- •Общие вопросы
- •Введение
- •1.1 Некоторые термины и понятия
- •1.2 Конструктивные характеристики трубопроводных систем
- •1.3 Характеристики перемещаемой среды
- •1.4 Режимные параметры трубопроводных систем
- •1.5 Потери давления и напора в трубопроводе
- •1.6 Понятие характеристик трубопровода и нагнетателя
- •2.1 Источники и потребители энергии в системе.
- •2.2. Уравнения балансов среды и энергии в системе
- •2.3 Графический метод наложения характеристик
- •3.1 Причины необходимости сложения характеристик
- •3.3 Сложение характеристик элементов системы при
- •3.5 Аналитическое сложение характеристик трубопроводов
- •4.1 Общий порядок решения задач методом наложения
- •4.2 Пример решения задачи с одним нагнетателем
- •4.3 Пример решения задачи с одним нагнетателем и
- •4.3 Примеры решения задачи с двумя нагнетателями
- •Физическое явление
- •6.2 Решение для системы с одним узлом
- •7.1 Метод половинного деления
- •7.2 Метод хорд
- •7.3 Метод Ньютона (метод касательной)
- •7.4 Метод простой итерации
- •9.2 Процессы помпажа в насосных системах
- •9.3 Причины возникновения помпажа
- •9.4 Мероприятия по предотвращению возникновения помпажа
- •9.4.1 Конструктивные мероприятия
- •9.4.2 Проектные мероприятия
- •9.4.3 Эксплуатационные мероприятия
- •10.1 Причины разрыва потока в трубопроводных системах
- •10.2 Кавитация в насосах
- •10.3 Допустимая геометрическая высота всасывания
- •10.4 Мероприятия против возникновения кавитации
- •Содержание
- •Общие вопросы работы трубопроводных систем
- •680035. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136
- •680035. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136
9.2 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 Нг равен нулю.
Вначале рассмотрим ситуацию, когда водоразбор из напорной башни отсутствует (Qразб. = 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
Нг
а
1
Qразб.
б) графическое отображение режимов системы
С5
Н
С2
С1 Нг5 С7
Нг4 С0
=1 Ф8
Ф3
Нг3
= Нг2 Ф6
Ф0 Ф1 Ф2 Ф4 Ф5 Ф7 Нг8
= Нг7
НУ Нг1
Q Нг0
=0
Q7 Q1 Q2
0 Q0 Q3 Qразб. Q8
Рисунок 9.3 – Графическое отображение помпажа в насосной
системе
Так как этом расход Q0 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 (Q1 < Q0). 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 Qразб., как показано на графике, процесс после перехода режима в точку Ф3 будет развиваться уже по-другому. Так как водоразбор из башни больше подачи насоса Q3, 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 Qразб. меньше, чем Qразб. , 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
Н
С7 Ф2
Ф3
Ф8 Н1
Ф7
Нг
НУ С0
=1
На
Ф0
Q –Q
Q7 Q2
0 Q0 Q3 Q8
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 Q2 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 Q2 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.