Процессы помпажа в насосных системах

Рассмотрим работу системы, состоящей из насоса, трубопровода и напорного бака (на рисунке 9.3а). Линия характеристика насоса имеет «провал» и «горб» в пределах первого квадранта – такой вид характеристики типичен для диагональных и осевых насосав. Насос закачивает воду в водонапорную башню из водоема, при этом уровень воды в водоеме совпадает с уровнем установки насоса. Всасывающий трубопровод короткий и имеет достаточно большое сечение, поэтому в дальнейшем рассмотрении потерями в нем пренебрегаем. Все сопротивление сети тогда состоит только из напорного трубопровода 1, идущего от насоса к водонапорной башне. В начальный момент времени уровень в башне совпадает с уровнем установки насоса, поэтому гидростатический напор в сети Н_г равен нулю.

Вначале рассмотрим ситуацию, когда водоразбор из напорной башни отсутствует (Q _{разб .} = 0).

В момент включения насоса начальный режим работы системы, согласно методу наложения характеристик, определяется точкой пересечения характеристики нагнетательной установки (насоса а) и характеристики сети, то есть трубопровода 1 (точка Ф₀). Напор насоса при этом тратится только на преодоление потерь напора в трубопроводе.

а) схема системы

б) графическое отображение режимов системы

Рисунок 9.3 – Графическое отображение помпажа в насосной

                   системе

Так как этом расход Q ₀ направлен в сторону башни, она начинает наполняться, и уровень поверхности воды медленно поднимается вверх. В сети появляется гидростатический напор, равный высоте уровня воды в башне. На графике это отображается смещением параболы сети вверх на величину гидростатического напора. Характеристика сети изменяется, и в результате устанавливается некоторый промежуточный режим Ф₁, определяемый также по методу наложения характеристик. Напор насоса теперь тратится на преодоление потерь напора в трубопроводе и гидростатического напора в сети.

Расход в системе, как видно из графика, медленно будет уменьшаться по мере наполнения башни (Q ₁ < Q ₀). Никаких негативных явлений в течение этого процесса не происходит.

По мере дальнейшего наполнения водонапорной башни происходит постепенное повышение уровня воды в ней, рост гидростатического напора в сети, при уменьшении расхода в системе. Рабочая точка Ф, отображающая режим работы системы на графике, медленно смещается по характеристике насоса до тех пор, пока не установится рабочий режим, отображаемый точкой Ф₂. Эта точка является критической: характеристика сети в ней является касательной к характеристике насоса, то есть соблюдается условие неустойчивого равновесия (9.1).

 Расход в системе по-прежнему положителен, то есть водонапорная башня продолжает наполняться. Если гидростатический напор в сети станет хотя бы незначительно больше Н₂, то характеристика сети должна на графике подняться еще выше, при этом она должна в окрестности точки Ф₂ оторваться от характеристики насоса. Раз пресечения характеристик нагнетателя и сети нет, то не может существовать и рабочий режим в этой зоне – в результате рабочий режим скачком переходит в точку Ф₃, где имеется пересечение характеристик, то есть соблюдаются балансы расходов и энергий. Это скачкообразное изменение рабочего режима собственно и называется помпажом.

Помпаж является крайне нежелательным явлением, особенно в больших системах. Резкое изменение расхода в системе носит название гидравлического удара. При этом за счет инерции движущегося объема жидкости в отдельных точках возникают большие перепады давления, что для больших систем легко может приводить к аварийным ситуациям из-за большой массы движущейся воды. В нашем случае единственным препятствием, которое может затормозить поток, является рабочее колесо насоса – именно на него приходится гидравлический удар. При этом на колесо насоса действуют большие перепады давления, что может привести к прогибу ротора, и его заклиниванию, то есть поломке насоса.

Если после скачкообразного перехода режима в точку Ф₃  аварии не произошло и насос продолжает работать, то водонапорная башня продолжает наполняться и уровень воды в ней поднимается, что приводит к росту гидростатического напора в сети и медленному смещению рабочего режима из точки Ф₃ в точку   Ф₄ и далее в точку Ф₅. В точке Ф₅ расход в системе равен нулю, поэтому наполнение водонапорной башни прекращается, и данный режим может стоять сколь угодно долго. При нулевом расходе потери напора в трубопроводе отсутствуют, и напор насоса полностью уравновешивается напором со стороны водонапорной башни.

Однако, водонапорные башни строят не для красоты, а для обеспечения определенного водоразбора. При значении расхода разбора воды из башни в размере Q _разб., как показано на графике, процесс после перехода режима в точку Ф₃ будет развиваться уже по-другому. Так как водоразбор из башни больше подачи насоса Q ₃, то теперь водонапорная башня начнет опорожняться, и уровень воды в ней начнет опускаться. Это приведет к снижению гидростатического напора в сети, и и медленному смещению рабочего режима из точки Ф₃ в точку Ф₆ и далее в точку Ф₇. В точке Ф₇ характеристика сети снова становится касательной к характеристике насоса. При этом расход Q _разб. меньше, чем Q _разб., поэтому характеристика сети должна опуститься на графике еще ниже и оторваться от характеристики насоса. В результате снова происходит скачкообразное изменение рабочего режима – их точки Ф₇ он переходит в точку Ф₈.

Дальше весь процесс будет повторяться бесконечно по замкнутому циклу Ф₈ → Ф₂ → Ф₃ → Ф₇ → Ф₈. При этом за один цикл будет происходить два скачкообразных перехода режима с гидравлическими ударами по колесу насоса. В итоге неизбежно произойдет поломка насоса.

.

С7

Рисунок 9.4 – Графическое отображение помпажа со сливом воды

                   через насос

Помпаж может происходить и при отсутствии водоразбора из водонапорной башни, если характеристика насоса имеет другую форму – провал на характеристике сдвинут в область второго квадранта, а в первом квадранте имеется только «горб». Графическое отображение помпажа в такой системе приведено на рисунке 9.4, промежуточные рабочие режимы для простоты картины не показаны.

При включении насоса рабочий режим устанавливается в точке Ф₀. Далее, как и в предыдущем варианте, он медленно смещается в точку Ф₂. Напор насоса затрачивается на преодоление потерь напора в трубопроводе и гидростатического напора в сети. Так как расход Q ₂ положителен, то уровень воды в башне еще повышается, и происходит помпажный скачок расхода, в результате чего рабочий режим переходит в точку Ф₃, расположенную во втором квадранте. Теперь расход в системе становится отрицательным, то есть вода через работающий насос стекает из водонапорной башни обратно в водоем. В этом режиме гидростатического напор, запасенный в башне, затрачивается на преодоление противодействующего напора насоса и потерь напора в трубопроводе.

Так как расход   Q ₂ отрицателен, водонапорная башня опорожняется. Уровень воды в ней медленно понижается, и рабочий режим медленно переходит из точки Ф₃  в точку Ф₇ , в которой линия характеристики сети касательна к характеристике насоса. Характеристика сети из-за дальнейшего снижения гидростатического напора опять отрывается от характеристики насоса, и снова происходит помпажный скачок расхода с переходом режима в точку Ф₈. Цикл Ф₈ → Ф₂ → Ф₃ → Ф₇ → Ф₈  , как и в предыдущем примере, может повторяться бесконечно долго.

Помпаж может возникать в различных системах – в вентиляторных, компрессорных и насосных системах. Однако, в тех системах, где перекачиваются газы, помпаж, даже если он возник, обычно не приводит к аварийной поломке нагнетателя, так как плотность газа или воздуха намного меньше воды, и сила гидравлических ударов существенно меньше. Кроме того, газы являются сжимаемыми жидкостями, поэтому они сами сглаживают скачки давления, возникающие в переходных режимах. В вентиляционных системах, где вентиляторы работают на сеть без гидростатического напора, помпаж также маловероятен, хотя в принципе возникнуть может. Ввиду выше сказанного, помпаж обычно рассматривается применительно к насосным системам, где его возникновение считается недопустимым.