Режим при нулевой производительности

Путь работающих машин из зоны характеристики устойчивых режимов к режиму нулевой производительности лежит через помпажную зону, других путей нет. Иными словами, каждая машина, работавшая в устойчивом режиме, попавшая в режим нулевой производительности, обязательно сначала проходит хотя бы кратковременно, помпажную зону и потом из помпажной зоны скатывается в нулевую точку характеристики.

Второй путь попадания машин в режим нулевой производительности – неудачный пуск, а также попытка пуска с закрытыми байпасами.

Других причин попадания машин в режим нулевой производительности нет.

При переходе машины из помпажной зоны в зону нулевой производительности происходит резкое падение скорости потока газа, протекающего через проточную часть машины, до полного прекращения потока и, следовательно, производительности.

В этой точке V=0, W_2p=0, W₂=0, С₂=0, ΔР=0, ε=1.

В момент полного прекращения потока газа происходит газодинамический удар как со стороны нагнетательного, так и со стороны всасывающего патрубков за счет резкого прекращения потока газа. Удар кратковременный и, к сожалению, редко улавливаетый обслуживающим персоналом ГКС. Но режим работы нагнетателя быстро стабилизируется, машина продолжает спокойно и бесшумно работать без вибраций и стуков. В режиме нулевой производительности один и тот же газ вращается вместе с рабочим колесом. Энергия затрачивается только на преодоление сопротивления газа трению. Затрачиваемая мощность в таком режиме, как правило меньше, чем при нормальном режиме и составляет 50 – 60% от номинальной. Величина затрат модности зависит от вязкости среды, давления при котором работает машина и приведенного удельного веса газа.

Поведение двигателей.

В момент удара нагрузка на двигатель резко падает.

В авиационных двигателях свободная турбина СТ, как правило идет в разнос, т.е. происходит резкий заброс оборотов СТ над ТК, который может достигать предельных, задействованных на отключение по защите «обороты СТ более 9300». Но не всегда забросы оборотов достигают в момент газодинамического удара предельных оборотов, хотя СТ значительно опережает ТК. Попытки понижения оборотов СТ ключом регулятора оборотов могут не дать желаемых результатов из-за резко упавшей нагрузки на СТ. Однако, турбина постепенно, автоматически, перестраивается на работу с пониженной мощностью, которая может упасть до предельно минимальной, постепенно падает расход топливного газа, СТ сбавляет обороты, хотя «вилка» расхождений в оборотах между ТК и СТ может долго сохраняться. Таким образом, двигатель автоматически не отключается, продолжает вращать ротор нагнетателя в холостую.

Показания приборов давления.

Центробежные машины на холостом ходу при закрытых запорных устройствах на выходном патрубке создают давление 35-40% от максимально достижимого машиной. В условиях компрессорных станций у работающих машин краны №1 и №2 всегда открыты, давление в газопроводе после машины всегда значительно превосходит давление на входе, поэтому машина, попавшая в нулевую производительность с открытыми кранами №1 и №2 оказывается «задавленной» противодавлением из газопровода и она, практически, не создает давления, так как нет движения газа через машину. В таком режиме давления на входе и выходе одинаковые, т.е. Р_к=Р_н, ΔР=0, ε=1.

Манометры, установленные на всасывающем и нагнетательном патрубках, в любых местах до и после нагнетателя, показывают «чужое», по отношения к машине , давление, т.е. статическое давление неподвижного газа во всасывающем и нагнетательном патрубках. Стрелки манометров устойчиво неподвижны, как бы подсказывают, что они показывают давление стоящего, а не движущегося газа. Поэтому степени сжатия подсчитанные по показаниям этих манометров являются фиктивными, не соответствующими действительности и ложно подтверждают, что машина работает в нормальном режиме. Действительная степень сжатия, «задавленных» в нулевом режиме нагнетателей, равна единице ε=1, так как нагнетатель никакого перепада давления не создает. Однако, если обслуживающий персонал КС сразу не заметил и не разгадал что произошло с машиной, не заметил изменения режима работы нагнетателя и двигателя, не поняв или не придав значения тому, что произошло, то ложные показания приборов заносятся в журнал и на основании их показаний делаются ложные выводы, что машина работает в нормальном режиме. В это время спокойно, без вибраций и шума, ротор нагнетателя продолжает вращать один и тот же ком сжатого газа, который и преградил путь перетоку газа в обратном направлении во всасывающий коллектор. Но стоит встать машине с открытыми кранами №1 и №2 как этот ком мгновенно исчезнет, а ротор нагнетателя превратится в турбину уходя в разнос, вращаясь в обратном направлении. К великому счастью, до этого еще не доходило, хотя аналогичный случай был на ГКС Мышкино.

Таковы начальные признаки поведения нагнетателя и двигателя при вхождении в нулевой режим работы.

Вращающийся с ротором один и тот же газ, не находя выхода из нагнетателя, циркулирует в межлопаточных пространствах рабочих колес, перетекая вдоль спинок лопаток в обратном главному потоку направлении. Газ циркулирует и во всех лабиринтных уплотнениях, и всех малейших щелях между вставными деталями диффузоров, и обратных направляющих аппаратов, разъедая и увеличивая, тем самым, зазоры между вставными деталями. Но все это мелочи по сравнению с грозным интенсивным ростом температуры нагрева машины.

Согласно законов сохранения энергии, затрачиваемая энергия на вращение одного и того же газа и на преодоление трений в проточной части нагнетателя превращается в теплоту. Часть тепла теряется в атмосферу в виде теплопотерь нагнетателя и нагнетательных трубопроводов, но главное количество тепла расходуется на интенсивный нагрев нагнетателя, в следствие чего резко возрастает температура корпуса машины, которая может повышаться до значительных величин – до покраснения корпуса машины или загорания смазочного масла.

Для примера:

Двигатель сбросил мощность до 50 – 60% от номинала и работал с нагрузкой около 4000 квт в течение одного часа в нулевом режиме.

Часть модности расходуется на собственные нужды турбин – вращение ТК, часть на вращение ротора нагнетателя. Принимаем ориентировочно (без расчетов) расход мощности нагнетателя 2000 квт, т.е. менее 30% от номинальной. Вес машины и греющихся узлов и трубопроводов принимаем примерно за 10 тонн. Теплоемкость нагреваемых частей примерно С=0,4 к.кал/кг. Тепловой эквивалент работы 427 кг.м/к.кал. (работа в кг.метрах эквивалента затрате тепла в одну калорию).

1.Определим какую работу совершит двигатель в течение часа за 3600 секунд на вращение ротора, помня, что 1 квт=102 кг.м/сек

А = N*3600*102 = 7,35*10⁸кг.м/час

2. при превращении этой работы в теплоту получится количество тепла в килокалориях:

Q = А/427 = 7,35*10⁸/427 = 1,73*10⁶к.кал/час

3. Предположим, что 10% тепла потеряется в виде потерь в атмосферу, тогда количество тепла, расходуемого на нагрев нагнетателя составит:

Q_н = 0,9*1,73*10⁶ = 1,55*10⁶ ккал/час

4.Расход тепла на повышение температуры нагнетателя определяется по формуле:

Q_н = ξСΔt; где ξ – вес нагреваемых частей (мы приняли = 10 тонн=10 000кг); С-теплоемкость;Δt-перепад температуры, на которую нагреется машина.

Решая уравнение относительно Δt мы получим перепад температур нагрева нагнетателя в течение часа.

Δt=Q_н/ξС = 1,55*10⁶/10 000*0,4 =396^оС

5. Фактическая температура машины равна приросту температуры плюс первоначальная температура, примерно 30^оС

Фактически 396+30=426^оС.

6. Интенсивность нагрева в минуту составит:

424:60=7,1⁰ в минуту.

Перегрев нагнетателей свидетельствует о том, что он находится в режиме нулевой производительности. Из нулевой производительности нагнетатель самостоятельно выйти на рабочий режим никогда не сможет потому, что он до предела «задавлен», поэтому, попавшую в нулевой режим машину необходимо немедленно останавливать.