тому же иметь в виду, что ком­ прессор часто бывает подвержен небольшим колебаниям числа оборотов. Если число оборотов повысится, то характеристика займет положение D'K'A', и точка режима работы на левой вет­ ви при сопротивлении, остающемся в этот момент неизменным, смещается из С в С'. Подача уменьшается, тогда как потребле­ ние остается прежним. Это вызывает понижение давления, которое в конце концов приводит к прекращению подачи (точка D ').

Если напротив, число оборотов несколько понизится, то ха­ рактеристикой будет служить кривая D"K"A". Новой точке ре­ жима работы соответствует увеличение объема, потребление же не изменится, поэтому давление растет до своего критического

.значения (Точка К"), после чего дальнейшее увеличение давле­ ния невозможно. С этого момента компрессор не может более создавать давления, равного увеличившемуся давлению в ре­ зервуаре; подача сразу прекращается, и точка режима работы переходит в положение холостого хода (точку D")..

9