Экспериментальное исследование автоколебаний в системе, включающей лопастной насос монотонно убывающей напорной характеристикой

В энергосистемах, системах водоснабжения и тепловых двигателей, включающих лопастную машину, нередко возбуждаются колебания давления и расхода, имеющие периодический характер. Причиной таких нестационарных режимов работы является наличие на напорной характеристике Н (0) участков с положительной производной функции Н (0) или петли гистерезиса [1]. Однако в практике известны такие режимы работы даже в случае, когда напорная характеристика Н (ф) устойчивая, т. е. является функцией монотонно убывающей. Одной из причин самовозбуждения колебаний является снижение давления на входе в насос и возникновение явления кавитации. Установлено также, что явление кавитации обусловливает в потоке продольные кавитационные колебания, при которых имеет место смена кавитационного и безкавитационного режимов. Согласно исследованиям работы, в системе, включающей шнекоцентробежный насос, кавитационные колебания возникали при высоком избыточном давлении р0 на входе в насос, когда напор от него не зависел, т. е. производная Н/йр0 — 0. В то же время при снятии срывных характеристик центробежного насоса в области низких величин давлений р0, где напор является функцией как расхода, так и входного давления, а производная йН1йр^^= 0, т. е. при развитой кавитации возникают частотные колебания неизвестной природы [4 ], исследование которых представлено в этой работе.
Изучения причины, условий самовозбуждения и характера автоколебаний при работе насоса в области, где Н/кр0=/= 0, проводились на стенде (рис. 1) с центробежным насосом, имеющим устойчивую характеристику. Чтобы улучшить колебательные свойства системы путем исключения стабилизирующего влияния дросселирования на подводящей магистрали, перед насосом установлен дополнительный аккумулятор массы (емкость 2), а дроссель на напорной магистрали расположен после емкости 3. Замер давлений производился образцовыми манометрами и вакууметром, расход определялся при помощи ртутного дифференциального манометра, а характер колебаний мембранным тензодатчиком с применением тензоусилителя и шлейфового осциллографа Н-700.
Анализ напорной характеристики, полученной экспериментально, показывает, что при величинах давлений на входе в насос, при которых явления кавитации отсутствуют, функция является монотонно падающей. При снижении давления на входе рабочего колеса насоса возникает явление кавитации, что приводит к возникновению расслоений на напорной характеристике, которые обусловлены зависимостью напора от входного давления р0. По характеру расслоений характеристика разделяется на две области возрастающих (неустойчивых) и убывающих (устойчивых) расслоений. Во всех известных нам работах по лопастным насосам представлены обычно только убывающие расслоения характеристики, например в работе. При работе насоса в области положительных расслоений характеристики в системе возникают автоколебания, характер которых зависит от сопротивления, акустической емкости аккумуляторов массы и других параметров сети. При уменьшении емкости напорной магистрали (уменьшалась воздушная подушка в ней) форма колебаний изменялась от пилообразных до гармонических, а частота увеличивалась. Впуск воздуха в подводящую магистраль приводит к перемещению положительных расслоений характеристики в сторону больших расходов, т. е. к расширению ее неустойчивой области, что наблюдается и в практике эксплуатации систем.
Расслоения характеристики могут возникнуть и внезапно, независимо от величины давления на входе в насос при попадании воздуха в подводящую магистраль, например провал уровня в емкости 1 (см. рис. 1) при его уменьшении. Этот режим работы возникал в нашей гидросистеме. ;
При дросселировании на входе в емкости 2 происходит расширение воздушной подушки, масса воздуха в которой все время увеличивается за счет выделения его из протекающей жидкости. И при каком-то давлении, зависящем от количества воздуха в воздушной подушке, происходит попадание его в насос, и неожиданное изменение крутизны расслоений (они становятся более крутыми) обусловливает самовозбуждение автоколебаний.
Таким образом, установлено, что при снижении давления на входе в насос и возникновении явления кавитации причиной автоколебаний является возникновение возрастающих расслоений напорной характеристики. Параметры автоколебаний и поэтому имеют характер помпажа. При скрытой кавитации, когда йН1йръ — 0, а на входе в насос имеет место разрежение — кавитационных колебаний не наблюдалось.