Устойчивость работы нагнетателей в сети (помпаж)

Помпаж – это режим неустойчивой работы нагнетателя, когда его производительность резко изменяется – то увеличивается, то уменьшается. Помпаж вызывает гидравлические толчки, удары, что может привести к разрушению нагнетателя и трубопроводов. Причины возникновения помпажа: резкие колебания характеристики сети, что особенно влияет на устойчивость работы нагнетателя, если рабочая точка находится в области седлообразной части характеристики нагнетателя; колебания напряжения в электрической сети, ведущие к изменению частоты вращения электродвигателя; включение и выключение параллельно других нагнетателей. Меры предотвращения помпажа: правильный подбор оборудования и сети, обеспечение надежного энергоснабжения.

Рассмотрим возникновение помпажа на следующем примере. Насос подает воду в бак большого объема, из которого имеется сток воды через трубу с большим гидравлическим сопротивлением (рис. 4.35). Поэтому через нее вытекает часть воды L_A', остальная часть L_E-L_A' остается в баке. Постепенно уровень воды в баке увеличивается, возрастает противодавление столба жидкости, производительность насоса уменьшается, и рабочая точка переходит из точки Е в точку В. В этой точке противодавление Р_{ПР в} уравновешивает осредненное давление насоса Р_Нв. Но вследствие турбулентного характера течения, мгновенное давление, развиваемое насосом, колеблется в пределах ±P'. В некоторый момент Р_ПРв будет больше, чем Р_Нв-Р^'. В результате вода потечет через насос в обратном направлении в объеме L_с, сток через трубу будет L_A", рабочая точка переместится в С, а затем, по мере уменьшения столба жидкости, в D и, наконец, обратно в Е и т.д. В данном случае помпажа можно избежать, если установить ограничители уровня воды в баке (минимальный и максимальный). При переходе рабочей точки в точку Е₁, соответствующей макси-мально заданной отметке уровня воды в баке, насос будет выключаться, при снижении до минимального уровня – включаться. Иными словами, следовало выполнить неравенство

(4.19)

В рассмотренном здесь примере система имела большую аккумулирующую способность. Однако помпаж может возникнуть и в сетях с малой аккумулирующей способностью.

Рис. 4.35. Анализ устойчивости работы нагнетателя при большой

аккумулирующей способности сети

Пусть параметры системы определяются точкой А (рис.4.36,а), затем вследствие медленного закрывания дросселя, режим работы перейдет в точку В. Предположим теперь, что путем мгновенного открывания удалось вернуть дроссель в исходное положение. Так как сеть не обладает аккумулирующей способностью, то расход жидкости через нее равен подаче нагнетателя, поэтому в первое мгновение после создания возмущения режим работы будет характеризовать точка С, лежащая на пересечении исходной характеристики сети и линии L_В=const. Давление нагнетателя Р_В будет больше сопротивления сети ΔР_С. Эта разность вызовет ускорение течения и увеличение расхода жидкости через сеть. И через некоторое время режим работы перейдет в точку А, где давление нагнетателя и сопротивления сети равны. Иными словами, после устранения источника возмущения, режим работы вернулся в исходное состояние. Такая работа нагнетателя в сети называется устойчивой. Условие устойчивости имеет вид

Здесь < (4.20)

Проанализируем теперь аналогичный случай создания возмущения для нагнетателя с седловидной характеристикой (рис. 4.36,б).

Рис.4.36. Анализ устойчивости работы нагнетателя при малой

аккумулирующей способности

Проанализируем теперь аналогичный случай создания возмущения для нагнетателя с седловидной характеристикой (рис. 4.25б).

Проведем характеристики сети ОА₂ и ОВ₂, касающаяся характеристик нагнетателя в точках А₁ и В₁. На участках, расположенных левее и правее этих линий, характеристики сети пересекаются с характеристикой нагнетателя в одной точке, т.е. эти участки являются областями устойчивой работы. На участке, лежащем между сетями ОА₂ и ОВ₂, характеристики пересекаются в трех точках: С₁, С, С₂ (линия ОС₂). Если первоначальный режим работы определялся точкой С, то малейшее возмущение, в зависимости от знака, приводит к смещению режима в точку С₁ или С₂, т.е. к созданию неустойчивого режима.

Здесь .

Проанализируем теперь возможность возникновения помпажа при параллельной работе. Если хотя бы один из нагнетателей имеет седловидную характеристику, то суммарная характеристика в некоторой части имеет две ветви: АВ и СВ (рис. 4.37). Если характеристика сети пересекает линию АВ, то равновероятны два режима работы – в точках D и Е, что может привести к помпажу.

Поэтому во избежание помпажа следует проектировать сеть таким образом, чтобы ее характеристика прошла правее точки А.

Рис.4.37. Совместная работа вентиляторов и насосов при

параллельном включении

Математическая запись устойчивости при параллельной работе двух нагнетателей имеет вид

. (4.21)

Основные принципы подбора оборудования и сетей, предотвращающие возникновение помпажа, сводятся к следующему:

1. Следует применять нагнетатели со стабильной формой характеристики P-L.

2. Для сетей с большой аккумулирующей способностью следует выполнять условие (4.19).

3. При применении нагнетателей с седловидной характеристикой сети рассчитывать таким образом, чтобы их характеристика пересекала характеристику нагнетателя только в одной точке при минимально возможных в процессе эксплуатации подачах. Дополнительные меры для этого случая:

а) установка обратного клапана с целью предотвращения отрицательной подачи;

б) установка дроссельной задвижки непосредственно за нагнетателем;

в) уменьшение аккумулирующей способности системы;

г) уменьшение частоты вращения рабочего колеса.