Помпаж как явление

Помпаж проявляется, когда лопаточный агрегат (как правило, компрессор или насос) может превратиться в препятствие на пути потока газа или жидкости. При этом в отличие от «простого» гидравлического удара помпаж - это возрастающая по интенсивности серия ударов, то есть некоторый автоколебательный процесс. В гидроэнергетике вплоть до катастрофы на Саяно-Шушенской ГЭС помпаж до сих пор не демонстрировал в полной мере все свои возможности, так как основной лопаточный агрегат на гидроэлектростанциях - это турбина, и только в достаточно редких случаях на гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС) используются насос-турбины.

При сильном отклонении от расчетной скорости вращения сидящих на одном валу компрессора и турбины ТРД (турбореактивных двигателей), их лопатки начинают обтекаться потоком под слишком большими (закритическими) углами атаки, и на них происходит отрыв потока. Это связано с тем, что «здоровое» (гладкое и безотрывное) обтекание, как профиля крыла, так и лопаток ротора компрессора или турбины происходит только при малых углах атаки б, обычно, не более 10є - 12є (угол атаки - это угол между вектором скорости набегающего потока и хордой обтекаемого тела). Для лопаточных машин вектор скорости набегающего потока определяется скоростью лопатки относительно движущейся среды, которая, в свою очередь, получается из треугольника скоростей, двумя другими сторонами которого являются скорость движения лопатки вследствие вращения ротора лопаточной машины и абсолютная (определяемая относительно стенок канала) скорость потока. На расчетном режиме вращения ротора этот угол близок к оптимальному.

При значительном уменьшении скорости вращения треугольник скоростей деформируется, так как абсолютная скорость потока при постоянном расходе остается прежней, угол атаки сильно увеличивается, и течение вокруг лопаток качественно изменяется. Возникает отрыв потока с верхней (подветренной) стороны обтекаемого тела. Сначала этот отрыв небольшой, но он быстро растет при дальнейшем уходе от оптимального угла атаки. Модельный пример такого режима обтекания пластинки в гидродинамическом лотке при б = 20є и при числе Рейнольдса Re = 104 показан на рис. 6

Рис. 6

Над верхней поверхностью пластинки прекрасно видна зона развитого отрыва, в которой скорость движения жидкости относительно пластинки мала по сравнению со скоростью набегающего потока. В этой зоне течение становится турбулентным, там возникает множество хаотически движущихся вихрей. Гидродинамические силы, действующие на пластинку, изменяются во времени - обтекание становится нестационарным, начинается вибрация обтекаемого тела.

Если же скорость вращения ротора сильно растет, треугольник скоростей деформируется так, что угол атаки из положительного становится отрицательным. Это означает, что наветренная и подветренная стороны лопатки меняются местами, и отрывы возникают уже на ее противоположной стороне. Для устранения этого явления при уходе лопаточной машины с оптимального рабочего режима одновременно с изменением скорости вращения ротора регулируют и направляющий аппарат - ряд неподвижных лопаток (не вращающихся, но могущих медленно изменять свое положение при изменении режима работы), находящихся в канале перед вращающимся ротором. Поворачивая лопатки, изменяют как величину, так и направления вектора абсолютной скорости движения среды. В простейшем двумерном случае такое регулирование могло бы привести к постоянству угла атаки и недопущению возникновения зон отрыва.

Гидроагрегат потерял управление и стал разгоняться. Начались сильнейшие вибрации, а затем он был выбит из турбинного колодца. По заявлению разработчиков системы управления, «…развитие аварии происходило практически мгновенно (1 - 2 секунды) по сравнению с возможностями системы управления. Оказать какое-либо влияние на течение аварии система регулирования была не в состоянии»