Неустойчивая работа насосной установки (помпаж)

В некоторых случаях работа насоса является неустойчивой: подача резко изменяется от наибольшего значения до нуля, напор колеблется в значительных пределах, наблюдаются гидравлические удары, шум и сотрясения всей машины и трубопроводов. Это явление называется помпажем. Помпаж происходит у насосов, имеющих кривую напоров H=f(Q) с западающей левой ветвью (рис. 5.31, стр. 247), т.е. кривую напоров, имеющих максимум при Q > 0. Такую характеристику имеют обычно тихоходные насосы.

Рассмотрим неустойчивую работу насоса по схеме, изображенной на рис. 5.31. Насос 1 подает жидкость по трубопроводу 3 в резервуар 5, откуда она поступает по трубе 4 к потребителю. Пусть в начальный момент резервуар заполнен жидкостью до уровня а. При этом насос работает в режиме, определяемой точкой А. Если расход жидкости, отводимый к потребителю, меньше подачи насоса Q_A, то уровень жидкости в резервуаре повышается, характеристика установки смещается вверх и подача насоса в соответствии с кривой напоров H=f(Q) уменьшается до тех пор, пока рабочая точка не займет положение М. Если при этом подача насоса превышает расход, который сбрасывается из резервуара 5 по трубе 4, то уровень в резервуаре повысится еще больше и характеристика установки пройдет выше характеристики насоса. При этом потребный напор станет больше напора насоса, в результате чего произойдет срыв подачи. Под действием обратного тока жидкости обратный клапан 2 закроется. Насос будет работать при подаче Q = 0 и напоре H₀. Из-за отсутствия притока жидкости в резервуар 5 уровень жидкости в нем будет понижаться (жидкость продолжает вытекать из резервуара 5 по трубе 4). После того как уровень понизится до высоты, соответствующей напору H₀, насос снова вступит в работу. Подача резко, скачкообразно, возрастет до Q_B, соответствующей рабочей точке B. Уровень в резервуаре опять начнет постепенно подниматься и явление повторится.

Рис. 5.31. К определению зоны неустойчивой работы насоса

Срыв подачи насоса и перехода его на холостой режим работы могут получиться и при неизменной характеристике установки (уровень в резервуаре 5 постоянен), если характеристика установки пересекает характеристику насоса в двух точках (точки C и D характеристики). Это может возникнуть при снижении частоты вращения (например, из-за временного падения напряжения электросети, питающей двигатель). При этом характеристика насоса понизится и произойдет срыв подачи до нуля. При последующем повышении частоты вращения насос будет продолжать работать при холостом режиме (Q = 0 ), так как напор, создаваемый им при Q=0, меньше статистического напора установки. По этой же причине помпаж может возникнуть при параллельной работе насосов, если напор при нулевой подаче одного из насосов меньше напора второго насоса при его одиночной работе на сеть (например, если на рис. 5.37 H_0I < H_D). В этом случае временное снижение частоты вращения насосов может привести к срыву подачи первого насоса до нуля.

Покажем, что насос не может работать в режимах, расположенных левее точки М касания характеристики насоса и насосной установки (см. рис. 5.31). Пусть режим работы насоса отклонится от режима, характеризуемого точкой D, в сторону больших подач (точка E). При этом потребный напор меньше напора H_E, сообщаемого жидкости насосом. В жидкости имеется избыток энергии, который идет приращение ее кинетической энергии. При этом скорость жидкости увеличивается до тех пор, пока расход не достигнет значения, соответствующего режимной точки C. При отклонении режима насоса от режима, характеризуемого точкой D, в сторону меньших подач потребный напор больше напора насоса. Недостаток энергии в жидкости приведет к ее замедлению и, следовательно, к падению подачи до нуля. Таким образом, при отклонении режима работы насоса от равновесного режима (точка D) он не возвращается в первоначальное положение. Следовательно, режимы работы насоса, лежащие левее точки M, неустойчивы. Таким же способом можно показать, что режимы, расположенные правее точки M, являются устойчивыми и насос в них может работать. Режимы, расположенные между точками M и B, опасны в связи с возможностью возникновения помпажа, так как при этих режимах характеристика установки пересекает характеристику насоса в двух точках, поэтому границей устойчивых режимов является точка B, а не точка M.

Характеристики насосов, не имеющих неустойчивой области, называют стабильными. Насосы, применяемые для подачи жидкости при переменных режимах, должны иметь стабильные характеристики.