12.1. Устойчивость работы системы компрессор-сеть. Помпаж.

Р абота системы компрессор-сеть определяется точкой пересечения характеристики компрессора с характеристикой внешней сети. Эта точка называется режимной или режимом работы компрессора на данную внешнюю сеть.

Режимная точка, в зависимости от сопротивления сети может находиться в любой части характеристики компрессора, как показано на рис. 45. это точки А, В, или С.

Напомним, что давление есть удельная объемная работа, сообщаемая машиной-генератором потоку.

П од устойчивостью системы понимается возврат режима работы в первоначальное состояние после снятия возмущающего воздействия, возникающего в процессе работы системы.

Пусть режим работы, характеризуемый пересечением характеристики компрессора 1 с характеристикой внешней сети р_с находится в точке А (рис.46). Положим, произошел скачек увеличения напряжения приводного электродвигателя, при котором частота вращения его вала увеличилась. Характеристика компрессора изменила положение и теперь она показана на рис.46, как 2. Режим работы системы переместится от точки А₁ к точке А₂, при котором расход составит Q+ΔQ. После снятия возмущающего воздействия (напряжение сети восстановилось на прежнем уровне) характеристика компрессора вернулась в первоначальное положение 1. При этом оказалось, что для реализации расхода Q+ΔQ в сети необходимо сообщить удельную работу р₂, тогда как развиваемая удельная работа (давление), передаваемая от компрессора потоку, меньше и равна р₁. Поток газа в сети, вследствие недостатка удельной работы сообщаемой потоку, начинает тормозиться. Система возвращается в исходное положение в точку А₁. Система устойчива.

Т еперь, положим, произошло снижение напряжения, питающего электродвигатель, и частота вращения вала компрессора уменьшилась. Характеристика компрессора в этом случае приняла положение 3. Новый режим работы представлен точкой А₃. После восстановления уровня напряжения частота вращения вала компрессора также восстанавливается и его характеристика возвращается в положение 1.

Для реализации расхода Q-ΔQ необходимо, чтобы компрессор развивал давление р₃ , но на характеристике 1 он развивает давление р₁. Поскольку р₁> р₃, то поток газа ускоряется и следующий установившийся режим работы системы наступит в точке А₁. Система устойчива.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что при работе компрессора на монотонно падающем участке характеристики система обладает статической устойчивостью. Условием устойчивости является . При проектировании установок эта часть характеристик является рабочей.

Однако характеристика компрессорной сети в процессе работы может менять свое положение в зависимости от количества потребляемого газа. При малых расходах может оказаться, что режим работы установки приходится на восходящий участок характеристики, например в точке В (рис.47). Рассмотрим этот случай.

Возникновение возмущающего воздействия вызывает отклонение расхода компрессора ± ΔQ. При увеличении расхода до Q+ΔQ давление (удельная работа) необходимое для его реализации в сети будет р_с2. Давление, развиваемое компрессором при этом расходе составляет р₂> р_с2. Поскольку удельная работа, передаваемая потоку газа больше, чем удельная энергия достаточная для реализации расхода Q+ΔQ, поток начинает разгоняться и расход системы увеличивается до следующего статически устойчивого положения – точки А.

Возврата после устранения возмущающего воздействия не последовало. Система статически неустойчива.

При снижении расхода до Q-ΔQ, наступающего после появления возмущения, оказывается, что удельная работа р_с3> р₃ и поток замедляется, расход системы падает.

Следующий устойчивый режим работы будет в точке С, находящейся на ниспадающем участке характеристики компрессора. Система также статически неустойчива.

Т аким образом, на восходящем участке характеристики система неустойчива. Эта часть характеристики является нерабочей.

Во внешних сетях компрессорных установок содержится большое количество газа, обладающее значительной инерционностью, а свойство газа сжиматься, в отличие от практически несжимаемых жидкостей, приводит к появлению автоколебательных процессов во всей системе. Рассмотрим этот процесс.

Устойчивая работа в точке В (рис.47.) невозможна, положим, новое устойчивое положение режима работы точка А.

В этой точке расход компрессора оказался больше чем необходимый расход в сети, соответствующий точке В. При большой емкости сети поступающее от компрессора лишнее количество газа приводит к дальнейшему повышению давления в сети. Это повышение давления (рис.48) продолжается до точки максимального (критического) значения для данного компрессора – точки К, а в системе точки К′. Но даже в этом случае расход компрессора больше, чем это необходимо для данной сети, поэтому давление в сети продолжает расти. Создается ситуация, когда разность давлений, приложенная к колесам компрессора со стороны внешней сети, превышает давление, развиваемое самим компрессором. Происходит переход от точки К к точке D, принадлежащей характеристике компрессора. При этом происходит резкое снижение подачи газа в сеть (рис.48а). Отрицательное значение Q (рис.48б) говорит о перетекании потока газа через компрессор в обратном направлении – отрицательной подаче.

Но расход компрессора в точке D меньше требуемого сетью. Давление, в соответствии с характеристикой компрессора, от точки D начинает падать до точки F, а расход увеличивается. Давление в системе составит F′. Расход, соответствующий точке F оказывается недостаточным и следует дальнейшее снижение давления. Происходит мгновенный переход режима от точки F в точку Е. Затем автоколебательный цикл повторяется.

Р езкие перепады давлений и расходов (часто и по знаку) сопровождаются ударами и вибрацией, которые могут привести к разрушению компрессора. Интенсивность и частота ударов определяется емкостью сети, критическим давлением, плотностью газа и другими факторами.

Такое опасное явление носит название помпаж компрессоров.

Помпажная зона является нерабочей частью характеристики и снижается при уменьшении частоты вращения вала. На характеристиках всех турбомашин, обладающих помпажной зоной, в справочной литературе указывается только рабочая часть (рис.49а).