Неустойчивая работа центробежного компрессора и меры борьбы с ней
а). Неустойчивая работа компрессора
Плавное (безударное) обтекание лопаток рабочего колеса и диффузора происходит только на расчетном режиме. На других режимах возникают гидравлические удары в лопатки и срывы потока, которые могут вызвать неустойчивую работу компрессора, называемую помпажом компрессора.
Помпаж характеризуется резкими периодическими колебаниями давления и скорости в потоке воздуха, проходящего через компрессор. Признаками помпажа являются: характерный звук (биение, хлопки), тряска. Помпаж может возникнуть при условии, когда расход воздуха через компрессор Gв меньше расчетного Gв расч.
Для уяснения физической сущности возникновения помпажа компрессора рассмотрим условия обтекания лопаток на различных режимах работы двигателя (рис. 7).
На расчетном режиме вход воздуха в РК безударный, угол атаки α = 0 (рис. 7а). Компрессор работает устойчиво с максимальными для данного режима значениями коэффициента полезного действия и степени повышения давления т.к. Расход воздуха прямо пропорционален осевой составляющей абсолютной скорости потока С1а (при осевом входе скорости С1).
Поэтому уменьшение или увеличение расхода воздуха Gв может рассматриваться как уменьшение или увеличение скорости C1.
При уменьшении расхода воздуха от расчетного (Gв < Gв расч.) угол атаки α увеличивается (рис. 7 б). Возникают удары с вогнутой стороны лопатки (корытца) и срывы потока с выпуклой стороны (спинки).
Вихревая зона из-за пониженного давления на спинке лопатки распространяется по межлопаточному каналу, проникая вглубь компрессора и занимая большую область. Это еще больше снижает расход воздуха и усугубляет явление. Наступает неустойчивая работа компрессора — помпаж.
При увеличении расхода воздуха от расчетного Gв > Gв расч) угол атаки α уменьшается (рис. 7 в). Возникают удары со стороны спинки лопатки, а со стороны корытца срывы потока.
Вихревая зона из-за повышенного давления на корытце прижимается к профилю лопатки и вглубь канала не распространяется. Гидравлические удары в лопатку и появление вихревой зоны увеличивает потери энергии, расходуемой на сжатие воздуха, что ведет к уменьшению степени повышения давления πк. Однако неустойчивой работы компрессора не наблюдается.
Аналогичная картина наблюдается при обтекании лопаток диффузора.
Вывод: к неустойчивой работе компрессора может привести только понижение расхода воздуха от расчетного значения и возникающие при этом срывы потока со спинки лопатки.
21.Регулирование работы компрессоров.
Способы регулирования производительности компрессора
Изначально самым оптимальным режимом работы любой компрессорной установки является ее номинальный расчетный режим. Но объем вырабатываемого компрессором на номинальном режиме сжатого воздуха не всегда является точно соответствующим объему забора воздуха потребителями. Как правило, даже в течение одной рабочей смены уровень потребления воздуха может значительно колебаться. Поэтому производительность компрессора необходимо регулировать в соответствии с этими изменениями.
Есть несколько методов регулирования уровня производительности компрессора, и они сильно разнятся и по затратам на реализацию, и по эффективности:
1)Включение-выключение компрессорной установки.
2)Сбрасывание лишнего воздуха в атмосферу.
3)Подключение дополнительного объема.
4)Работа «на холостом ходу».
5)Дросселирование.
6)Использование частотного преобразователя для регулирования частоты вращения электрического двигателя.
7)Дискретный метод регулирования частоты вращения электрического двигателя.
Включение – выключение компрессорной установки является саамы элементарным способом регулирования производительности, предусматривающий отключение электродвигателя при повышении давления до максимального уровня и включение его при достижении минимально допустимого уровня давления. Во время простоя компрессора он не потребляет электроэнергию, что является позитивной стороной данного метода, но постоянные включения и выключения электродвигателя в целом негативно отражаются на работе системы и в результате могут повлечь за собой перегрев обмотки электродвигателя. Подобный способ чаще всего применяют по отношению к маломощным компрессорным установкам.
Сбрасывание излишков воздуха считается самым неэкономичным способом регулирования производительности, но несмотря на это, некоторые производственные предприятия все еще пользуются им. Суть метода заключается в наличии специального клапана, который открывают, как только давление в системе достигает максимальных показателей. Это крайне нерационально, так как в итоге весь энергоресурс, затраченный на сжатие данного воздуха, оказывается растраченным впустую. Поэтому такой способ целесообразно применять только в очень мощных компрессорных установках, в которых к тому же крайне редко достигается максимальный уровень давления.
Еще один способ регулирования производительности компрессора – подключение дополнительного «мертвого объема». Он применяется только для компрессоров поршневого типа и основан на использовании зазора, который всегда предусмотрительно оставляют между поршнем и крышкой цилиндра для того, чтобы компенсировать тепловые деформации. Если искусственно увеличивать этот так называемый «мертвый объем», производительность компрессора будет уменьшаться. Но этот способ также сложно отнести к экономичным, ведь сжатие воздуха, находящегося в «мертвом объеме», также требует энергозатрат.
В машинах роторного типа (винтовых, спиральных или пластинчато-роторных) применяется способ, при котором регулирование осуществляется посредством перехода на «холостой ход». Это стандартная методика регулирования производительности винтовых компрессоров – при достижении максимальных показателей давления в системе срабатывает реле, которое закрывает заслонку всасывающего клапана. При этом работа компрессора не останавливается, он продолжает потреблять около 20% обычного количества энергоресурсов, но давление в системе не нагнетается.
Существует также способ регулирования производительности, основанный на дросселировании. Он осуществляется с помощью пропорционального всасывающего клапана, который не дает давлению в системе повышаться сверх меры, перекрывая путь всасываемому воздуху посредством газодинамического сопротивления. Производительность компрессора при этом значительно понижается, а давление в системе вскоре достигает номинального уровня. Этот метод удобен тем, что система регулирует производительность практически самостоятельно – заслонка пропорционального всасывающего клапана открывается под влиянием давления воздуха в системе. Кроме того, он более эффективен, чем метод «холостого хода», но в то же время обходится дороже.
Самый удобный и экономичный способ регулирования производительности компрессорной установки, известны на сегодняшний день – это регулирование частоты вращения электродвигателя посредством использования частотного преобразователя. Потери энергии при использовании этого метода минимизируются, а пределы регулирования производительности расширяются и составляют от 20% до 100% (другие методы не создают такого широкого диапазона регулирования). Но в то же время этот способ является наиболее дорогостоящим. Он применим для всех компрессорных установок объемного типа, но его использование в установках динамического типа (осевых, центробежных и т.д.) нередко вызывает проблемы – может возникнуть резонанс с собственными частотами колебаний турбокомпрессора установки.
Похожим методом является дискретное регулирование частоты вращения электродвигателя, посредством которого регулируется общая производительность компрессора. Основное отличие от предыдущего метода заключается в том, что вместо плавного изменения скорости вращения вала здесь имеет место дискретное изменение, основанное на применении специальных многоскоростных двигателей. Это обходится значительно дешевле, чем использование частотного преобразователя, а эффективность почти равнозначная.
Поскольку способов регулирования производительности компрессорных установок много, выбирать оптимальный для Вашего производства способ необходимо на основании всех существующих факторов, в первую очередь – экономической целесообразности и периода окупаемости выбранного метода.