Помпаж центробежного компрессора и его устранение

Помпаж центробежного компрессора является следствием больших потерь энергии в каналах рабочего колеса и направляющего аппарата, возникающих из-за срыва потока за входными кромками лопаток при больших положительных углах атаки. Положительные углы атаки имеют место при малых значениях коэффициента расхода , то есть при пониженной подаче компрессора и повышенной частоте вращения рабочего колеса.

При больших углах атаки вихревая зона, возникающая в результате отрыва потока, заполняет большой объем межлопаточного канала, прилегающий к всасывающей стороне лопасти, и является низкоэнергетической зоной рабочего тела, через которую газ из области высокого давления (нагнетания) устремляется с высокой скоростью в область низкого давления (всасывания), навстречу основному потоку. В связи с тем, что β=р₁/р₂ < β_КР обратные перетекания происходят со сверхкритической скоростью, при этом давление р₂ понижается, а р₁ – увеличивается и на какой-то промежуток времени обратные перетекания приостанавливаются до очередного повышения перепада давлений (р₂-р₁), при котором все повторяется. Сверхзвуковые скорости встречного движения газа тормозятся во всасывающей области с образованием скачков уплотнений. Поэтому помпаж сопровождается хлопками, повышенной вибрацией корпуса, пульсацией давления в нагнетательном патрубке. Производительность компрессора при помпаже резко падает. Аналогичная картина наблюдается и при обтекании лопаток диффузора. Однако здесь β=р₃/р₄ чаще превышает β_КР, поэтому обратные перетекания происходят с дозвуковыми скоростями без образования скачков уплотнений при торможении их в щелевом диффузоре. Возникновение помпажа на лопатках диффузора сопровождается повышенной шумностью работы компрессора, пульсациями давления на выходе и снижением его производительности.

Причиной помпажа может быть недостаточное согласование характеристик компрессора и сети, в результате чего рабочая линия характеристики компрессора проходит вблизи зоны неустойчивой работы. В таком случае рабочая точка компрессора при пониженном расходе или повышенной частоте вращения может оказаться на линии помпажа.

Для того чтобы избежать указанного явления, при согласовании характеристик компрессора и сети требуется на всех режимах работы компрессора обеспечить необходимый коэффициент запаса устойчивости по помпажу, определенный по формуле

(1.46)

где (π_к/G)_пом – отношение степени повышения давления к расходу газа в точке пересечения линии постоянной частоты вращения компрессора с линией помпажа;

(π_к/G) – то же в рабочей точке компрессора.

Коэффициент устойчивости должен быть не менее 15% на номинальном режиме и не менее 8% на всех остальных режимах. Для повышения К_уст характеристики компрессора необходимо сместить влево (в сторону более устойчивой работы).

Смещение характеристики компрессора влево может быть достигнуто уменьшением входного угла β_1л рабочих лопаток, если помпаж является следствием потерь энергии на входе в компрессор или уменьшением входного угла α_3л, а также ширины лопаток диффузора b₃, если помпаж возникает в направляющем аппарате. Указанные мероприятия могут быть выполнены заменой вращающего направляющего аппарата рабочего колеса или лопаток диффузора.

Смещение рабочей линии характеристики компрессора в устойчивую зону достигается открытием противопомпажного клапана. Однако это недопустимо в наддувочных компрессорах поршневых ДВС, т.к. при неизменной цикловой подаче топлива и уменьшении расхода воздуха повышается теплонапряженность двигателя.

В процессе эксплуатации помпаж может возникнуть из-за ухудшения технического состояния компрессора или его сети.