3. Работа турбомашин на внешнюю сеть

Из напорной характеристики турбомашины видно, что напор и производительность не могут быть произвольно заданы независимо друг от друга. При заданной скорости вращения рабочего колеса эти величины регламентируются индивидуальной характеристикой, из которой видно, какую удельную полезную работу (напор) машина способна обеспечить при определенной величине производительности.

С другой стороны, характеристика внешней сети при данном сопротивлении показывает, какая удельная работа (напор) требуется для транспортирования того или другого количества текучего. Очевидно, характеристика турбомашины и характеристика внешней сети связаны между собой.

3.1. Эксплуатационные режимы турбомашин

Имея действительную индивидуальную характеристику турбомашины (полученную опытным путем), нетрудно построить в этих же координатных осях характеристику внешней сети в том же масштабе.

Рис.26. К определению рабочего режима вентилятора (а) и насоса (б)

а

б

Параметры рабочего режима определяются точкой а₁ пересечения индивидуальной характеристики машины 1 (рис.26) ( в координатах р-Q – для вентиляторов и H-Q – для насосов) и характеристики внешней сети I.

При изменении характеристики внешней сети (например, при увеличении сопротивления сети – характеристика II) рабочий режим переместится в точку а₂. Если характеристики не пересекаются, то машина не имеет рабочего режима (например, при работе центробежного насоса, максимальный напор которого меньше геодезической высоты Н_г). При этом насос не сможет поднять воду на геодезическую высоту. Поэтому при выборе насосов необходимо, чтобы его напор был больше геодезической высоты.

Устойчивость работы турбомашины – важное условие ее нормальной эксплуатации. Изменение режимов работы возникает при изменении сопротивления сети или частоты вращения турбомашины, что выводит систему из равновесия.

Из рис.26 видно, что при монотонно падающей индивидуальной характеристике турбомашины всегда получается одна точка пересечения с характеристикой внешней сети и будет обеспечен устойчивый ра6очий режим установки.

Условием обеспечения устойчивого режима является выполнение неравенства [4]:

 (52)

где H_c и H – соответственно напор, необходимый для перемещения жидкости в сети и создаваемый турбомашиной; Q_c и Q – расход жидкости в сети и подача машины.

В случае, если характеристика турбомашины имеет две и более точек пересечения с характеристикой сети (рис.27), то ее режим работы может быть неустойчивым, ибо под влиянием каких-либо мгновенных колебаний параметров установки режим работы может переходить из точки а в точку в или в точку б.

Таким образом, в системе «машина – сеть» при наличии неустойчивой ветви а-б-в (рис.27, а) и с-с₁ (рис.27, б) возникают автоколебания – помпаж (неустойчивая работа, сопровождающаяся резкими, толчкообразными периодическими изменениями давления и расхода, приводящими к гидравлическим ударам в сети). Помпаж вызывает повышенные напряжения в элементах насоса, вибрации рабочих лопастей и ротора и ускоряет выход оборудования из строя.

Рис.27. К определению устойчивого

и экономичного режима работы турбомашины: характеристики турбомашины

и внешней сети пересекающиеся в трех (а)

и двух (б) точках

а

б

Явление помпажа может возникнуть не только в насосах, но и в других турбомашинах (вентиляторах, компрессорах), работающих на внешнюю сеть при наличии неустойчивого участка характеристики турбомашины. Неустойчивым участком характеристики является та ее часть, где восходящий участок характеристики машины проходит круче характеристики сети, т.е. не выполняется условие (52).

Шахтные центробежные вентиляторы обладают плавно изменяющимися характеристиками, работают на шахтную сеть без геодезической высоты и всегда имеют устойчивые режимы.

Шахтные осевые вентиляторы могут иметь неустойчивые режимы работы при наличии впадин и разрывов в их напорных характеристиках (рис.27, а).

Кроме устойчивости, к рабочим режимам лопастных машин предъявляется требование экономичности, которая оценивается КПД. С изменением подачи турбомашины ее КПД может принимать значения от нуля до _max. Экономичными считаются режимы, при которых   _min.

В теории лопастных машин используются два метода определения _min. В первом методе _min = (0,840,85) _max, во втором задаются конкретным его значением с учетом уровня развития турбомашиностроения. В настоящее время для вентиляторов главного проветривания принято _min  = 0,6 [4].

Участок характеристики лопастной машины, режимы которого удовлетворяют условиям экономичности и устойчивости, называется рабочей частью. Для центробежных насосов и вентиляторов рабочая часть характеристики определяется только условиями экономичности.

Для осевых вентиляторов часть экономичных режимов оказывается неустойчивой. На аэродинамической характеристике осевого вентилятора (кривая 1, рис.27, а) экономичные режимы расположены между точками в и с, что обусловлено кривой КПД – 2. Однако устойчивыми являются режимы правее точки а на кривой 1, поэтому рабочей частью аэродинамической характеристики вентилятора будет участок а-с.