Помпаж.
Помпа́ж — неустойчивая работа компрессора, вентилятора или насоса, характеризуемая резкими колебаниями напора и расхода перекачиваемой среды.
Все компрессоры, которые делают свою работу путем увеличения скорости газа называются динамические компрессоры. Динамические компрессоры функционируют путем передачи газу момента через высокоскоростной ротор. Такой компрессор имеет открытую проточную часть. Если зафиксировать вал, то можно продуть его насквозь в любом направлении, вне зависимости от того, осевой это компрессор или центробежный. Он сжимает газ посредством увеличения его скорости и последующей конвертации ее в давление в диффузоре.
В отличие от объемных компрессоров, динамический компрессор имеет неизменный внутренний объем, так что объемный расход через компрессор — это произведение сечения на скорость потока через это сечение. Скорость потока в данном случае представляет собой кинетическую энергию, которая толкает газ в прямом направлении, из всаса в нагнетание.
Целью работы компрессора является доставка газа из зоны низкого давления в зону высокого давления. Перепад давления, который при этом создается, представляет собой потенциальную энергию, которая толкает газ в обратном направлении, из нагнетания во всас.
Таким образом, компрессорная карта, которую можно найти в паспорте на компрессор, это визуальное представление поля битвы между этими энергиями. Чем выше перепад давления, тем ниже расход, и наоборот.
Строго говоря, потенциальная энергия в этой системе не полностью зависит только от компрессора. Часть газа уходит дальше в процесс, который характеризуется некой величиной пропускной способности. Чем выше эта пропускная способность, тем больше газа уйдет из нагнетания компрессора в технологию, и тем меньший перепад будет фигурировать в описанном равновесии энергий. Точка пересечения между газодинамической кривой компрессора кривой сопротивления процесса называется «Рабочая Точка компрессора».
Идеальная газодинамическая кривая компрессора горизонтальна с левого конца и вертикальна с правого. Правый конец кривой – это предел чока или предел запирания расхода. Скорость газа в этом режиме близка к скорости звука и дальнейшее ускорение газа связано с энергиями совсем другого порядка. В обычных условиях дальнейшее падение перепада при достижении этой зоны не вызывает увеличения расхода.
Левая часть этой кривой – это линия помпажа. В этом режиме скорость газа падает настолько, что на лопатках возникает срыв потока. В этот момент кинетическая энергия внезапно падает практически до нуля и все. Что остается на том самом поле битвы – потенциальная энергия, которая мгновенно разворачивает расход в сторону всаса компрессора. Расход падает примерно за 30-50 миллисекунд, так что это действительно мгновенно.
Что происходит после этого? Теоретически, вот так выглядит газодинамическая кривая справа от линии помпажа.
Нетрудно заметить, что перепад давления должен в идеале начать падать сразу же, как расход пересекает линию помпажа. В реальности же к выходному фланцу компрессора привинчена труба и в ней полно сжатого газа. Как быстро давление в этой трубе пойдет вниз зависит от объема трубы по отношению к пропускной способности компрессора. Так же, как компрессор имеет ограничения по нагнетанию газа вперед, он имеет и ограничения по пропуску его в обратном направлении.
Когда часть газа в итоге перетечет из нагнетания во всас, перепад давления уменьшится настолько, что компрессор сможет восстановить прямое направление потока. Полный цикл помпажа от падения расхода до полного восстановления занимает обычно 1-2 секунды, но он, в конечном счете, зависит от того, как быстро компрессор при помпаже высосет из нагнетательного патрубка достаточно газа, чтобы получить возможность вновь преодолеть перепад давления. Если маленький компрессор дует в большую трубу (как это часто бывает в нефтепереработке), цикл помпажа будет больше. Если большой компрессор дует в маленький объем (как, например, осевой компрессор газовой турбины), то цикл помпажа будет меньше секунды от начала до полного восстановления. Теперь, когда я описал, что происходит с газом и жнергиями, интересно рассмотреть, что происхдит с самим компрессором.
Теперь, интересно рассмотреть, что происходит с самим компрессором
1. Компрессор спроектирован так, чтобы перекачивать газ в определенном направлении. Это означает, что механическая конструкция предусматривает, что давление с одной стороны вала будет больше, чем с другой. Что, в свою очередь, предполагает, что направление силы, действующей на вал, будет всегда направлено к всасу. Размер этой силы может меняться, но направление не должно. Если же поток разворачивается, направение вектора этой силы тоже разворачивается (не всегда, но часто). Это может вызвать движение вала в осевом направлении и повредить подшипники и уплотнения.
2. Когда происходит срыв потока, он не начинается на всех лопатках одновременно. Он развивается на одной, а потом заполняет вихрями большинство лопаток. Те лопатки, расход на которых уже отсутствует, соседствуют с теми, где он еще есть. Это вызывает дисбаланс сил, действующих на вал, так что он начинает трястись и раскачиваться в разных направлениях.
3. Мощность, развиваемая приводом, должна быть передана газу. Если поток газа отсутствует, привод внезапно разгружается. Если это паровая или газовая турбина, ее мгновенная разгрузка может вызвать раскрутку вала привода и аварийный останов по сверхоборотам. Это особенно актуально для газовых турбин авиационного типа.
4. Газ греется при сжатии, так что при помпаже он успевает пройти несколько циклов нагрева и привести к останову по превышению температуры.
Феномен помпажа хорошо изучен специалистами в области компрессорной автоматики. Существует множество стратегий предотвращения помпажа, разработанных как производителями компрессоров, так и сторонними компаниями-поставщиками автоматики. Если технология и компрессор правильно посчитаны при проектировании, все датчики и автоматика правильно настроены, то помпаж может произойти только вследствие непреодолимых причин, связанных с поломками оборудования. В этих критических условиях помпаж обычно не самое неприятное, что происходит с агрегатом.
Помпаж является следствием уменьшения подачи центробежного компрессора ниже определенного для него критического значения. В результате происходит срыв потока воздуха с лопаток воздушного колеса или лопаточного диффузора компрессора, нарушается устойчивая работа последнего.
Любой центробежный компрессор обладает свойством резко снижать подачу с увеличением сопротивления газовоздушного тракта. Повышение сопротивления газовоздушного тракта может происходить из-за увеличения сопротивления воздухозаборного устройства; неполного открытия заслонок в трубопроводах между компрессорами первой и второй ступеней наддува; за-коксовывания кромок выпускных и продувочных окон в стенках цилиндров дизеля и лопаточного аппарата газовой турбины.
Появление помпажа можно объяснить и повышением температуры наддувочного воздуха из-за ухудшения работы воздухоохладителей. Одной из причин, способствующих возникновению помпажа, является повреждение рабочих лопаток турбины и ее соплового аппарата обломками поршневых колец или другими посторонними предметами при отсутствии защитных решеток перед сопловым аппаратом.
Для обеспечения нормальной работы компрессора и устранения явления помпажа применяются автоматические регуляторы - антипомпажные устройства, которые поддерживают необходимый расход среды:
1. противопомпажные гидравлические регуляторы;
2. пневматические регуляторы;
3. электронные контроллеры.
Регулирование работы компрессора с целью избежания явления помпажа может производиться:
1. перепускным клапаном;
2. сбросным клапаном;
3. дросселированием во всасывающем трубопроводе;
4. поворотом лопаток направляющего аппарата.
Системы защиты автоматически срабатывают в случаях внезапных значительных изменений характеристик нормального технологического режима. Они защищают компрессорные машины и решают двоякую задачу:
1. недопущение работы компрессорной машины в зоне неустойчивой работы (в зоне помпажа);
2. предотвращение помпажа;
3. обеспечение высокой экономической эффективности работы компрессора.
Для защиты от помпажа обычно используется сброс рабочей среды или перепуск с выхода компрессора на его вход в количестве, необходимом для избежания помпажа, для этого в системе антипомпажного регулирования и защиты используются регулирующие или запорно-регулирующие антипомпажные клапаны.
Современные антипомпажные клапаны имеют высокую скорость хода, которая предотвращает длительное воздействие помпажа на компрессор, а также регулируют поток, что требует не только быстрого полного хода, но также и способности реагировать на изменение уставки быстро и точно.