Колеса многоступенчатых машин.

В многоступенчатых машинах, благодаря сжатию одного и того же количества газа, в каждой ступени происходит уменьшение его объема согласно законам сжатия. Для обеспечения постоянной или возрастающей скорости движения газа через проточную часть машины, в каждом последующем рабочем колесе, сечение проточной части делается меньше, чем в предыдущей ступени, пропорционально уменьшению объема газа. Практически, чаще всего, в первых 2-3 ступенях делают уменьшение проходного сечения рабочих колес за счет уменьшения ширины выходного канала рабочего колеса. Последующие колеса делаются все уменьшающихся размеров, но с сохранением постоянного отношения диаметра входа в колесо к наружному диаметру колеса (Д₁ : Д₂ = constans), с целью обеспечения одинаковой степени сжатия в каждой ступени.

Несоблюдение указанных требований к рабочим колесам многоступенчатых центробежных компрессорных машин, может на нет свести применение многоступенчатого сжатия.

Явление помпажа.

Рис.11

По мере приближения рабочей точки, на правой стороне характеристики, к критической точке «К» все меньше и меньше остается разность в давлении между максимально достижимым давлением Р_кр в критической точке и фактическим давлением Р_к, т.е. ΔР_кр. = Р_кр. – Р_к. –все время уменьшается и стремится к нулю ΔР_кр. 0. Настает момент, когда при малейшем превышении давления в газопроводе, или созданием давления параллельно работающими машинами, рабочая точка n₁ беспрепятственно мгновенно переходит в положение n₂, т.к. незначительное значение ΔР_кр. уже не в состоянии быть преградой для перехода рабочей точки из правой в левую сторону характеристики. Возникает возможность работы нагнетателя при одинаковом давлении, но со значительно меньшей объемной производительностью в точке n₂ левой части характеристики. При мгновенном движении рабочей точки по кривой характеристики в левую сторону к точке n₂ резко уменьшается производительность и скорости W₂ и W_2р, в следствие чего происходит срыв или разрыв потока. Вследствие срыва потока при малых расходах, давление создаваемое машиной в точке n₂ левой части характеристики, становится меньше чем в газопроводе и газ устремляется из газопровода через машину в направлении обратном нормальному течению. После падения давления в газопроводе, возобновляется подача газа машиной, что приводит к росту давления в газопроводе и передвижению рабочей точки О с левой части характеристики в правую в положение n_1, что приводит к росту давления в газопроводе и снижению производительности нагнетателя. Процесс повторяется – точка n₁ снова уходит в левое положение n₂. Этот процесс скоротечный, циклы могут повторяться многократно в секунду и не поддаются регулированию. Поток газа в рабочих колесах тоже претерпевает резкое изменение.

Распределение скоростей в колесе при помпаже и изменение потоков при выходе из колеса

Рис. 12

Из рисунка видно что при при переходе рабочей точки из положения n₁ в положение n₂ резко падает объемная производительность, следовательно уменьшается скорость W_2р, определяющая производительность колеса, а следовательно уменьшается относительная скорость W₂, увеличивается и изменяет положение скорость С₂, уменьшается угол выхода из колеса с α₂ до α₂^' , т.е. в потоке газа через колесо происходит перестройка распределения скоростей. Не успев установиться перераспределение скоростей с точке n₂, как внось происходит перераспределение в связи с уходом точки n₂ в положение n₁, т.е. в колесе происходит также пульсирующее изменение параллелограмма распределения скоростей синхронно изменению положения точек n₁ и n₂, а абсолютная скорость выхода газа из колеса приобретает еще и колебательное движение, выходящих струй газа из межлопаточных пространств на разность углов выхода (α₂ - α^'₂).

Непрерывное изменение объемной производительности, скоростей и направления потока из колеса создает беспорядочно бурлящий поток газа, который в гидравлике носит название турбулентный. Колесо превратилось в возмутитель беспорядочного потока. этот поток можно мысленно себе представить как беспорядочно бурлящую или кипящую лавину, проносящуюся сквозь проточную часть нагнетателя со средней скоростью превышающую 200 м/сек, причем эта скорость то резко возрастает, то резко замедляется. Таким образом, при помпаже происходит периодическое колебательное движение, как бы кипящего газа, через машину в направлении нормальной подачи и толчков в обратном направлении. Частота и интенсивность этих колебательных движений газа зависит от величины давления, плотности газа γ₂, размеров машины и, главное, емкости газопровода впереди машины.

В пульсирующем потоке бурлящего газа возникают значительные инерционные динамические усилия. В зависимости от всех этих условий внешне помпаж проявляется в форме сильных вибраций и периодических толчков в машине. Порой создается впечатление, что машина не газ качает, а щебенку или какие-то твердые предметы.

Ротор работает в условиях сильных знакопеременных нагрузок, возникают осевые знакопеременные нагрузки значительно превосходящие расчетные, в следствие чего сильно перегружаются подшипниковые узлы. Вот почему консольные нагнетатели типа 280-11 попадая в помпажную зону немедленно уходят в осевой сдвиг. Их или останавливают по осевому сдвигу, или их останавливает реле осевого сдвига.

В нагнетателях ГПА-Ц-6,3 с конструктивно по иному размещенными подшипниками и ротором, с выносным подшипником и саморазгрузкой от осевых усилий, стало возможным какое-то время выдерживать помпажные нагрузки. Но в конце-концов попадая в левую часть характеристики, в точку n₃, расположенную ниже точки n₂, и они часто оказываются задавленными противодавлением из газопровода, так как описано ранее. Точка n₃ быстро катится от помпажной зоны к нулевой производительности, откуда нагнетатель самостоятельно выйти на рабочий режим не может – его нужно немедленно останавливать. Работа в помпажной зоне, как правило, недопустима, а поэтому крупные машины должны снабжаться устройствами противопомпажной защиты, принцип работы которых заключается в том, что они не допускают попадание рабочей точки центробежных машин в помпажную зону.

Самым пагубным последствием помпажа является выход из строя нагнетателей. Даже непродолжительное пребывание нагнетателей в помпажной зоне может вызвать поломки любых деталей проточной части машины, а также подшипниковых узлов. Могут быть повреждены рабочие колеса, образовываться трещины в дисках, сколы и даже отрывы частей лопаток. Могут деформироваться диффузоры и обратные направляющие аппараты, а также их лопатки, гребешки лабиринтовых уплотнений. Выходят из строя уплотнительные кольца и другие детали. Не исключены задиры рабочих колес вследствие задевания за неподвижные детали проточной части и т.д. прочностных условий защиты деталей нагнетателей от помпажных перегрузок нет и невозможно их создать. Поэтому, каждая машина, побывавшая в помпажной зоне, должна быть остановлена и обследована на предмет пригодности к эксплуатации. Выявленные дефекты должны быть устранены.

Что такое помпаж? Самая короткая формулировка в переводе на русских язык означает пульсация. Более полно – режим газоперекачивающих центробежных машин, при котором происходит пульсирующий, турбулентный (вихреобразный) поток газа через проточную часть, вызванный одновременной работой в разных точках характеристики с одинаковым давлением, но разной производительностью, называется помпажем.

Причин помпажа две + одна.

1. Наличие на характеристике машины участка кривой вблизи критической точки К, близкой к прямой, расположенной на линии или вблизи линии равных давлений, в следствие чего возникает возможность одновременной работы машины в разных точках характеристики с одинаковым давлением, но с разными объемными производительностями.

2. Перекачка сжимаемых газов.

3. Субъективная причина – невнимательность обслуживающего персонала.

С целью защиты ЦБН от попадания в помпажную зону левой части характеристики, расчетным и опытным путем устанавливают границу минимально допустимой приведенной объемной производительности, на которой допустима работа нагнетателей. Такой границей является минимально допустимая приведенная производительность на 10%, превышающая критическую производительность