Неустойчивая работа нагнетателей. Помпаж

В гидравлических и газовых системах, состоящих из динамических нагнетателей, трубопроводов и емкостей, могут возникнуть явления неустойчивости, вызванные рядом причин: изменением частоты вращения вала нагнетателя, срывом потока с лопастей, быстрым изменением расхода потребителями и т.п.

Такие проявления неустойчивости при снятии возмущающей причины могут исчезнуть, и система будет работать равновесно, устойчиво. В других случаях, при наличии в системе неблагоприятных факторов, возникшая неустойчивость не исчезает и самопроизвольно системой поддерживается с нарастанием амплитуды колебаний подачи, давления, мощности нагнетателя. Такие режимы называются помпажем. Внешне помпаж сходен как колебательное явление с резонансом механической системы. Однако между этими явлениями есть существенная разница: помпаж - автоколебание расхода, давлений, мощности при работе гидравлических и газовых систем; резонанс - колебания с возрастанием амплитуды вследствие периодического приложения внешней силы. Если, изменив одну из величин, обнаруживают, что прочие физические величины стремятся привести процесс в исходное состояние, то система устойчива.

Пусть нагнетатель с характеристикой, работает на сеть с малой емкостью. Сопротивление сети может изменяться дросселем, и соответственно характеристики ее пусть будут представляться линиями а, b, с, d, е, из которых b касается характеристики нагнетателя в точке B₁, с - в точке С₂. Предположим, что при работе нагнетателя в режиме с рабочей точкой D произошло резкое увеличение расхода в сети при этом, как видно из графика, напор машины уменьшится, а напор со стороны сети повысится. Изменение расхода в этом случае вызывает такое изменение напора, которое приводит систему в исходное состояние. Это указывает на устойчивость рабочего режима нагнетателя в точке D характеристики. Рассуждая аналогично, можно видеть, что работа нагнетателя является устойчивой во всех точках линий KB₁ и С₂L₂.

Предположим теперь, что дросселированием установлена характеристика а сети и расход сети внезапно увеличился. При этом напор, развиваемый нагнетателем, увеличивается и становится выше напора, требуемого сетью, что вызывает дальнейшее возрастание подачи. Выведенная из исходного состояния система не возвращается в него, а продолжает изменяться самопроизвольно.

Ветвь В₁ С₂ - неустойчивая часть характеристики. Если нагнетатель дросселированием поставлен в режим, соответствующий точке А₂ характеристики, то малейшие возмущения в системе вызовут "сползание" режима в точки A₁ или А₃.

В общем случае полагать, что неустойчивой ветвью характеристики напора нагнетателя является та часть, где восходящий участок ее располагается круче характеристики системы.

 В случае работы нагнетателя на сеть значительной емкости возможно возникновение помпажа.

Сопротивлениями трубопроводов системы ввиду их малости будем пренебрегать.

При работе установки расход V_П, поступающий к потребителю, меньше подачи V_гр, соответствующей максимальному давлению, которое может развивать нагнетатель V_П < V_гр. Если в начале работы нагнетателя давление в емкости A было Р_нач, то начальная подача составляла V_нач.

Если V_нач > V_П давление в емкости А будет повышаться и характеристика сети, представляющаяся при отсутствии сопротивлений прямой линией, будет перемещаться вверх, оставаясь параллельной оси абсцисс. Рабочая точка α системы будет перемещаться по характеристике вверх, и подача нагнетателя будет уменьшаться. В тот момент, когда точка а займет положение α_гр, еще имеется неравенство V_гр > V_П, а нагнетатель создает предельное для него максимальное давление p_гр. Благодаря инерции газовых масс, движущихся в проточных полостях системы, произойдет повышение давления в емкости до p_А > p_гр

Это обстоятельство вызовет торможение потока и обратное течение газа из емкости А через нагнетатель наружу. Поэтому при наличии V_П давление в емкости А уменьшится до p_хх - и нагнетатель начнет подавать в сеть V'. Но V'> V_П, поэтому давление в емкости А вновь начнет возрастать и описанный процесс повторится - установка будет работать в режиме помпажа.

В эксплуатационных условиях помпаж может быть предотвращен при помощи автоматического клапана К, настроенного на предельное давление, несколько меньшее p_хх. При этом рабочая точка α не может попасть на неустойчивую часть характеристики, где V<V_гр, потому что при повышении давления перед дросселем Б до p_хх клапан К автоматически откроется и будет перепускать часть газа во всасывающую трубу. Работа нагнетателя в режиме, близком к помпажу, при открытом клапане К сопряжена с дополнительными затратами энергии на привод,