Курс «Применение трубопроводной арматуры». Модуль «Арматура антипомпажной защиты и регулирования»

Частота пульсаций достаточно жестко связана с емкостью сети и длиной трубопроводов. Амплитуды колебаний также зависят от емкости сети, ее инерционных и демпфирующих свойств. Зависимость от сети настолько велика, что один и тот же компрессор при одинаковых режимах по расходу газа и частоте вращения может работать как в режиме помпажа, так и без его проявления. Изменение емкости по расходу рабочего тела вызывает отклонение момента начала помпажа. Этим, в частности, объясняется то, что линия совместной работы компрессора и газовой турбины в установках с регенерацией теплоты отходящих газов проходит ближе к линии помпажа, чем в установках без регенерации теплоты отходящих газов.

Пример реальной картины помпажа в реальных производственных условиях компрессора полипропиленового производства представлен ниже.

Рис. 1.8. Картина помпажа пропиленового компрессора

а) Перепад давления на диафрагме Po во всасе 1-й ступени

б) Перепад давления на диафрагме Po во всасе 2-й ступени

в) Перепад давления на диафрагме Po в нагнетании

Результатом помпажа компрессора стали нестабильность расхода и давления, резкие колебания потребляемой мощности, приводящие к усталости металла, были обнаружены повреждения подшипников вала колеса, увеличение зазоров в уплотнениях. Это в свою очередь привело к снижению КПД и в дальнейшем к сокращению межремонтного срока работы.

Граница помпажа

Точка на характеристике компрессора, левее которой возможен помпаж, называется граничной точкой помпажа.

При малых расходах поток газа с определенной степенью повышения давления занимает не всю полость проточной части, что приводит к расширению газа в определенных местах, часть потока газа из отвода возвращается обратно в рабочее колесо, а затем снова выбрасывается в отвод. Возникает т.н. вращающийся срыв потока газа в рабочем колесе. В результате этого происходит колебание давления и производительности, компрессор начинает работать с периодическими ударами и вибрацией. При определенных условиях может произойти прекращение подачи газа или даже разрушение компрессора.

При уменьшении производительности давление нагнетания растет до определенного максимального значения р_макс. При дальнейшем уменьшении V начинается нестационарная работа компрессора с ударами и колебаниями параметров. Интенсивность и частота этих ударов зависят от величины р_к, плотности перекачиваемого газа, емкости сети трубопроводов и других факторов.

Явление помпажа в компрессорах выражено более явно, чем насосах, т.к. перекачиваемый газ в компрессоре и трубопроводе является аккумулятором энергии, способным вызывать упругие колебания в системе.

Кроме того, неустойчивая зона напорной характеристики газовых машин значительно шире, чему у насосов, главным образом за счет применения больших углов наклона лопастей или лопаток. Так, например, зона помпажа у многоступенчатых компрессоров достигает 60%, у нагнетателей наддува транспортных двигателей (при угле изгиба лопатки 900, она распространяется почти до номинального режима, т.е. для таких машин допустимы лишь перегрузки по производительности.

Теоретическая граница помпажа должна совпадать с режимом максимального давления. В действительности помпаж начинается при несколько больших производительностях.

Простейшее объяснение механизма возникновения неустойчивой работы компрессора в зоне границы помпажа показано на рис. 1.9.

Рис. 1.9. К объяснению границы помпажа

В общем случае напорная характеристика H=f(V) представляет собой кривую с двумя точками перегиба Н_макс и Н_мин. Положение этих критических точек по оси абсцисс может быть различными. Чаще всего V _Hмакс > 0, а V _Hмин < 0.

Устойчивость работы машины в системе характеризуется способностью восстанавливать равновесное состояние после окончания действия возмущающих факторов, способных вывести систему из состояния равновесия.

Рассмотренные выше условия относятся к статическому состоянию системы. Если в системе есть аккумулятор энергии (резервуар, элементы с достаточной упругостью или упругие трубопроводные элементы), то при работе вблизи точки V _Hмакс имеет место колебание напора и производительности и может произойти скачкообразный переход режима в точку 4. Аналогично может иметь место скачкообразный переход режима из точки 1 в точку 5. Этот процесс может многократно повторяться. Такая неустойчивая работа компрессора, сопровождающаяся резким периодическим колебанием давления в производительности в сети (системе).

Частота и амплитуда колебаний зависят от характеристики компрессора, объема газа в системе, свойств перекачиваемого газа и др.

Для обеспечения устойчивой работы компрессор должен работать на ниспадающей части характеристик H=f(V). Величина V_к определяется из анализа формы характеристики компрессора и системы.