Неустойчивость работы

8.1. Явление помпажа

В системах, состоящих из центробежных или осевых машин и трубопроводов, могут возникнуть изменения ре­жимов, обусловленные рядом причин: срывами потока с лопастей (при дроссельном регулировании до малых расходов), резким изменением частоты вращения вала машины (при изменении частоты в электрической сети), быстрым изменением расходов со стороны потребителей и т. и. Такие возмущения выводятсистемуиз равнове­сия и в некоторых случаях могут обусловить неустойчи­вость работы системы, выражающуюся в самопроизволь­ных колебаниях подачи, давления и мощности. В тех случаях, когда такие колебания со временем затухают, система является устойчивой. Однако при определенных условиях случайные возмущения вызывают колебания с возрастающей амплитудой, устойчивость не восстанавливается, в системе возникают автоколебания — помпаж.

Явление помпажа сходно с явлением резонанса при колебаниях механических систем.

Неустойчивость и помпаж нежелательны вследствие нарушения постоянства рабочего режима установки. Помпаж опасен ввиду резкого, толчкообразного повышения давления в потоке и соответственно увеличения на­пряжений в рабочих частях системы.

Исследование устойчивости легко провести общеизвестным способом: если, изменив одну из величин, определяющих явление, обнаруживают, что прочие величины стремятся привести процесс в исходное состояние, то процесс устойчив.

Рассмотрим случай работы машины на сеть с малой емкостью (аккумулирующей способностью), как пока­зано на рисунке.

Пусть характеристика сети вследствие наличия в ней дросселя может занимать положения а, Ь, с, d и е так, что характери­стика b касается характери­стики машины в точке В 1, с – в точке С 2. Предположим, что при работе машины в точке D в сети произошло быстрое увеличение расхода; при этом напор машины понизит­ся, а сопротивление сети воз­растет. Разность этих напо­ров уменьшит подачу до ве­личины, соответствующей точке D.

Таким образом, из­менение расхода вызывает здесь такое изменение напо­ра, которое приводит про­цесс в исходное состояние.

Если предположить уменьшение расхода при работе в точке D, то возникает разность напоров, действующая со стороны машины, что приводит к возрастанию рас­хода до исходного (точка D). Это указывает на устой­чивость работы машины в точке D характеристики. При­меняя этот способ, можно убедиться в том, что работа машины во всех точках ветвей К, В₁ и C, L₂ является устойчивой.

Рассмотрим теперь произвольную точку А₂ на ветви В₁, С₂ характеристики. Увеличение подачи сверх Q_A2, вызванное внезапным возмущением, обусловливает рост напора машины и дальнейшее самопроизвольное возра­стание подачи до величины, соответствующей точке A₂. При уменьшении подачи сопротивление сети оказы­вается больше напора, создаваемого машиной, и это вызовет дальнейшее уменьшение подачи (до точки А₁). Поэтому ветвь В₁, С₂ — неустойчивая часть характеристи­ки. Если каким-то способом машина поставлена для ра­боты в точку А₂ характеристики, то малейшее изменение в сети повлечет за собой «сползание» режима в точку А₁ или А₃. Это и есть неустойчивость. Обобщая эти со­ображения, можно отметить, что неустойчивой ветвью характеристики является та часть ее, где восходящий участок характеристики машины проходит круче харак­теристики трубопровода.

Участок неустойчивой работы, очевидно, не может иметь места в тех случаях, когда характеристики ма­шины и сети пересекаются только в одной точке.

8.2. Условия возникновения помпажа.

В случае работы машин на сеть значительной емко­сти также возможно возникновение помпажа. Рассмо­трим это явление на примере рисунка.

Предположим, что центробежная машина работает в системе, обладающей очень малыми гидравлическими сопротивлениями. Схема такой установки и характери­стики ее представлены на рисунке. При работе уста­новки расход Qп поступает к потребителям газа из емко­сти А.

Пусть Q_п< Q_гр, где Q_rp — подача, соответствую­щая точке максимума характеристики машины).

Если в начале работы машины давление в емкости А было р_нач, то начальная подача машины состав­ляла Q_нач.

Если Q_нач > Q_п, то давление в емкости А будет посте­пенно повышаться и характеристика сети (при отсутст­вии гидравлических сопротивлений это прямая линия) будет перемещаться вверх параллельно оси абсцисс; ра­бочая точка системы будет перемещаться по характери­стике машины вверх, а подача машины будет постепенно уменьшаться. В тот момент, когда точка займет поло­жение _гр, еще имеется неравенство Q_rp> Q_п, а машина уже создает максимальное давление р_гр. Благодаря инерции газовых масс, движущихся в каналах машины и всасывающей и напорных трубах, произойдет повыше­ние давления в емкости до р_а> р_гр.

Наличие в емкости А давления р_а большего, чем давление р_гр, создаваемое машиной, вызовет торможе­ние потока и обратное течение газа из емкости А через машину наружу (разумеется, если машина не снабжена обратным клапаном).

Однако вследствие указанного и наличия Q_п через некоторое время давление в емкости А падает до р_хх и машина вновь начинает подавать в сеть Q'. Но Q'> Q_п, поэтому давление в емкости А снова начнет возрастать и описанный процесс повторится; установка будет рабо­тать в режиме помпажа, т. е. с периодическими колеба­ниями давления и подачи.

Применяя изложенный выше метод, можно доказать, что помпаж может возникать только в трубопроводных сетях большой емкости в тех режимах работы, где име­ет место неравенство

.

В тех случаях, когда машина с характеристикой по рисунку, работая на сеть с большой емкостью, дает три точки пересечения характеристик: А₁, А₂ и А₃, помпаж возможен на ветви В₁ С₂.

Возникновение помпажа во многих случаях обуслов­лено срывом потока с лопастей. Поэтому при проектиро­вании машин применяют следующие меры, предупреж­дающие помпаж: скругление входной кромки лопастей, увеличение количества лопастей, применение рабочих колес с лопастями, сильно отогнутыми назад.

В условиях эксплуатации помпаж может быть пре­дупрежден при помощи автоматического антипомпажного клапана k (см. рис.). При этом попадание рабочей точки , определяющей режим установки, на неустойчи­вую ветвь характеристики становится невозможным, по­тому что при повышении давления перед дросселем Б до величины р_хх клапан k автоматически откроется и будет перепускать часть воздуха во всасывающую трубу или выпускать его в атмосферу.

8.3. Предупреждение помпажа.

Задача предупреждения помпажа имеет большое практическое зна­чение и может решаться:

1)созданием конструкций лопастных машин е границей помпажа,
по возможности сдвинутой в область малых подач и имеющих напор­ную характеристику без восходящего участка (без «седловины») или
имеющих восходящий участок характеристики с наименьшим наклоном.
Это достигается разработкой рациональных форм проточной полости
и профилей рабочих лопастей машины. Существенное значение имеет
количество рабочих и направляющих лопастей;

2)применением специальных противопомпажных устройств, не позволяющих машине переходить границу помпажа. В этом случае устанавливается антипомпажный клапан, настроенный так, что при умень­ении расхода потребителей до значения, соответствующего границе
помпажа, он начинает перепуск газа на всас машины или выпуск его
в атмосферу. При этом подача машины будет соответствовать границе
помпажа, предупреждая его появление. Импульс для приведения в дей­ствие антипомпажного клапана берется от трубок полного напора или
диафрагм, располагаемых в напорном трубопроводе машины.

Принципиально возможно также создание антипомпажного регуля­тора, управляющего движением выходного дросселя или направляющего аппарата.

Для увеличения устойчивости вентилятора на испытательных стен­дах вводится дополнительная емкость, включенная или последовательно, или параллельно основному воздушному тракту. При этом указанная емкость отделяется от основной дополнительным дросселем. Нужно отметить, что при параллельном подключении емкости дополнительный дроссель в стационарном режиме не вносят дополнительных потерь.