Кавитация в гидротурбинах

Н. И. ПЫЛАЕВ Ю. У. ЭДЕЛЬ

КАВИТАЦИЯ В ГИДРОТУРБИНАХ

"М А

W

ЛЕНИНГРАД

И

Н

ОС

Т

Р О Е Н И Е"

ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ 1974

Л94

У..1К 621.224:532.528

Н. И. h ы л а е в1

Ю.

У. Э д е л ь. Кави таци я

(Лен и нгр . отд-ние), 1974. 256 с . В книге рассматриваются услови я возникнове­ в г идротур бинах;.

Л. , «Машиностроен ие»

н и я и развития кавитации в гидротурбинах , ее вред­ ные последстви я , способы защиты. Б ольшое вн имание уделено методам исследова н и я и модел ирования ка­ sитации и кавитационной эрозии. Книга р ассч итана н а инженерно-технически х ра­ ботн иков, зан имающихся исследован ием , проектиро­ ван ием и эксплуатацией гидротурбин. Она может быть полезна студентам вузов соответствующих спе­ циальностей. Табл. 32. Ил. I·oo. Список л ит. 105 н азв. Рецензент канд. тех н. наук В. Г. С т ар и ц к 30314-134

n o3s

©

(OI)-74

и

й

134-74

И здател ь ст в о «Маш ин остроен ие», 1974

г.

Ннкоnа� Иванович ПЫЛАЕВ IОрнА Удович ЗДЕЛЬ

kАВИТдЦИ Я

8 Г И Д Р О Т У Р Б ИНАХ Редактор издательств а В. п. В а с и л ь е в а nереплет худоikии ка�с. с. в е и е д и к т о в а Техн ичес к и й редактор Т. П. М а л а ш к и и а Корректор 1-t. Б. С е м е н о в а

М-07272 СДа н о в произвоДство 1/Х 1 973 г. Подписано к печати 11/111 1 974 г. Форм ат бума ги 60>< 9 01/18• Бумага ти погр афская N"2 2 Печ. л . 16. Уч . - изд. л. 16, 9 Т и р а ж 2000 экз. Зак . .N"2 562. Це н а S6 коп . Лен и нградское отделение изДательств а «Мf\ШИНОСТРОЕНИЕ» 1 91065, Ленянград, ул. Дзерж и нского, 1 0 ЛениНградская типогра фия .1\2 6 Союзполиграфпрома п р и Государственном к омитете Совета Министров СССР по дел а м издательств, полигр аф и и и книжной торговл и 193144, .ТJенин град, С-144, ул. Мо исеен ко, 10

ПРЕДИСЛОВИЕ В сов ре менном гидратурбострое н и и кавитаци я - динамиче­ ский п роцесс , х ар актеризующи йся местным разрывом сплошности жидк ости с образова н ием па рогазовы х полосте й и последующим их С l\tыканием - и меет ч резвычайно важное зн ачен и е . В бол ьшой степен и именно кавитацией и ее следствием - к а ­ в итационной эрозией - ограничивается тенденция роста еди нич­ н ы х мощностей г идроту рби н , увеличения и х быстроходности. Ка витационная эроз и я вынуждает периодически ремонти ро­ вать п роточную часть гидроту рби н , сокращает меж ремонтн ы й пе­ р иод, сни жает коэффициент полезного действ и я а грегата из -за раз рушен и я обтекаемой пове рхности. П р и достаточной степен и развити я кавитаци я может п ривести к паден ию к. п. д. ту рб и н ы и даже срыву мощности . Кав итаци я - п р и н ци п и ально неустанов и в ш и йся п роцесс , п р и ­ водящий к п ульсаци я м давлен и я, а кустическим изл учен и я м , а и н огда и к опасным в ибрациям всего аг регата . Б о р ьба с кавитацией , е е в р едными следств и я м и уже нескол ько дес ятков лет зан имает умы ученых-гидромеха н и ков, инженеров, создателей гидротурбин и других гидромаши н . Пе рвые же исследова н и я кавитаци и показали , что это очень сложны й п роцесс , т р удно по ддающи йся аналитическому и зучен и ю . Основ ным методом исследов а н и я кавитации остается экспер и ­ ме �т. В гидрат у рбострое н и и м ногие годы п р именяется и нтеграль­ н ыи мето д исследов а н и я кавитацион н ы х свойств ту рби н по вли я ­ н и ю кавита ц и и н а внешн ие х а р а кте ристи к и машин. Кавитацион­ н ые испыта н и я уме н ь шенн ы х моделей гидротурбин п роводятся в Jiабо р ато р н ых услови я х н а специальн ы х кавитационны х стен да х . Исс ,'!едов а н и я н а модел я х п р иводят к необходимости разра­ бот к и 1\lетодо в пе ресчета рез ул ьтатов лабо р атор ны х испыта н и й н а ус.1ов и я работ ы н ату рной турби н ы . Есл и модел и рование бескав и ­ та цио нн ы х течен ий вызывает существе н н ые т рудности , т о п р и ка в итац и и эт и т р удности воз р астают еще бол ьше . Пол ное моде ­ л и р ова н ие кавит а цион ных течений осуществить п р а ктическ и 3

невозможно . Поэтому бол ьшое значен ие имеют исследован и я масштабного эффекта п р и кавитации . С развитием н а у к и появляются новые тео рет ические и экспе­ р и ментадьные работы по исследова н и ю кавитаци и . Знач ител ьный п рог ресс н аблюдаетс я та кже в иссдедован и и кавитации гидро­ т у рб и н . Созда н ы соверше н н ые в ысоконапорные стенды д.'l я испы­ тан и я моделей турби н . Бол ьшой объем работ выполнен по вы ясне ­ н и ю физической п р и роды разр ушающего действ и я кавитаци и ; установлены основные факто р ы , оп редел я ющие и нтенсивность ка ­ витационного воздействи я ; раз работан ряд мероп р и ятий по бор ьбе с эрозией . Н а коплен бол ьшой эксплуатационн ы й опыт п о кавита ­ ционной эроз и и н а действующи х ГЭС. Непрерывно увел ичивается число п убл и каци й по кавитации . В настоя щее в ремя ощущается необходимость в анал изе и обоб­ щен и и накопленного мате р иала по кавитаци и в г идротурбинах . Попытка та кого обобще н и я сдела н а в п редлагаемой книге. Здесь р ассмат р иваются специфические особенности кавитаци и гидротурбин различных типов , методы исследова н и я , п рогноз и ­ рова н и я и защиты о т кавитаци и . Дается дал ьнейшее развитие общи х п роблем кавитаци и . Книга баз и р уется главным образом н а материалах исследова­ н и й , П роводивши хея на Лен и н г радском металлическом заводе и м . XXII съезда КПСС (ЛМЗ) и в Центральном котлатурбинном институте им. И. И. Ползунова (ЦКТИ) , где Ь-1Нор ы п ро работа л и много лет . Параграфы 1-3 ; 6-9 ; 12 ; 1 4-19 ; 27-28 н а п исаны докт. техн. н а у к Ю . У . Эделем; па раг рафы 4; 5 ; 10 ; 11; 1 3 ; 20-26; 29-31 н а п исаны канд. техн . наук Н . И. Пылаевы м . Авто р ы с благода рностью п р имут все замеча н и я по содержа­ н и ю к н и г и и п росят нап равл ять и х в адрес издатедьства : Лен и н ­ град, Д-65, ул . Дзе ржинского, 10 .

Г ЛАВА

1

МЕХАНИЗМ КАВИТАЦИИ

1. УСЛ О В И Я В О ЗНИ КНО В ЕН И Я К А В И ТАЦИИ

Классиче с кая гидрО!\Iехан и к а рассматр ивает жидкость как сплош н ую с реду с пл авно и непре рывно мен я ющимиен в зависи1\Юсти от коо р дин ат и в реi\Iени п а раметрами . Все основн ые у равне­ н и я , ха ракте р и зующ ие движение жидкости , получены для такой ее модел и . В реал ьных услови я х жидкость огран ичена твердыми стен ками и л и свободной поверхностью (поверхность ю раздела) , на котор ы х п роисходит резкое скачкообразное изменени е пара­ метров . П р и решен и и кон кретных задач г идромеханик и н а этих естествен ных огран ичивающи х повер хност я х тем и л и и н ы м спо­ собом задаются значе н и я п а р а метров - гран ичные услов и я . Ана­ логично должны быть зада н ы начал ьные услов и я , есл и речь идет о неустановившемся п роцессе . П р и этом гидроме ха н и ка не накла­ дывает никаких огран ичен и й н а абсолютные вел и ч и н ы параметров . В то же в ремя очевидно, что в той и л и и но й ситуаци и па раметры могут п р и н ять такие значен и я , при кото рых жидкость изме н ит свое а г регатное состо я н и е . Сплошность с реды , неп рерывность па­ раметров будут н а р ушен ы . Уравнен и я гидромехан и ки , строго гово р я , поте р я ют силу. Дл я описа н и я новых п роцессов средствами гидромехан и к и п р и ходится делать разл ичные дополн ительные допущения . Р асс мот р и м уравнен ие Бернулли для двух точек л и н и и тока идеа л ь ной несжимаемой жидкости Pt

о

- + 2С\ у

-

g

-г 1

h1

=

р 2 у

о

С22 +-

g

+ h2 = Е = const.

(I.l)

Здес ь у- удел ьный вес и g - ускорение силы тяжест и . У рав нени е Бернулли отражает частный случай закона сохра­ нен и я эне рги и . Вдол ь л и н и и тока сумма Е эне р г и и давлен и я р/у , кин ети ческой эне р г и и c2/2g и эне р г и и положе н и я h един и цы веса жид кост и остается неизмен ной . Если в п роцессе движени я жид­ кости п ро исходит на растан ие скорости и л и жидкость поднимаетс я , уве л и ч и вая энергию положен и я , т о в соответстви и с у равнен ием Бе рну.1л и давление р уме н ьшается и может достичь такой вел и ­ ч ин ы pd, п р и которой дан н а я жидкость п ри данной температуре

5

вски пает , пе реходит в газообразное состоя н и е . Процесс вски п а н и я п роисходит за оче н ь малые п ромежутки в реме н и и носит характер взр ыва . Сшюшность потока н а рушается , однофазна я среда п ревра­ щаетс я в дв у хфазную. В жидкости образуются и соста вл яют в ней существен н ы й объем полост и , запол нен н ые п а ром, так называемые па ровые каве р н ы 1 . Есл и па равые каве р н ы движутся вместе с потоком , то о н и п о ­ падают в зону повышен ного давлен и я . Происходит п ра ктичес к и мгновенна я конденсация п а р а в каверне, каверна замыкается , со ­ здавая весьма значител ьные давлен и я , в ысокие температуры , эле к ­ тр ические разряды , свече н ие , а ктивизи руя химические, в част ­ ности кор розионные, п роцессы . Явле н и я образован и я п а ровых каверн в жидкости п р и доста ­ точном пониже н и н давле н и я , развития /и последующего и х замыка­ ния при повыше н и и давле н и я н азывают па равой кавитацией и л и и ногда холодным к и пен ием . От обычного ки пен и я кавитаци я отл и ­ чается тем , что п р и ней п роцесс п редопределяется изменением давлен и я вне каве р н ы , а при кипен и и давле н ие растет внут р и каве р н ы . По свидетел ьству Рей нол ьдса ( 1 899 г . ) , те рмин «кавитация» впервые был п редложен Ф рудом (1 895 г . ) . Мощны й гидравл ически й уда р , соп ровождающий замыка н и е кавитационной каве р н ы , п р иводит к раз рушению материала обте­ каемой пове р хност и . П р и оп ределен ной степен и развити я кавита­ ции х а р а ктер течен и я н астол ько трансфо рми руется , что заметно мен я ются внешние и нтег ральные х а р а кте ристи к и течен и я . Следует отл ичать па ровую кавитацию от газовой , когда рост кавитацион ного пуз ы р ька п роисходит за счет уменьшен и я внеш­ него давле н и я , не доходящего до давле н и я п а рообраз ова н и я , и дi:iффузl:iи газа l:i3 внешнего потока . Газовая кавl:iтацl:iя развl:i­ вается медленно i:i, хотя сопутствует па равой кaвl:iтaцi:ii:i, не влl:iяет п ра ктi:iческi:i н а ее характе р . Спецl:iал ьные l:iсследованl:iя показывают, что сниженl:iе давленl:iя до уров н я давленl:iя па раобразован и я явл яется необходl:iмым , но недостаточным условием дл я начала кавl:iтациl:i. Известно , что п р и определен н ы х l:iскусствен н о созда н н ы х условl:iя х может существо­ вать переохлажден н а я вода п pi:i температуре меньше темп ературы за ме рзанl:iя ИЛI:i перегрета я вода п pi:i темпе ратуре выше темпера ­ туры па рооб разованl:iя . Ана.'I О ГI:iчно можно добиться такого поло­ женl:iя , когда кавитацl:iя будет отсутствовать даже п р и р « Pd· Дл я начала кaвl:iтaцl:il:i необходl:iмы достаточн ые по вел l:iчи н е и п родолжl:iтельностl:i действия растя гl:iвающl:iе н а п р яже н и я . Прi:i­ чем необходимые п а р амет р ы этl:iх н а п р яженi:iй зависят от п рочно­ сти жидкости . Если исходить и з молекулярио-кинетической тео р и и , прочность жидкост и н а разрыв соизме р има с п рочностью ста л и . 1 В

6

каверна

некоторых

кавитационная

с"1учаях,

о которых

речь

будет

дальше,

четко

заполнена �шожествФI более мелких каверн.

очерченная

б [ ь а н н ым м. Корн фел ьда 34 ) , п редел ь на я о ъе11ша я 2п рочност • / 3250 кгс состав яет сы С 20° Но t и р п ы туре пера � д те при во с разу п о все111У объеыу э т оi\l п р ед полагае тся , что разрыв п роизоидет начинают ы сти материал раз рушаться ьно тел ви ж и д кост и . В де йст неизбежны всегда . " Аналогич ­ которые , ест м ых слаб д из п о о но :-1у служить а п может ровои и л и газо­ жидкости в ом ест м абьш сл НЫ:\! вый п узы р ек . Е сли до пустить , что " вследствие тешюв ы х фл юкт уа ­ ­ ц и й в жи дкости воз н и кает па ровои пузырек , а необходиыы � усло то , имеются последн и и илось, говор будет уже как этого, д.1я вия раст и , е сл и сумма наружного давлен и я р и давлен и я от пове р хност­ ного н ат яжен и я , к ото рое об р атно п ропорционал ьно радиусу пу­ з ы р ь к а , б удет мен ьш е давлен и я н асыщен н ы х па ров Г1 о

�

=

2а

P+![
( 1 .2)

где а- коэффициен т повер хностного натяжен и я и R - радиус пузы р ь ка . я. Б . Зел ьдович [23 ] р а з работал теор и ю р аз рыва жидкости н а п а ровом пузырьке . Расчеты п о этой тео р и и показывают , ч т о п роч ­ ность жидкости должна составлять п риблизител ьно 1600 кгс/см2 • Однако максимальна я п рочность, дост игнутая экспе р иментал ьно Б р и псом дл я специ ально п ри готовленной воды, составляет всего 270-280 кгс/см\ а в реал ьных лаборато р н ы х условия х удается зафи ксировать в нескол ь к и х и з бол ьшого ч исла оп ытов п рочность воды не более нескоцьких амтосфер . Причем растягивающие нап ря­ жен и я до 2-3 кгс/см2 могут существовать л и ш ь нескол ько секунд. З атем п роисходит бурный переход к вполне развитому кавитациов­ ному течению [ 67 ] . В н астоящее в ремя наличие такого резкого расхожде н и я ре­ зул ьтатов тео ретических р асчетов и дан н ы х опыта п р и н ято объяс­ н ять наличием в любой реал ь ной жидкости включе н и й газовых пуз ы р ьков и л и частиц тве рдого тела , т . е. так н азывае м ы х заро­ дышей кавитаци и . Кол ичество и разме р ы газовых пуз ы р ьков яде р кавитации - оп ределяют объемную п рочность воды. П. С. Эп штейн [49 ] установ ил , что в одном кубическом санти ­ метре обычной воды содержится до 500 000 посторон н и х частиц р аз!11еро м до нескол ь к и х м и к р о н , около кото р ы х локал изуются пу­ зырьки газа . До с и х пор остаетс я не вск р ытой п ричина п ра ктиче­ ски бесконечн о дол гого существов ания в воде газовых за родышей , кото р ые не всплывают н а повер хность и не диффунди руют в жид­ кость . Бо.1 ьшое расп ростране ние и ыеет гипотеза Е . Н . Гарвея л ока­ лизации газов ы х полостей в м и к роскопич еск и х т рещи н а х обтекае­ ыы х шш взвеш енных в потоке тве рды х тел . П рочн ость жидкост и п редоп редел яетс я вел ичиной 1\ШКСНl\Iа.ТJь­ но го газовог о за родыша . Ч е ы бол ьше этот за роды ш , тем ыеньше п ро чност ь . В п ределе п рочност ь определ яется давлен иеы нас ы ­ щен н ых па ров Pd· Р асчеты показы вают [49 ] , что п р и наличи и

7

ti узЬiр ь ков диаметром более 10- 20 f.t п рактически дости гается этот п редел п рочност и . В реал ьных услов иях гидротурбин ы п ри нал ичии турбулент­ ных пул ьсаци й , ви хрей в погр а ничном с :юе , несфер ических з а р о ­ дышей кавитации на обтекаеыых пове р хностя х , неизбежных тве р ­ дых и органических вклю чени й кавитаци я воз н и кает п р и осред­ ненных давлен и я х , бл изких к да влен ию па рообр азован и я . Это п одтве рждается эксперимент а м и. Но кавита ци я может воз н и кн у ть и развиватьс я , есл и давление р �Pd будет воздействовать н а газо­ вый за родыш достаточно п родолжите.ТJЬно. При бо.1 ьшой скорости п рохожде н и я потоком малопротяжен ной зоны раз режен и я , хо­ тя бы и достаточно бол ьшого по абсол ютной вел ичине, кавитация может н е п роявиться . Важно подчеркнуть та кже , что если п р и некоторых услови я х и удается затягивать начало кавитаци и (та к же , к а к и ки пен и я) , то после начала п роцесса о н не п рекращаетс я , и устойчивое его течение п родолжается , если давление подн ять до вел и ч и н ы давле­ ния па раобразования и даже нескол ько выше . Имеет место гисте­ резис , на который впервые обратил вниман ие Р . В . Керми н в 1952 г . [67 ] . Таким образом, хотя и нель зя считать доказ анным, что к р ити ­ чески м дл я образования кавитации в реальных услови я х гидро­ турбин является давление нас ыщенных п а ров , это наиболее ве­ роятное и согласующееся с п рактикой допущен ие. Н е исключено, конечно, что в некоторых специ альных а п п а р ата х и механизмах, где п р и нимаются особые меры дл я увеличен и я п рочности жидко­ ст и , кавитаци я возникает п р и давлен и я х , существен но меньших давлен и я п а рообразован и я . До с и х пор р ассматр ивалас ь так называем а я гидроди намиче­ ска я кавитаци я , т. е. кавитаци я , воз н и кающая в потоке жидкости п р и внешнем или внутрен нем обтекании тел . Кроме гидроди нами ­ ческо й кавитации большое п рактическое значе н ие имеет искус­ ственн а я акустическая кавитац и я , к оторая воз н и кает и л и в сфоку­ с и рованном поле ул ьтразвук овой вол ны, расп рост р а н я ющейся в объеме жидкости вдали от огран ичивающи х поверхностей , и л и п р и нефокуси рованном излуче нии с н аибол ьшей и нтенсивностью кавитации н а поверхности само го излучател я . В отличие от гидро­ динамическо й , п р и акустическ ой кавитации каверны исп ытывают не однократное, а многократное периодическое растягивающее и с жимающее воздействи я . Особе нности гидродинами ческой и а ку­ стической кавитаци и , которые отмечен ы выше, п р иводят к тому, что п р и анал итическом исследова н и и первой обычно по .ТJЬзуются л агранжевыми координатам и , а вто рой - эйле ровыми . Акусти­ ческая кавитаци я вообще легче по ддаетс я а на.rштическим и экспе­ р и ментал ьным исследова н и я м . Многие качественные резул ьтаты эти х иссле до в а н и й 1\югут быть использованы и испол ьзуются п р и анал изе меха н изма более сложной гидродинаыической кавитаци и .

8

[89] с помощью скоростной что п р и кавитац и и за тысячные доли ce­ асти до неско льких миллиметров и затем KYHJ.ЬI пУзырек :-южет выр сх.1оnнУться еще в ;�.ва ра з а быст рее . дв1!жущиеся с потокоl\I, не связанн ые с обтекаемои поверх ­ н о с тью 1{ а внта цнон н ые каве р н ы и меют обычно п риблизител ьно сферическую фор :о- t у и�111 п р иблпжаются к ней в - п роцессе развития . Поэто:--1у к.1асснческои ыо де .'l ью кав итационного п роцесса явл яется днна:--шка сфе рич е ской полости в жидкости . В первые задачу о замыка н и и сфер ической полости в неогран и ­ чен ном объеl\!е невязкой несжимаемой и л и шенной поверхностного натя жени я жидкости теоретически решил Релей более 50 лет на­ зад -rgg ] . Рассl\Iатр ивалось радиальное дв ижен ие сфер ическо й по­ лости под воздействием постоянного давле н и я п р и налич и и инер­ ционн ы х сил . Причем сам Релей обращал вн имание н а то, что схема идеал изи рована и п р иводит в конечном итоге к абсурдному выводу о бесконечно бол ьших скорост я х и давле н и я х во всем объеме жид­ кости в последн и й момент замыка н и я полости . Н а самом деле дав­ лен и я действител ьно достигают очен ь больших величин , чем и обус ловл ивается кавитацион ная эроз и я , но не бесконечных , а ско ­ рости конечны и в некоторые моменты равны нул ю . В дальнейшем классическое решение Релея совер шенствовалось п утем выявлен и я вл и я н и й различных его допущен и й . В каве рне, развившейся из газанаполненного кавитационного зародыша , в который вследств ие диффузи и п р и пон иженнам давле­ н и и из окружающего раствора поступает, кроме того , и дополн и ­ тел ьный газ , неизбежно наличие газа . Газ не допускает полного .:мыка ни я каверны, она сжимается до каких-то конечных р азмеров и под действием давлен и я сжатого газа вновь расши ряется. Воз н и­ кает ко лебател ьный п роцесс . Это усугубл яется еще и тем, что п а р , на хо дящи йся в каверне, по данным Фл и н н а [ 65 ], конденс и р уется не мгно венно, а с конечной скоростью, равной 6 , 5 м/с . Следова· те льно, н а последн и х стади я х замыка н и я , когда радиал ьная ско­ рость стенк и п ревышает скорость конденсации , пар тоже и г р ает рол ь уп ругого газа . В конце концов периодически й процесс зату· хает . Г ромадн ые давле н и я , воз н и кающие в момент завершени я сж ат и я и последующег о расши рен и я п а равоздушной смеси ка­ вер ны , вызывают уп ругие колебан и я в жидкости с ш и роким спек­ тро м зв уковы х и ул ьтразвуковы х частот . Поэтому п ренеб режение сж има ем остью с реды тоже п риводит к погрешности . Звук может р ас п рост раня ться только в уп ругой сжимаемой с реде . На образо­ ван ие зв ука тратится часть запасенной энергии и за счет этого ско­ рост ь за мык а н и я тоже умен ьшаетс я . У честь сжимаемост ь аналити­ ческ и оче н ь трудно и дол гое в ремя н и кому не удавалос ь . Только 13 60- х годах было получено достаточно строгое реше н ие задачи дл я с ж има емой невязкой жидкости п р и адиабатичес ком пpoЭкспери:-.tенты В. Е. Джанеона

юrносъе:--1юr

показаm1,

u

Jlecce.

Влияние вязкости , как показывает анализ , для дан ной задачи ыенее существенно, теl1\ более , что оно в большой степе ни коrvшен­ сируетс я поверхностным натяжением. Кав итационная каверна при гидродинаl\шчес кой, а иногда и при акустической кав итации возникает вблизи стен ки. Поэтому сфернчесJ<ая С Иl\11\Iетрия , которая предполагаетс я при рассыотре­ нии задач динаl\шки кавитацион ной полости , существе н но нару­ шаетс я. Норl\Iальные к стен ке скорости на ее поверхности рав ны нулю. Получающийс я реальный поток можно представить, заме­ н и в пузыре к диполем и в ведя зеркально отображен ный относи­ тельно стенки такой же диполь. Тогда оказываетс я , что каверна при замыкании приближаетс я к стенке со скоростью того же по­ рядка, что и скорость замыкания. Причем с корость замыкания и давление при наличии стенки меньше , чем без нее. Наконец, все эти рассуждения предполагали, что сферическая полость все время сохраняет устойчивость, т. е. остаетс я сфери­ чес кой. Оказываетс я это справедливо лишь для стадии расширения, а при захлопывании пузырек может потерять свою форму особен но под влия нием расположен ных вблизи твердых стенок или свобод­ ной поверхности. И тогда вместо обычно представляемого смыка­ ния пузырька происходит его разрушение на множество более ыелких пузырьков. Нод и Эллис [45 ] предложили схему кумулятив ного схлопыва­ ния сферичес кой каверны при потере устойчивости. В соответствии с этой схемой сфера деформируется таким образом, что во в нутрь ее врываетс я струйка жидкости, которая и производит разрушаю­ щий удар по обтекаемой поверхности. Кстати с казать, при расчетах по схеме кумулятивного схлопы­ ван и я интенсивность эрозион ного воздействия получается больше и ближе к экспериментальным дан ным. Очевидно, что при гидро­ динамической кавитации еще более, чем при акустической, ве­ роятно кумулятивное схлопывание. 2. К АВИТА ЦИЯ И ГИДР О ДИ Н А М ИЧ Е С КИЕ

П \РА М Е ТРЫ ТЕЧЕНИЯ

Изолирован ная кавитационная каверна практически никогда не возн и кает в реальных течениях. Даже в идеализированных лабо­ раторных условиях трудно воспроизвести такую каверну. Обычно имеет место не которая кавитационная область, определен ная зона потока , содержащая множество кавитацион ных каверн. Для ха­ рактерист и к и кавитацион ной области в ведено пон ятие индекса развитости кавитации или и ндекса кавитации [ 3 ] К_ LlV -

v '

(I .3)

где V - некоторый объем внутри кавитационной области; L1 V­ часть объема V, зани:-.шеl\IаЯ кавитационными полостями. 10

И н де кс к авит ации имеет локальн ый характер и явл яетс я ф ун к: ат и в ремен и . Можно себе п редставить с реднюю и н ! 1 11ей коо рд ин т е г р а .1ь н у ю ве Ji ичину индекса кавитаци и всеи кавитационно м u

u

об.1асти. в з ав не и мости от и ндекса кавитации меняетс я осредненна я п.1отн о сть ср е ды . Зная распреде .1ение плотности п о кавитационно й

об .1аст и , l\ЮЖНО дл я п р иб Ji ижен ного исс Jiедова н и я кавитацион ных тече н и й в ос по.Тiьзоваться уравне н и я м и аэродинамики для сжимае1\IЫХ с ред с переменной плотностью . До н ач ала кавитации и ндекс кавитаци и равен нулю, затем по ые р е р азв ития кавитации о н возрастает . В п ределе , когда кав ита ­ цио н н а я область п редставляет одну бол ьшую каверну, индекс кав и таци и равен еди н и це . В этом случае и меет ыесто так называе­ ыое ст руйное течение . Изучен ием таких тече н и й зани мается спе­ циа льный раздел гидромеха н и к и . Каве р н а рассмат р и вается как внеш н я я дл я потока обл асть, а огран ичивающа я ее поверхность ка к свободн а я пове р хность с п остоянным давлением. Между п редельными бескавитационным и струйным течен и я м и имеют место различные фо рмы кавитации п р и р а з л и ч н ы х степе н я х развития . Если кавитаци я воз н и кл а , т о она разви вается тем бол ьше, чем ниже давление в системе или чем бол ьше ско рости течени я . Дл я характеристики степени развития кавита ции п р и н ято ис­ пользовать без размерный п а р амет р , называемый ч ислом кавитаци и k=

(1 .4)

где Pro и V ro давление и скорость н а бесконечности пе ред обте­ каемым телом ; р- плотность жидкости . В ы ражение (1 .4) дл я числ а кавитаци и ст руктурно напоl\lи нает выра жение дл я коэффи циента давлен и я -

р=

P-Pro v2

р�

( 1 . 5)

2

где р - давление в точке обтекаемого тел а . p,J, Есл и в какой-л ибо точке i обтекаемого тела давление Р; то число кавитации k равно коэффициенту давлен и я Р; в этой точке с об р атным з н а ком =

(1 . 6 )

Есл и Р; соответствует м и н имальному давле н ию н а обтекаемом п р оф иле, т. е. Р; Pmln• то соответствующее число кавита ц и и н аз ывают к р итическим

=

(1 . 6 ' ) 11

np11 этом создаются у сл о1311я для 1-1а чала кавитаци и 1-!а nро­ филе. Чем мен ьше число кавитаци и , тем бол ьшие растя гивающие н а п р яжен и я воз н и кают в жидкости

так как

Z= Pd- P·

(I . 7)

В реал ьных услов и я х жидкость п р а ктически не выдерживает рас­ тя г ивающих н а п р яжений и , следовател ьно, че1:11 меньше число ка­ витаци и , тем более развита кавитаци я . Как в идно и з формулы (1 . 4) , число кавитаци и можно уменьшить не тол ько уменьшая давле н и я Роо, но и увел ичивая скорость voo. Эпюры расп ределения давлен и й с tl п о изол и рованному п рофил ю и п рофилю в решетке , полученные l/ QB дл я идеальной жидкост и , в ре­ альной вязкой жидкости хорошо отражают действительное рас­ Qб /ш п ределение давле н и я до тех п о р , п о к а не воз н икает отрыв погра­ 0.4 l н ичного сло я . В случае отрыва w фактическое расп ределение дав­ Q2 лен и я может существенно отл и­ чаться от расчетной эпюры, осо­ о б 8 10 2 бенно в тех местах эпюры, где a.,гpaiJ получаются значител ьные г р а ­ Рис. 1 .1. Зависимость коэффициента диенты давлен и я , в частности , подъемной силы с у от угла атаки а дл я изол ированного профил я ; зон ы в районе п и ка раз режения н а существования четырех (1-IV) фор м в ходной кромке п р и бол ь ш и х кавитации у г л а х ата к и . Внешним п роявлен ием изме­ нен и я расп ределен и я давления п ри экспериментальных исследо­ в а н и я х к р ыловых п рофилей явл яется изменение коэффициентов подъемной силы су и с и.т1ы соп ротивлен и я сх:

[7

�

l"i

1/

Ry

Су= -2-; pv oo

2

сх =

Rx

Ьl

--v�z"---

p �Ьl

(I .8)

(1 .9)

2

где RY и Rx- подъемная сила и сила соп ротивлен и я ; Ь и [­ размах и дл и н а хо рды п рофил я . П р и бескавитационном обтека н и и изоли рован ного п рофиля коэффициент подъемной силы воз растает с ростом угл а атаки а (рис. 1 . 1 ) сначала л инейно, затем рост коэффициента п одъемной силы замедл яется и при некото р ы х углах атак и начинает умень­ шаться . В дал ьнейшем будет рассмотрено вл и я н ие форм н степе н и развития кавита ц и и н а гидроди намические п а р аметры . 12

Э. Р АЗВИТА Я К А ВИТАЦИII

Г и д род инамическую кав итацию, т . е . кавитацию, возникаю­ щую п ри те чен и и жидкости , можно подраздел ить н а п рофильную ( ил и по г р ан и чн ую) и срывную. П рофильнан кавитация возни кает на хо ро ш о обт екаемы х тел а х , развивается в непосредств ен ной бл и­ зо сти к и х пове рхности . Замыкаются кавитацион ные каверны н а о бте кае ыых т ел а х и л и с разу за н ими . Эроз и я локализуется в ос­ но вн ом н а обтекаемом теле . С р ывна н кавитация и меет место в в и х ревом следе за плохо обтек аемым и телами или элементами тел . Замыкание каве р н п ро­ и сходит в кормовой части обтекаемого тела ил и элемента или за н им и . Кавитационной эроз и и подвергаются в основном пове р х­ н ост и , распола гающиеся з а обтекаемым телом или элементом . Подобна я срывной кавита ци я возни кает н а г р а н ице затопленно й стр у и , вытекающей из отве рстия с бол ьшой скоростью в мало­ подв ижную жидкость, или н а г р а н и це раздел а ыежду потоками , текущими в разных нап равлен и я х . В п р оточном тракте гидротурбины и меют место и п рофильная и срывная кавитаци и . Иногда они существуют в м есте, в л и я я друг на друга, создавая специфическ ие фо рмы кавитаци и . Исследован и я последн и х лет показывают, что п рофильная ка­ витация имеет существенно р а зличные фор м ы в - зависимости от геомет р и и п рофил я и п а раметров течен и я . П р Ичем , так как гео­ мет р и я п рофиля и п а р а метр ы течения мен яются поперек потока , п роходящего через гидрома ш и н ы , на лопасти могут однов ременно иметь место разные фо рмы кавитаци и , оказывающие вл и я н ие друг на друга . Поэтому экспер и ментальные исследова н и я п рофильной кавитаци и обычно п роводятся н а изол и рова н н ы х п рофи л я х и п ро­ фил я х в плоских решетка х . Исследования кавитацион н ы х обтека н и й изол и рованных п ро­ филей , бл изки х по фо рме к п рофилям, составл яющим лопастную систему поворотнолопастной турбины, позвол и л и получ ить п ред­ с тавлен ие об основ н ы х формах п рофильной кавитации . П р и малом угле атак и н а п рофиле воз н и кает так называемая п узы рьковая кавитаци я - форма /. В доль поверхности п рофиля с ледуют друг з а другом вместе с п отоком кавитацион ные полости кав е р н ы - п р иблизительно сфер ической формы . Кавер н ы стано­ в ятс я видимыми в с редней части п рофиля , быстро растут и затем замы каются . На р и с . 1 . 2 п редставлены две стадии развития пу­ зы р ь ковой кавитаци и . Уменьше н ие числа кавитаци и дости галось п у тем умен ьшен и я давле н и я в системе . Ско рость потока н а входе поддерживалась постоянной vco 1 0 м/с . Н а п равление потока сл ева нап раво . В идны отдельные кавитационные пузырьк и . Ч исло и размер ы следующих друг з а другом п уз ы рьков р астут с уменьше­ н ием числа кавитаци и . Зона замыка н и я п уз ы р ьков смещается по пот оку . =

13

А нал из показывает, что формы воз н и кающей кавитации свя ­ за н ы с ха ра кте ро111 эпюры расп ределен и я давлен ия по п рофилю, полученной дл я бескавитационного обтека н и я . Пузыр ьковая ка­ витаци я , н а п р и111е р , возни кает тол ько в TO!IJ случае, есл и н а сто роне раз реже н и я п рофил я имеет место выравненная эпюра , без резк и х градиентов давлен и я , без раз реже н и я н а входной кромке [ 75 ] . Н а р ис . 1 . 3 п редставле н ы характерные п р и111е ры эпюр распре­ делен ия давлен и я по си ммет р ичному профилю пр и разных угл а х ата ки а ( р а з н ы х коэффиU:иента х подъе111 ной с и л ы су). П о о с и орди ­ нат отложен коэффициент давле н и я р (1 . 5) , а по оси абсцисс отл о ­ жен а относител ьная коо рди ната х, отсч итываемая по хорде от

Рис.

1.2.

Пузыр ьковая кавитация (форма /):

а-

k

=

0,77;

б- k

=

0,55

входной кромки . На эпюрах п р и н ято отри цател ьные давлени я откл адывать вве р х . При изменен и и коэффи циента подъемной сил ы су (1 . 8) от О до 0 , 2 ( рис. 1 . 3 , а, 6) эпюра давления тра нсформи р уется , н о остается пологой без пика раз режения . Поэтому на эти х режи ­ мах обтека н и я п р и уменьше н и и числа кавитаци и воз н и кает пузырь­ ковая кавитаци я . Как показал и исследован и я с помощью ско ростной ки носъемк и , пузырьковая кавитация развивается в потоке следующим образом [ 75 ] . В воде содержатся кавитацион ные з а родыши , пузырьки раз­ л ичного разме р а , наполнен н ые п а ром и газом . Попадая в зону минимального давле н и я н а п рофиле, часть за роды шей п рете рпевает кавитацион н ы й рост . Чтобы за родыши радиуса R 0 и л и бол ьшего размера н ачал и расти. необходимо, чтобы растяги вающие н а п р я ­ жен и я z (1 . 7) достигли вел ич ины [49 ] Po -Pd+

2cr '

( 1 .1 О)

f4

где коэффициент повер хностного натяжен и я дл я воды а 7,4 Х х I0-5 кгс/см ; р 0 - на ч ал ьное давление, пр и кото ром существует за родыш радиуса R 0• =

14

Растя гивающие напряжения z обусловлены н е только эпюрой д .1е ния стационарного давления , но и турбулентными сп ра р е е пу.1ьсациями давления. Те зародыши, радиус которых мен ьше R o.; пройдут кавитационную зону, не увеличив !l ясь в paзl\lepax. Такои ана.111з сог.1асуется с дан ными наблюде н ии за развитием пузырьковой фор:'I!Ы кавитации на профи.Тiе. При достижении минимальн ого давле ния на верхнеи поверх­ е но т!! профил я (сторона разрежения) величины давления парообu

а!

-1,0

L/,

t - о 1/ 11�

0.2

1

:

2

0.4

��---( /

0.2

f!J -I.Ог---.--т----.---.----,

-

f-.

0.6

0.8

1::::--

0,4

0.6

-

l �--��--��---��--0�--� �2 0. 4 . 8 06 1. 0 .

х

-0.8

1.0 х

--

=

\

-1.0

вер х н я я nове р х ность;

х

гJ

-2,0

Рис . I .3. Эпюры р аспределен и я давле­ н ия н а симметричном изолирован ном профиле : а - угол атаки а = О; коэф­ О; б фициент подъемной силы су 1

�

1.0

1/

су =

2

"'
0,2;

к2

0.2 в

-

0.4

су

=

0.6

0,3;

ниж н я я nовер х ность

---

0.8

г- Су =

-1.0 х

0,6;

разования при дан н ой температуре или несколько меньшего давле­ ния вблизи поверхности тела, позади зоны наибольшего разреже­ ния , возникают отдельные хорошо видимые пузырьки. По мере снижения давления действиующие в воде растягиваю­ щие напряжения растут , одновременно увеличивается зона их де й ствия и размеры пузырьков возрастают. П ериод следования отдельных пузырьков друг за другом в среднем умен ьшается. При дальнейшем увеличении угла атаки (коэффициент подъем­ ной силы су � 0 , 3) на входной кромке профиля образуется пик разрежения (рис. 1 . 3 , в , г), который обусловливает образование св яза н ной с профилем пленочной кавитационной каверны [ 75 ] . Если пик разрежения н е оче н ь сильно развит (рис. 1 . 3 , в) , коэф­ фицие нт подъемной силы су 0 , 3 + 0 , 4 , то образуется пленочная =

�5

каверна с гладкой поверхностью (форма кавитации //). Каверна имеет стационарный характер, поверхность ее прозрачна, хвосто­ ва я часть каверны пу.'!Ьсирует, периодически отрываетс я и уно­ ситс я потоко�I. Начинается ка верна непосредственно на входной кро�1ке профи.1я, то.1щина ее много 1\lеньше то.1щины профиля. При IIIIIкронеров ност ях на входной кро111ке за HИIII И на поверхности ка верны образуются видимые ,rшнии. · На рис. 1.4 показано развитие пленочной с гладкой поверх­ ностью ка верны кавитации при k 1 , 7 и 1 , 2 . Четко видны отдел ь=

Рис.

1.4.

Пленочная с гл адко й каверно й кавита ц и я (форма 1/) : a- k = \,7; 6- k = 1,2

ные струйки на поверхности каверны. При достаточном развитии кавитации хвостовая часть каверны сил ьно турбулизируется. Характерно, что пленочная кавитация поя вляется значи­ тельно раньше (при больших числах кавитации), чем пузырьковая. При дальнейшем повышении угла атаки пик разрежения разви­ вается еще больше (рис. 1 . 3 , г) и вместо гладкой каверны обра­ зуется заполненна я, с шероховатой поверхностью каверна (форма кавитации ///). Толщина каверны соизмерима с толщиной про­ филя, по ее поверхности постоянно движутся дискретные вихри, содержащие пузырьки, хвостовая часть сил ьно пул ьсирует, начало каверны - непосредственно на входной кромке. Кавитация в форме /// (пленочная с заполненной каверной) при k 2 , 0 показана на рис. 1 . 5 и 1 . 6 . Поток сильно турбулизи­ рован по всей длине каверны. На рис. 1 . 6 представлена та же форма ка витации на специа.Тiьном прозрачном профиле. Съемки поперек образующей профиля (рис. 1 . 6, 6) проводились сквозь прозрачное тело профиля. Это позволило.,.установить, что вся каверна пред=

/1)

с т ав л яет собой кавитационную область с четкими гран ицам и , за n о л нена множеством более мелких кавита цион ных каверн . Съе �IКН вдо.1ь образующей ( р и с . 1 . 6 , а) показывают, что толщи на ка ве р н ы в хвостовой части того же пор ядка , что и толщи на п ро­ ф 1 1 .1Я. О n иса н н ые т р и формы кавитации возни кают на п рофиле п р и 11 з �1ененни у г л а ата ки от н у л я (бесци ркул я цион ное н а п р авление) до п р и б л и з ительно та кого з начен и я , п р и котором вел ичи н а коэф­ ф и циента подъемной силы дости­ г ает макси мума . Дал ьнейшее уве­ :IИчен ие угла атаки п риводит к воз­ н и к нове н и ю с рывной кавитации (фо р м а / V) , п редставл яющей собой д искретно следующие с потоком в и х р и , на ося х которых возникают н р азвиваются кавитационные ка­ вер н ы . Форма 1 V ха ракте р н а дл я обт е к а н и я плохообтекаемых тел . Совокупность срывающихся в и х­ рей п о существу явл яется извест­ ной до рожкой Ка рма н а . Н а рис . 1 . 7 показана срывная (ф o pi\Ia 1 V) кавитаци я п р и k 1 , 75. В да н ном сл учае кавита­ цион н ые полости не п р илегают к пове р хности п рофил я . Н а р и с . 1 . 1 да н а зависимость коэффициента подъемной силы су от у г л а ата к и сх. дл я одного и з ис­ Рис . 1. 5. JJ,Ieнo•,J ан с •аrю .J.cJ:JJ следованных п рофилей п р и беска­ каверной кав;.тац: я ( ;юf.J а ///) nри k 0,2 витационном обтекан и и ; н а гра­ фи ке отмечен ы также зоны у глов атаки , п р и которых воз н и кает та или и н а я форма кавитаци и , обо­ значе н н а я р и мскими цифрам и . При достаточной степени развития кавитаци и изол и рованного п рофиля формы /, 11 и /// переходят к суперкавитационному течению, носящему струйный хара кте р , с каве р ной , расп ространяющейся за п ределы п рофиля . Следует отметить, что пузырьковая кавитаци я даже п р и бол ь ­ шой степен и развити я не переходит в пленочную форму. П р и неко­ торых п ромежуточных угл а х атаки существуют однов ременно формы 1 и // кавитаци и . П р и каждой форме кавитаци и существенно отли чаются друг от друга у ровни а кустического изл учен и я . Н аиболее сильные акусти ­ ческие излуче н и я зафикси рованы п р и кавитации в фо рме /, не­ скол ько меньшие - п р и кавитации в форме ///. П р и кавитаци и в форме // и нтенсивность излучен и й з начительно меньше, чем п р и фо рма х 1 и ///. Очевидно, что и кавитацион н а я э рози я п ри каждой форме кавитаци и развива��СШу. · · =

=

•

=

?

Н. И.

Пылае�

\7

Обтека н и е п рофил я в решетке существен н о отл ичается от обте­ ка н и я изол и рова н ного п рофил я . Х а рактер расп ределен и я давле­ ний по п рофи лю в решетке и меет специфические особен ности .

Рис. 1 6 Пленочная с запол нен ной каверной кавитация (форма ///) н а прозрачном п рофиле : а - вдол ь профил я ; б- через тело профилп .

.

Н а р и с . 1 . 8 п редставлен ы п р имеры эпюр расп ределен и я давле­ н и я по п рофилям решеток, образующи х лопастную систему высо ­ конапорного поворотнолопастного рабочего колеса . По ос и абсцисс в дан ном случ � отложен а коорди н ата х, отнесе н н а я ко всей дл и н е контура п рофил я . Пр ичем отсчет ведется от выходной к ромки по напорной сто­ роне к стороне раз режен и я . Особен ности расп реде­ лен и я давле н и я на п рофи­ ле в решетке п р и водят к некоторому своеобразию возни кающи х фо рм кав и ­ таци и , хотя основные т р и фо рмы , получен ные н а изо­ Рис. 1 . 7. Срывизя кавитация (фор ма 1 V) л и рова н н ы х п рофил я х , и при k 1,75 здесь ИJ\tеют 1\lесто . Дл я эпюр с п и ком раз режени я н а в ходной к роl\tКе (nj 9 5 ; 1 05, Cl\t . р и с . I . 8 , а) характе р н а п ле­ ночная кавитаци я ; для эп юр с плавным увел ичен ием раз реже­ н и я к выходной кром ке и �я выравненных эпюр (ni 1 30 , с м . =

=

=

1�

а) р

-б -5 -4

o J_

р - 14 -12 -10 -в

Р и с . 1 8 Эп юры распределен и я давлен ия на профиле в решетке сече н и я 111 по воропю.1опастного рабочего колеса : а- ПЛ642, q; = 20°; б- ПЛ646, ер= 0°. .

.

----

2*

- 11I

=

95;

-· •--

п

i

=

100;

-

-

---

п

j

=

105;

-· - -

пi

=

130 !9

на р и с . i .8, а, 6) - пузырькова я кавитаци я . Специфическа я фо рма кавитаци и , не наблюдавшаяся н а оди ночных п рофил я х , сущест­ в ует на режи мах , п р и которых эпюра давлен и я имеет зону местного повышения давления за п и ком на в ходной к ромке (ni 95; 100; 105, см . р и с . 1.8, 6). В этом сл учае кавитация воз н и кает в в иде отдел ьных факелов , растущи х из фикси рова нных точек пове р х ­ ности п рофил я . П р и умен ьшен и и давлен и я уве.rшчиваетс я дл ина факелов и и х кол ичество . П р и оче н ь развитых стади я х кав ита ци и факел ы сл иваются в стациона рную каве р н у . Схема последовател ь­ н ы х стади й роста такой каве р н ы показана н а р и с . 1.9 . Механизм возни кнове н и я факельной кавитаци и объясняется особенностя м и =

-�--�-_1/_ __V__ 'l_

/:

Рис. 1.9. Схема развит ия кави· та ц ио н но й каве р н ы из отдель­ ных факелов

эпюры расп ределен и я давлен и я . В идимо , в зоне местного повыше­ ния давлен и я за п и ком н а в ходной к ромке создаются благоп р и ят­ ные услови я для воз н и кновени я м ик рап и кав раз режен и я за неров­ ностями поверхност и , что и п р иводит к воз н и кновению отдел ьных кавитационных факелов . Н а некоторых режимах обтека н и я решетки ваблюдались одно­ в ременно и факел ьная , и пузырьковая кавитаци и , п р ичем факелы создавали своеоб разную п рослойку, кото рая отдел яла п узырьки от пове р хности п рофил я . Х а ра ктер развития формы /Il кавитации в решетках н а реж и ­ мах, п р и которых н а тыльной повер хности п рофиля за п и ком раз­ реже н и я н а в ходной к ромке и меет место выравнен ная эпюра разре­ жен и я вплоть до выходной кромк и , и н а режимах с зоной повы­ шенного давлен и я за п и к о м различен . В первом случае каве р н а , возникнув н а в ходной к ромке, с равнител ьно медленно растет п р и пои ижен и и давле н и я до т е х п о р , п о к а ее дли н а не дости гнет зоны перехода п и ка раз режени я в пологую часть эпюр ы . После этого п роисходит быстрый рост дли н ы каве р н ы , частота ее пульсаци й уменьшается и п роисходит перерождение каве р н ы в стру й ное те­ чен и е еще до момента выхода ее хвоста за п ределы п рофиля (на оди ночных п рофил я х , где давление неп рерывно увел ичиваетс я к выходной к ромке , перерожден ие каве р н ы в струйное обтекание п роисходит тол ько после выхода ее хвоста з а п ределы п рофил я ) . 20

В о вт о р ом сл учае каверна , достигнув в своем развитии зоны повы­ шен ног о давления, п рек ращает свой рост, и с уменьшением давле­ н и я п р оисходит увел ичение толщи ны каве р н ы . Лишь при знач и ­ т е л ьно м уменьшен и и давлен и я возобновляетс я р ост дл и н ы ка­ вер н ы . " В р ешетка х отмечено существов а н ие кав итаци и в переходнон фор ме от 1 1 к 1 1/. При этом кавитация воз н и ка л а в в иде гл адкой каве р н ы с замутнен ной поверхностью. Пр и осо бенно больших углах ата ки н а некото рых решетка х возн и кает кавитация в в иде отдельных вихрей, срывающихся

j

0.4

O.J

0.2

d

1

O.J

?'- �"'-..

0.4

0,5

V_=fбH/C �

0.6

�

0.7

0.8

0.9

1.0 k

Рис . 1 . 1 0 . Зависимости су = f (k) дл я изол ирован­ ного п рофил я при разных воздухосодержания х и скоростях потока . Угол атаки а. = 3°. Пленочная форма кавитации . �max = 0,6. +-а%= 1,32;

д.

-а%= 0,4 1; О -а%= 0, 16

с в ходной кромки и локализующихся н а передней четверти хорды п рофил я (форма / V) . П р и этом в и х р и не касаются повер хности п рофиля и каверны н а ося х в и хрей замыкаются в потоке . При умен ьшен и и давле н и я кол ичество в и х рей увел ичивается и посте­ пен н о формируется един а я каве р н а , а н алогич н а я форме 1 1 1 кави ­ таци и . Кавер н а п р илегает к поверхности п рофил я и далее разви ­ вается т а к же , к а к форма 111 кавитации . Анализ режимов работы быстроходной поворотнолопастной турбин ы показывает, что н а лопастя х рабочего колеса возможно воз н и кновение любой формы кавитаци и . Причем п р и повышенных приведеин ы х числ а х оборотов п; > ni оnт можно ожидать формы 1 и 11 кавитаци и , а при п; < nionт- форму 1 1 1 кавитаци и . Кавитация п р и достаточной степени развити я существен н о вл и я ет н а гидродин а мические характеристи к и п рофил я . Н а р и с . 1 . 1 0 п редставлен а зависимость коэффициента подъемной с и л ы от ч исла кавитаци и , получе нная п р и испыта н и и изол и рован ного п рофил я п р и малом угле ата к и . Имела место пузырькова я форма 21

кавита ци и . Движущиеся вдол ь n ро ф и л я с Потоком кавита ционные пузырь ки в и з уально набл юдаются уже п р и k О , 7 +0 , 8 . П р и с н и же н и и ч и с ла кав итаци и частота следован и я пуз ыр ьков воз рас­ тает, но ве лич и н а су не изменяется и остается такой же , как п р и 0 , 50+0 , 55 ( р и с . 1 . 1 0) бес к авитац ион ном обтекан и и . Л и шь п р и k кавитац и я н а ч и н ает влиять н а вел и ч и н у су. Сначала коэффициент подъемной с и л ы нескол ько воз растает , а з атем резко умен ьшается . Одн а ко местный подъем к р и вой су f (k) пе ред паден ием н аблю­ дается не всегда . В ел ич и н а коэффи циента силы соп ротивлен и я Сх п р и кавитаци и воз р астает , что п р и водит в конечном итоге к сн иже н и ю гидроди ­ н амического качества п рофи л я (отноше н и я cylcx) и паде н и ю к . п . д. Следует отметить, что п р и кавитаци и вел и ч и н ы подъемной с и л ы и силы соп ротивле н и я сил ьно пульси руют . Пульсаци и возрастают по ме ре развития кавитаци и до тех по р , пока зона замыка н и я к а ­ вер н не в ыходит з а п ределы п рофил я . Н а р и с . 1 . 1 0 н анесены кривые изменен и я Су от k, соответству­ ющие разным содержа н и ям возду ха в воде . Возду хосадержа н и е определяР.тся в п роцентах к общему объему воды и обозначается буквой а. Это общее воздухосодержан ие: сюда в ходит и растворен ­ н а я в воде часть газа и не растворен н а я . Ка к в идно и з г р афика , при бол ьшем воздухасодержа н и и кавитация п роявл яется р а н ьше ( п р и бол ьших значе н и я х числа кавитаци и) и н а ч и н ает в л и ять н а вел и ч и ну су. П р и пленочных форма х кавитаци и (! 1 и 11 1) характер зависи­ мостей су f (k) и Сх f ( k) п ра ктически та кой же , как п р и форме /. П р и появлен и и каве р н ы н а п рофиле е е вл и я н ие н а г идро­ ди намические характе ристики не ощущается . При снижен и и числа кавитаци и дл и н а каве р н ы l"ав растет и п р и векото рой дл ине н а ч и н ает вли ять н а вел ичину су. З ав не ююсти су f (k) дл я п ро­ филей в решетке качественно такие же , как дл я изол и рова н н ы х п рофилей . Уместно сопоставить относител ьную дл и н у каве р н ы (стади ю развития кавитации) =

��

=

=

=

=

в [кав = lJ
- •

-

где lкав- дл и н а каве р н ы с относ И1ел ьной зоны раст я г ивающи х нап ряжений (р < Ри) -

lp

z р =-т·

(1 . 1 1 ) п ротяженностью (1 . 1 2)

где !Р п ротяженность зоны растнги вающи х н а п ряже н и й , по эпюре расп ределен ия давле н и я при бескавитацион ном обтекан и и . Пр и умен ьше н и и числа кавитации k величи на lP тоже растет в соответств и и с эпюрой (рис . 1 . 3) и услов ием ( 1 . 6) . Испыта ни я ПОJ(азывают, что п ри вто рой фо рме кавитация н ач и ­ н ается в соответств и и с условием (1 . 6 ' ) , т . е . тогда , когда м и н и -

22

l\Iа л ьн ое давлен ие по эпюре достигает величины давления па рооб ­ ра зов а н и я Дли н а каверны в н ачале прак ; ически совпадает с дли ­ но й участка растяги вающи х нап ряжен и и , а затем растет значи ­ т е.1 ьно быстрее . П р и третьей форме кавитаци я воз н и кает в п ротяжен ной зоне от р ыва погра н и чного с.1оя п р и осреднен ном давлен и и выше Pd· Дополн и т ел ьное раз режение в кавитацион ной зоне воз н и кает б.1 агода ря в и х реоб разов а н и ю в районе к р итической точк и . Св язь ст ади и развити я кавитаци и с эпюрой б ескав итационного обтека н и я 9, 10 , н а р у ш ается . Н а б ольших у гла х атаки , н а п р имер а 4 , 0 , в то кав итаци я наступ ает н а одном из профилей п р и ki 1 ,0. время как k"P -Pmin .•

=

Rj

==

°

4. К АВИТА ЦИО Н Н А Я ЭР О ЗИЯ

Кавитацион н ые п роцессы н а р яду со сн ижен ием к . п . д . устано ­ в к и , появлен ием шумов и вибраций конструкций вызывают разру­ шен ие обтекаемы х пове р хностей . Раз р у шен ие поверхностей дета­ лей вследствие кавитаци и , называемое кавитацион ной эроз ией , впервые было обн а р ужено н а г ребных в и нта х, когда в качестве п р ивода вместо па равой ма шины стала использоваться п а рова я тур б и н а . Повер хность металла , разрушен ного кавитацией , п р иоб­ ретает характ ерное губчатое строен ие с глубоко п ро н и кающими ка­ налами . В первых работа х о п р и роде кавитацион ной эроз и и , оп убли­ кова н ных в 1 9 1 7- 1 9 1 9 rr., этот п роцесс рассмат р и вался как меха­ н ическое раз р у шение поверхност и , вызываемое гидравлическ ими ударами , воз н и кающими п р и быстром сжатии кавитационных ка­ верн . В течение последующи х п ятидесяти лет было выдв и н уто не­ сколько десятков различных гипотез о п р и роде кавитационной эроз и и . «Н и оди н из эффектов кав итаци и , как эроз и я , не вызывает столько попыток объясн ить это я влен ие, создать теорию, не п роти ­ воречащую опыту и п ра ктике. Если рассмотреть исто р и ю этого воп роса , то увидим, как одн и тео р и и сменяются новыми , а затем появля ются ста рые возз рен и я , подк репляемые результатами п р и ­ менен и я новых физ ических методов в исследова н и и кав итаци и» [ 70 ] . Многоч исленные гипотез ы , объясняющие тем или и н ым спосо­ бом п р и роду кавитационн ых разруше н ий , во многом п ротиворе­ ч ивы . И х отличие объясняется п р и н ципом, который п р и н ят за основу п р и объяснен и и п роцесса эроз и и , - меха н ически й , корро­ з ионн ый или смеша н ный . В ыше был рассмотрен характер образов а н и я и сжатия кавита­ ц ион н ых каве р н . Н а ибо.Тiее исследова н а пузыр ьковая фо рма кави ­ тац и и . Одна ко кроме отдельных пузырьков встречаются другие фо рмы кавитаци и , когда разрыв сплошности п роисходит в в иде гр оздьев пузырьков , в виде в и х ревого жгута , в виде полости . Раз личают также формы кавитаци и по месту замыка н и я кавита �3

цианно й каве р ны, н а п р и ме р в потоке и л и на пове рхности детале й ; по степени устойчи вости кав итационной каве р н ы в п ространстве и во вреl\Iен и . Раз .1 и чные фо рмы кавитации оп редел я ются характе роl\1 обтека­ НIIЯ, ве.1и ч и ной скоростей и давле н и й , л и нейными разые рюш те.11а, воздухосадержан ием жидкост и , температурой . Следует у читывать та кже г радиенты давле н и я в зоне воз н и кновен и я кавитаци и , те­ чение в пог р а н и чном слое и т. д. Формы кавитации в в иде отдел ьно следующи х п узырьков и в в иде полост и , связан ной с телом , рас­ смотрены в п редыдущем п а р а г р афе. В и х рева я кавитация обычно фор м и руется в о бласти концевы х зазоров турбин , а та кже п р и обтека н и и различных неровностей . Раз рыв сплошности потока в этом случае п роисходит в центре в и хрей . Рассмотрим более подробно х а р а ктер замы к а н и я кавитацион ­ н ы х каве р н и с и л ы , действующие п р и этом. В 1 9 1 7 г . Релей [99 ] , р ассматривая пузырек, содержащий тол ько вод я н ые пары п р и н асыщающем давле н и и , и полага я , что жидкость несжимаема и силы давлен и я имеют сфе рическую сим­ метрию, уста новил , что скорость жидкости н а границе сжимаю­ щегося п уз ы р ька определ яется как

(RR�З- 1 ) ' а давлен ие в жидкости в момент замы ка н и я пузырька (�Ro )3 р0 • р= 0 , 1 63 V=

.. f 2 Ро v Зр

R

( 1 . 1 3) (1 . 1 4 )

В эти х формулах R 0 и R - начальный и текущи й радиусы п у ­ зырька; р 0 - давлен ие жидкости н а бесконечном удален и и о т п у ­ з ы р ь к а ; р- плотность жидкост и . Анал и з и р у я п р иведеи ные формул ы , можно заметить , что п р и R О скорость стенки жидкости и давлен ие стремятся к бесконеч­ ност и . К у к [84 ] рассмотрел п роцесс замыка н и я кавитационного п у ­ з ы р ь к а с уда ром жидкости о твердую повер хност ь . П р и равняв кинетическую энергию столба жидкости высотой I!J.h, уда ряю­ щуюся со скоростью v о твердую повер хность, потенциальной эне р г и и , в которую к инетическая эне р г и я п ревращается при ударе, Кук пол учил следующую зависимость : -•

где

+ p v2 I!J.h + =

-

( 1 . 1 5)

I!J.h ,

коэффициент сжимаемости жидкост и . х Тогда мгновенное дав.1ение н а поверхности тела будет р= v

или дл я воды р

64

хр2

=

v�

1 4 v (р- в к rс/см2 ;

(1 . 1 6) v-

в м/с) .

дл я скоростей уда ра 80- 1 00 м/с давление н а nове рхности твер ­ до го тела 1 1 20- 1 400 кгс/см2 • Такие давления недостаточны дл я р аз р у ше н и я стал и . Вероятно , в _ момент соуда рен и я об разца со с т р у ей И l\Iеет 1\Iесто куыул ятивныи эффект п р и з аыыка н ин кавита ­ ци о н н ых кавер н [ 3 1 ] . Скорости уда р а п р и это!\! воз раст ут в 3-4 ра за , и давления , развиваемые п р и уда ре, достигнут п редела теку­ чести ыате р иала . В 1944 г . М . Кор нфел ьдом и Л . Я. Суворовым [34 ] впе рвые бы ло заыечено, что кавитационные пузырьки не и меют сферической фор мы. При nоыощи скоростной съемки было также замечено, что н екото рые пузырьки , р асположенные н а поверхности твердого а}.

Рис. I . 1 1 . Схема захлопывания кавита· ционной каве р н ы : а- по Кор нфел ьду; б по Ноду и Элл ису -

тел а , как бы п родавливаются жидкостью, котор а я п роникает в по­ л ость пузырька и соударяется с твердой повер хностью ( р ис . 1. 1 1 , а) . В ра боте С. П. Козы рева [30 ] , изучавшего срывную кави т ацию при о бтека н и и круглого цил и ндра в плоскоп а р аллельном потоке, указываетс я , что стацион а р н а я кавитационная кавер н а п ульси ­ р ует , то удл и н я ясь со скоростью до 40 м/с, то укорачиваясь со ско­ ростью до 80 м/с . Эти скоростные nеремеще н и я поверхности ка­ вер н ы автор п редставляет к а к уда р ы , n роизводимые повер хностью кавер ны по окружающей жидкости. П р и этом было обн а р ужено, что пол ного смыка н и я каве р н не п роисходит, диаметр каверн ы п ри ее расширении и сжатии мен яется п р имерно в два раза . Н од и Элл ис [45 ] , исследуя п роцесс смыкания непал усфе риче­ ского пузырька на твердой поверхност и , п утем теоретических расчетов , подтве ржденных з атем экспериментом, п р и шл и к выводу , что стенка пузырька п рогибается внут р ь , об разуя в ходящую стр ую, которая и п роизводит раз рушение ( р ис . I . 1 1 , 6). Таким об разом , в настоящее в реl\!Я существуют два ынен ия о ха­ ра ктере замыкан и я кавитационных п узырьков : во-первых, захло25

/% t1 ьшание ка в ита ц ион ного п узы рька с сох ранением сфе рическо с и l\tl\tетрии, и , во- вторых , за х лопыва н ие пузыр ька п утем п р одавл и ­ в ани я в х одя щей ст р уе й . В зав и с и мости от хара кте ра замыка н и я кав итацион ных п у зы р ьков различаются и гидромехан ические сил ы , воз никаю щие п р и этом . П ри замыкан и и ша рового кав итационного п у зырька в озн и ­ кает сфе р ическая уда р н а я вол н а , котор а я может вызвать раз руше­ н ие поверхности обтекаемого тел а , есл и замыка н и е п рои зошло в непосредственной близости от него . При замыка н и и п узыр ька путем п родавлив а н и я его сте н к и разрушен и е повер хности п роисходит п о д действием в ходящей стр у и . Наличие г идромеханически х сил п р и захлопыван и и кав ита­ ционных каве р н в н астоящее в ремя ни у кого не вызыв ает сомне­ н и я . Тем не менее, некото рые исследовател и отводят этим силам вто ростепе н н ую рол ь , считая , что р а з рушение п роисходит, в основ­ ном, вследствие электрохимичес к и х п роцессов , а механ ические силы лишь удал яют п родукты корроз и и . Электрохимические п роцессы п р и кавитаци и Нехлеба [ 9 6 1 объясн яет, н а п р и ме р , следующим образом. П р и з амыкан и и кави­ тацион н ы х пузырьков п роисходят уда р ы воды о поверхность твердого тел а . В месте уда р а происходит точечный н а г рев мате­ риала . Н а гретая часть повер хност и , взаимодейству я с остал ьной ­ холодной , п р и водит к образов а н и ю термоэлемента . Воз н икно в е н и е те рмоэлементов вызывает электрохимические п роцессы корроз и и , раз р ушающей поверхностный слой . Петрачи [ 1 О 1 1 считает, что элект р ические токи возбуждаются в смежных к р исталлах твердого тела вследств ие пе ременных н а ­ пр я же н и й и деформаци й , воз н и кающи х п р и сжат и и кавитацион ­ ных кавер н . К . К . Шал ьнев [72 1 рассмат р ивает кавитационное разрушение повер хност и металла как элект рохимический процесс н а г р а н и це металл-жидкость, металл-атмосфера кав итационной каве р н ы . Чередов а н ие эти х фаз вызывает появление мгновенных электрод­ ных поте н циалов, которые увел ичив ают и нтенсивность корроз и и в сотни и тысячи р а з по сравнен и ю с постоян н ым соп р и коснове­ н ием металла с электрол итом . В ысказывались та кже взгляды о появле н и и электрическ и х раз рядов п р и сжат и и кав ита цион ных каве р н , о выделен и и атома р ­ ного кисло рода и т . д. Н аличие кор розионного фа кто ра при кавитации подтверж­ дается м ногочисленными экспер и ментами , показывающи м и , что материалы с высокой соп рот ивл яемостью корроз и и в статически х услов и я х , н а п р имер в морской воде , и меют в ысокую стой кость и в опытах н а соп роти вление кавитацион ной эроз и и . Одна ко известно, что пассив н ые в отноше н и и кор роз и и мате­ риалы - золото , стекло , агат - также подверже н ы кав итацион­ ным раз р у шен и я м . 26

Стор он н и к и ги потезы о п реобладающем вл и я н и и механического фа к тор а п р и кавитации п р иводят все новые подтве ржден и я своей то ч к и з р е н и я . Среди н и х - х а р а кте р раз рушен и я повер хностного С.1 ОЯ .

Л . А . Г .1 и кма н [ 1 7 ] н а основе мик роскоп ического исследова н и я ол б ьшой гр у п п ы ыеталлов уста нов и л , что кавитацион н ое разруше­ н и е соп р ово ждается пластической дефорыацией тон кого пове р х­ но стно го с.1оя - н а клепоl\t . Дл я н и з коугле родистой (0 , 1 2 % С) 11 а у стен итной ( 1 Х 1 8Н9Т) сталей повышение м и к ротве рдости со­ ста вл яло соответственно 20 и 50 % . Рентгенографические исследо­ ва н и я показьшают наличие н а клепа н а гл убину до 40 мк. Повер х­ но сть мате р иала п р и этом подве ргается «бомба рди ровке» гидравл и ­ ч ески ми уда рами , п р ичем каждый уда р охватывает очень малую об ласть , соизме р и мую с разме рами отдел ьных стр у ктурны х состав ­ л яю щи х . Р азр ушение рассматривается Л . А . Гл и кманом к а к п роцесс , св яз анны й с выколами мел к и х частиц мате риала за счет ци кличе­ ской пластической деформаци и , п ротекающей п р и односторон нем и л и асиммет ричном цикле сжат и я со с редн ими сжимающими на­ п р я жения м и . Разру шен ие усиливается з а счет кор роз и и , действующей одно­ в рем енно с меха н и ческими уда рами . Точка з рен и я н а эрозию как н а устзлостный и л и кор розионно­ усталостный п роцесс поддерживается многими исследовател ями . Существуют и другие точк и з рен и я н а х а р а кте р разрушен и я поверхностного слоя . Т а к , н а п р и ме р , Кнапп [ 93 ] считает, что каж­ дый гидравл ически й уда р вызывает остаточную дефо рмацию и раз­ рушение . Согл асно его исследов а н и я м , в зоне максимал ьной эро­ зии н а образце из алюми н и я в с реднем образуется 10 язв и н на 1 см2 в секунду . Разме р язв и н п р имерно 0 ,06 м м . Н а элемент по­ в ерхности п р и ходится оди н уда р за каждые 1 00 м и н или п римерно 5000 уда ров в год. Стол ь н изкая частота , по мнен ию Кнаппа, не соглас уется с известными П редставлен и ями об усталостной п р и ­ роде кав итационного раз рушен и я . Н у жно отметить бол ьшие т рудности в исследова н и и кавита­ цион но й эроз и и , являющейся следствием п роцессов замыка н и я к а вита ционн ых каве р н , п ротекающи х с огромными скоростями . П оскол ь ку сам п роцесс кавитации не до конца ясен , вызывает за­ тр у днен ие и объяснение его следств и я - кавитационной эроз и и . О дн а ко и з р ассмотрен и я раз.1 ичных точек зрения н а механизм ка в и т а ц и онной эроз и и можно с уверенностью сказать, что перво­ п р и ч и н ой р азрушен и я являются гидромехан ические силы, возни­ кающ и е n р и смыкан и и кавитационных каве р н . П роцессы меха­ н и ческ ог о раз рушен и я мате р иала соп ровождаются и нтенсивной ко р ро зией . Соотношение между механ ическим и кор розионным фа кт ора м и раз рушен и я , а та кже силы, воз н и кающие п р и замыка­ н и и кав ита ци онных каве р н , будут р ассмотрены в связи с исследо­ в а н и я м и к ави тационной стой кости мате риалов . 27

Здесь следует остановиться н а характер исти ке и нтенсивности кав ита цион ной эроз и и . Существуют многоч исленные к р итер и и оценки п роцессов эроз и и , в ыдви нутые рядом авто ров . П р иведем основные из н и х : 1 ) поте р я объема мате риала в един ицу в реме н и ; 2 ) потер я веса образца з а определенный п е р иод испытан и й ; 3 ) п р одолжител ьность испытан и я образца д о достижен и я опре­ деленной степен и разрушен и я ; 4 ) ч исло кавитационных вмятин н а един ицу площади за еди ­ н ицу в ремен и ; 5) ч исло и глубина кавитационных вмяти н з а определен ное в ремя испыта н и я ; 6) глуб и н а и площадь эроз и и за некоторый пер иод р аботы; 7) расход элект родов н а восстановление разрушенной кави ­ тацией повер хност и . Тот и л и и ной к р итер и й оценки эроз и и выб и р ается в зависимо­ сти от услови й экспер имента . Н аиболее полно эрозия х а ра кте р и ­ з уется объемом у несенного мате р и ал а , одн ако не всегда е г о можно точно за!IIер ит ь . В связи с эти м испол ьзуются и другие к р ите р и и , та кже ха ра ктер изующие и нтенсивность кавитационной эроз и и . 5 . К А В ИТАЦИ О Н Н Ы Й Ш УМ И В И БРАЦИ Я

З а хлопывание кавитационных каве р н , а также и х п ул ьсация к роме кавитационной эроз и и создают шум и вибрацию деталей установок . Известно, что появление звуковой вол н ы связано с изменением во в реме н и плотности среды . В конечной стади и сжат и я кавита ­ ционной кавер н ы давление в жидкости резко воз растает, что п р и ­ водит вследствие сжимаемости с реды к образова н и ю сфе р ическ и х звуковых вол н . Сжатие кавитационных пузырьков может п роис­ ходить к а к в жидкост и , так и н а повер хности твердого тел а . В сл у ­ ч а е замыка н и я кавитационных п устот н а поверхности тела уда р ­ н а я вол н а р асп ростран яется и в металле . В зависимости от вел и ч и н ы кавитационной каве р н ы и окру­ жающи х условий п роцесс сжат и я может п р и вести как к эроз и и , т а к и к п ул ьсаци и давле н и й в п р оточной части турбины . Пр и этом очевидно, что мел кие пузы р ь к и , з а хлопывающиеся на п ове р хности детал и , п р и водят к э розионному эффект у . Кр у п н ые же п олост и , замыкающиеся к а к в потоке, т а к и н а повер хност и деталей , вызы­ вают п реимущественно колеба}[ И Я давлени й , п р и водящи х к вибра­ ции деталей турбины, а также к колебан и я м мощности т у р б и ны . Образован ие больши х кавитационных полостей может п р о ­ изойти н а пове р хност и лопасте й , обычно н а в ходной к ромке, и в центре потока под рабочи м колесом жестколопастных турбин при р аботе н а нерасчетны х режима х . Кавитацион ные полости н а в ходной кромке лоп астей воз н и кают п р и обтека н и и с большими у г л а м и ата к и , когда н а в ходе образуется бол ьшой п и к разрежен и я . 28

Р а з р ы в спл о шности в центре потока под рабоч им колесом свя_воз н и каю щим вследствие бол ьших ско росте н с р а з ре ж е н ием за н з о с и вращен и я . Пр и оп ределеннон высоте отсасыван и я это в б� � ! н р же н н е п р иводит к о б разованию в цен тре потока пустотелого а з е р '

u

в и х р ев о г о жг у та . В н з уа.1 ьн ы е на бл юде н и я н а модел ях показывают , что центральн ы й в и х рь о бра зу ется н а режимах, лежащи х как слева, так и с п р ава о т опти!IIУ\'Ш рабочей характеристики . В зависимости от от типа р абочего колеса в и х ревая полость имеет р е жи :-. ш (Q [ , n[ ) и ся спи рали и л и форму пульс и р ующего «мешка» . щей аю ащ фо р :�I у в р некоторых режимах дост игает полов и ны диа­ а н я р х и в ик н опереч П !ll етр а р а бо ч ег о колеса . При расходах меньши х оптимального в и х ­ ре вая п о.1ость вместе с потоком в ращается в направлен и и в раще­ н н я ра боче го ко леса , п р и расходах больших оптимал ьного в обратн ую стор ону. Н ужно отметить, что центральвыи в и х р ь появл яется на р а н н и х ста д и я х кав итаци и , задолго до образован и я первых кавитацион­ н ы х кавер н на лопастях, п р и этом значен и я кавитационного коэф ­ фицие нта установки <Туст в т р и и более раз п ревышает кавитацион ­ н ы й коэ ффициент турб и н ы атурб· Таким образом, пустотелый в и х р ь появл яется на режима х , далеких о т кавитационного с рыва эне р ­ гетических характер ист и к , и не сказывается заметно н а вел ичине u

(JТ\ рб ·

При соп р и косновен и и образовавшейся в и х ревой полости со стенкам и отс асывающей трубы наблюдаются мощные уда р ы , опас ­ н ы е дл я п рочности турби н ы . Из п ра ктики эксплуатаци и известны с л у чаи отрыва кон усов рабочего колеса и обл и цовк и отсасываю­ щей т р убы . Пул ь с ации потока и св язанные с н и м вибрации агрегата в н а и ­ б ол ьшей с тепени п роявл яются дл я радиально-осевы х гидротурбин в зоне с нагрузкой 40-60 % Nопт · При работе агрегата с N,-,11т в ибра ции исчезают . Н а Лен и нградском металлическом заводе и м . XXII съезда К ПСС (ЛМЗ) п роведен ы испыта н и я по заме р у п ул ьсаций давле н и я на ту рб ина х Б ратской ГЭС ( N 230 М В т ; Н 1 00 м; n 1 2 5 об / мин) [40 ] . Заме р ы пульсаций давле н и я п роизводились в от с асыва ющей трубе , спирал ь ной камере, под к р ышкой турбины, к роы е того , заме р ялись пульсация осевой силы и колеба н и я мощ­ но сти . Пу о веденные испыта н и я выявили две зоны повышен н ы х пуль­ с а ци и д ав лен и я при N 80 + 1 60 МВт и з а л и н ие й огран ичен и я 1 1! ощ � ост и п р и N 235+248 МВт . Максимальная вел ичина пуль­ с а ц � и в от са сывающей т рубе и спи ральной камере составл яет 91 1 go от н а п о р а , под к р ышкой турбины - 5 , 5 % . Ч астота пульсаци й в от с а с ыва ющей трубе п р и N 80 + 1 60 МВт состав л яла О 420 , 44 Гц, п ри N = 235 + 248 МВт - равна 1 , 1 - 1 ,4 Гц. Кроме � ого, н а в с е х ре жим ах имел ись частоты, к р атные ч исл у лопастей и чис.1 у лоп а то к направляющего аппа рата . Однако эт и вел ичи н ы ·

=

=

=

=

=

=

=

29

п у л ьса ци й н е з н а ч ител ь н ы и н е п ревышают 1 % Н . Х а р а кте р п ул ь­ с а ц и и осево й с ил ы и к о л е б а н и я мощности анал огичн ы п ул ьсаци я м

д а вле н и й .

Н ужно отл ичать вибрацию агрегата за счет п ульса ци и потока от в ибра ц и и , связанной с элект р ическим, гидравл и ческ и м , меха н иче­ ским небалансом аг регата , а также вибраци и , вызван н ые изломом л и н и и валов аг регата . Эти вибраци и , как п равило, непрер ывно растут с увел ичен ием мощности агрегата и дости гают максимума п р и Nmax · Существуют нескол ько способов борьбы с п ул ьсациями потока . Дл я л и кв идаци и п ул ьсаций давлен и я под рабочим колесом, обра­ зовавши хся за счет централ ьного в и х ревого жгута , основным с ред­ ством явл яется впуск воздуха в зону повышенного раз реже н и я . В п уск воздуха может осуществл яться : 1 ) через конус рабочего колеса , п р и этом мог ут быть испол ьзо­ ваны цент ральное отверстие и боковые отве рст и я в кон усе ; 2) через к рестов и н у и з т р уб, установлен н ую под р абочим ко­ лесом ; 3) через отве рст и я н а стен ке отсасывающей трубы . Проведеиные н а ЛМЗ исследова н и я эффективности перечислен ­ ных способов впуска возду ха показал и , что в п уск воздуха че рез централ ьное отверстие конуса рабочего колеса обеспечивает почти пол ное гашение п ул ьсаци й п р и н а и мен ьшем, чем в д р у г и х в а р иан­ тах, паде н и и к . п. д. В п уск воздуха под рабочее колесо турбин Б р атской ГЭС, осу­ ществле н н ы й через цент рал ьное отверстие кон уса , снизил пул ьса­ ции давле н и й в п роточной части до 1 -3 % Н . Колебан и я мощности п р и в п уске воздуха снимаются пол ностью . В то же в ремя впуск воздуха под р абочее колесо не вли яет н а п ул ьсацию потока , вызванную кавитационными полостями на в ходно й к ромке лопастей . Ч астота п ул ьсации кавитационной ка­ вер н ы н а лопасти существенно выше частоты п ул ьсаци и осевого в и хр я . Ка к будет показано в дал ьнейшем, частота п ул ьсаци и кавитационной полости дости гает в зависимости от скорости потока и р азмеров полости десятков гер ц . Есл и п редположить, что пло­ щадь лопасти , зан имаемая кавер ной , составл яет 20 Х 25 см, а ам­ пл итуда п ул ьсаци и измен яется от полного в акуума до п олови н ы 9 0 м п ул ьси р ующа я наг рузка н а лопасть со­ н а п о р а , то п р и Н став ит п р и мерно 2 , 5 те. Т а ко й вид н а г р узки опасен с точ к и зрен и я усталостной п рочности конструкци и . Не исключены также и резо­ н а нсные явлен и я . Появлен ие п у л ьси р ующе й каве р н ы особенно х а р а ктерно дл я жестколоп астны х , р а диально-осевых и п ропеллер н ы х т у рб и н , есл и о н и р аботают в ши роко!\! диапазоне н апоров и мощностей . П р и этом возможно !lоявление не одной , а нескол ь к и х каве р н на допасти . С изменением ре ж и ма р аботы турбины будут меняться разме р ы и частота п у.'lЬсаци и образовавши хся каве р н , и возможно н а каком-то режиме частота пульсаци и одной из каверн совпадет с собственной =

30

ч а сто то и" ",.0па ст и . Это неи збежно п р и ведет к усилен ию в и б раци й

а и о б р азо ва н и ю тре щи н в лопастя х . a r p 1 . e ес н у ю р аботу" по исследован и ю и уст р а нен и ю ненормал ь_ Р а 1 1 внб ра ц и и , возн и кши х вследствие от рывного течен и я н оа rо ш � 1 х к ро:-.! ка х лопастей радиально-осев ой турбины ( N = � ть' ·н = 1 23 + 1 52 м , n 225 об / м и н) , вып ол н и л Сагава [ 59 ] . 1 в - - п ро uесс е 1 сс 1 едован и я было о п робова н о нескол ько способов ,.. 1 с Ш Y l\IO:\I - впуск воздуха, установка распорок между лобо р ьо ь паст я м и , установка н адеА -А лак н а в ходн ые кромки ло­ а) п астей , заострение кромок .

f[ � ;

� 9�'<�\J.B

=

·

·

·

б мм 20 мм

Рис . 1 . 12 . Модификация входной (а) и выходной (б) кромок лопастей

В п уск воздуха, п роизводим ый в отсасывающую т р убу, в верх ­ нюю п олость уплотнен и й , в сп и ральную каме р у , существе н ного вл и я н и я н а сн ижение шума не оказал . У становка двух распорок н а выходе из лопастно го канала не измен ил а шу ма , распорк а н а в ходе существ ен н о снизила шум, н о посл е трех месяцев эксплуат ации н а распорка х был и обна р ужены т рещи н ы и от рыв распоро к. Заост рение в ходной и выходно й кромок лоnастей не сказалос ь на и нтенсив но сти шума . Н а илу чши й эффект дал а н адел ка н а в ходной к ромке лоnасти (рис . 1 . 1 2 , а) . Это обстоят ел ьство необходимо учитыва ть n р и п роек· т и раван ии турбин ы и стремит ься не допусти ть поя влен и я кавита · ц ион н ых кавер н н а лоnаст я х , необход имо также обеспеч ивать ма кси м альну ю жесткость лопастн ой системы . Прав ильное п р офи л и ров а н ие в ходной кромки лоnаст ей не ТОJi ько сn особствует умен ьшен ию шу ма и в ибраци й аг регата но , т а кж е сп особствует уме н ьше н ию кавита ционно й эроз и и . У стр анен ие п овышенных вибрац ий з а счет измене н и я выходны х к р о ы ок .'lол а стей оп исывае тся в р аботе [ 1 00 ] . Н а гидроэ дект ро­ ст а н ц и и Па рке р (река Кодо р адо) , оборудован н о й р адиа Ji ьно-осе ­ Jз ы :-.ш т у рб и н а ми ( N 30 МВт, Н = 2 4 м , D 1 4 , 27 м) , н абдю­ да .'I ис ь бо.1 ьш ие вибрац и и п р и максимад ь н ы х отк р ыт и я х н а п рав .'l я ­ ю ег о ап па рата . Посде четы рех дет работы н а лопаст ях бьш и 0 н а р у ж ен ы т рещи н ы . Т рещи н ы бьш и зава рен ы , н о через год =

=

tf

31

они Поя вились снова . Попытки устранен и я в и б рации за сЧет наг. нетан и я воздуха в область рабочего колеса , заострения входн ы х к ромок, установки распорок между лопастями оказались неэф. фективными . Проведеи ными испыта н и я м и было установлено , что н а выход­ н ы х к р омках лопастей и меются значительные колеб а н и я давлени я , которые и являются источн и ком вибраци й . Ко.'Iеба н и я давлен и й объясн яются с рывом в и х рей н а выходны х к ромка х , и меющи х тол ­ щин у 25-40 мм. Выполненное уменьшение толщин ы в ыходны х к ромок (рис. 1 . 1 2 , 6) п ривело к сн ижению вибраций (в 4 р аза) и исчезновен и ю т рещи н . Следует отметить, что ш у м , воз н и кающий п р и р аботе гидроту р­ бины, складывается и з механ ических шумов , связ а н н ы х с в раще­ нием ротора а грегата , а также шумов , соп ровождающи х кавита­ ционные п роцессы . Спектр механического шума лежит в области низких частот, кавитационн ые шумы и меют ультразвуковой спектр частот . Кавитационные шумы используются многим и исследовате­ лями дл я фиксации кавитационных п роцессов , п роисходящи х в турбине .

Г ЛА В А

11

О С О Б ЕННО СТИ КАВИТА ЦИИ ГИДР О Т У Р Б ИН

8. О Б ЩИ Е ПОЛ О Ж Е Н И Я

Осно юtЫI\Ш в р едными следствиями кавитации в г идротурбинах яв л яются ухудшение энергети ческ и х п а раметров и кавитационн а я эр ози я . Б ол ь шое з н ачение и меют та кже вибрации и ш у м , воз н и · кающи е п р и кавитаци и . Пр и достаточной степен и р азвития кавитаци я н астол ько н а р у· шает нор мальное течен и е потока , . что резко воз растают потер и энерг и и , снижаются к . п . д . и мощност ь . Таким образом, уже п р и выборе основн ы х п а раметров гидроту рбины необходимо учитывать воз можность п роявле н и я кавитаци и . Поэтому в п роцессе развит и я гидрату р бострое н и я многие годы основное внимание специалистов сосредоточивалось в первую очередь на влия н и и кавитации на энергетические показател и . Разработан ы и непрерывно совер шенствуются методи ка и исnы· тател ьвое оборудов а н ие дл я кавитацион н ы х исследова н и й моделей гидротурби н . При испыта н и я х о п редел яются г р а н и цы доп устимых режимов работы турбины, обеспечивающих отсутствие вл и я н и я кавитации н а энергетические п а рамет р ы . В с в я з и с эти м иссле­ дуются воп росы подоби я , масштабного эффект а , п равомер ность использо в ания результатов модельных испытан и й в н атурных услови я х , п ределы доп устимости такого использов а н и я . В последние 1 5-20 лет в с е большее з н ачен ие в гидротурбо· строен и и п р иобретают исследова н и я эрозионных следстви й кави­ та ци и . В н ачале исследова н и я ограничивались сбором и система­ тиза цией данных по кавитационной эроз и и действующи х турбин , а так же раз работкой и испытан и я м и кавитационностой ких кон ­ стр у кц ионн ых мате р и алов и покрытий . В н астоящее в ремя такие ис следо ва н и я доnол н яются изучением эрозионной способности ка· вит а ции n р и разных ее формах и разл ичных степен я х развити я , р а з раб отко й гидроди намических средств снижен и я эр озионной с nособ ност и кавитации . Исс ледован и я п роводятся не только в лаборато р н ы х , н о и в н а­ т у рн ы х услови я х , п р и эксплуатации турби н . В данном случа е в о п р осы модел и рова н и я оказываются еще более сложными . Н ачата 3 Н . И. П ы л а ев 33

разра б отка расчетного метода п рогноз и рования кавитационн о й эроз и и гидроту рбин н а стадии п роекти рован и я . П р и любых формах кавитации гене р и р у ются высокочастотн ы е , звуковые и ультразвуковые колеба н и я . Это в нешнее п роявлен и е кавитации , легко регист р и руемое аппаратурой, н аходящейся вне потока рабочей жидкост и , уже много лет п ытаютс я использова ть для исследова н и я п роцесса кавитации в действующи х турбинах , дл я диагностики степени развития кавитации , опасности кавита­ ционной эроз и и . Некоторые успехи в этом нап равлении достиг­ н уты . П р и некоторых формах кавитации , особенно в радиально-осе ­ вых турбинах, в п роточной части воз н икают н и з кочастотные пуль ­ сации давле н и я с большой амплитудой , п р и водящие к опасным вибрациям всего агрегата и зда н и я ГЭС. Исследова н и я м условий воз н икновени я низкочастотных пульсаций и методам п р едотв раще­ н и я вибраций агрегата посвящено з н ачительное число экспер имен­ тальных и теоретических р абот. 7. КАВИТАЦИ О Н Н Ы А К О ЭФФИ ЦИ Е Н Т И В Ы С О ТА О ТСАСЫВ А Н И Я

Кав итационные качества гидротурбины п р ин ято оценивать ка· витационным коэффициентом. В ы п и шем у равнени я Б е р н ул л и для нескольких характерных точек п роточного тракта гидротурбин ного блока (рис. I I . l ) , пола­ гая и х р асположенными на одно й л и н и и тока :

2

2

cl '

•

Pt Со + Н Ро + + - + Hs + h1 + Aho-t , -2g 2g 'V 'V _

2

�

2

+ � - � + Hs + hl 2g У 2g + Н5 + hк + Aht-к

=

2

•

=

�

2

2

� � У + 2g - 2 g +

u2

2 Р + w2 i2 g - 2g + Hs - h2 + Aht -2 ;

2 2 з + Llл Р2 • + с2' + Н Рз с h2-3 · s - h 2 - у + 2g 2g -:у _

(1 1 . 1 )

(1 1 .2) (1 1 . 3)

Точ к и О и 3 - соответственно н а верхнем и н ижнем бьефах; точк и 1 и 2 - н а в ходной и в ыходной кромках лопасти бесконечно бл и з к и к точкам 1' и 2' вне рабочего колеса . Точка к, на п рофиле в ыб и рается там, где и меет место минимальное давление . Давления н а вер хнем р 0 и н и жнем р 3 бьефах равны атмосферн ым барометрическим дав.'lени я м . Можно считать, что о н и п рактическ и

одинаковы и 1!!._ _&_ В . Точки О и 3 вер хнего и н ижнего бье'V 'V фов выбираются там, где фиксируются отметки б ьефов . В эти х местах абсолютные скорости с 0 и с3 движе н и я потоков оче н ь малы и члена м и c�j2g и ф2g можно п ренебречь ввиду малости . =

34

=

выходе и з р абочего и и Т а к ка к точ к и 1 и 1' н а входе 2 2' н а с ч итать, что р 1 • другу, можно к друг изки л б конечно к ол е с а бе с 2 и . = С С2' С! t ' ,, ' С! Р2 ' ' - P рК � к б ыло п р и нят о , Рк = Pm1n · В уравнени я х (1 1 . 2) w и и ; д hi -i - потер и напора н а ре нос п а я скорости . от но с ите ль н а я и пе от точки t до точк и J. . с кладывая уравнен и я · ча стке .тнш и и т о ка и п равую части до полнительное сла . 2 ) и (1 1 3 ) , вв одя в. левую и деля обе части н а напор Н , получаем г а е !\ lое нd - ..!!! у ! =

=

���

.

Pd

Pm l n - У = B - Hs - Hd hк у -ин н ( ш� _ и� ) - (w� - и§) + с� llhк . з

.

+

2gH

Н

(II .4) •

Перв ый член п равой части уравне­ н и я наз ывается кавитационным ко­ э ффицие нтом установки <1уст =

(I I .5)

B - Hs - Hd Н

и сумма третьего и четвертого чле­ нов - кавитационным коэффициен­ том турбины О"т ур б =

(w� - и�) - ( w� - и�) + с� 2gH (II .б) - �к·З •

Р и с. 1 1. 1 . Схема г идр отурби н ­ но го бл о ка

Если п ренебречь пока обычно малой ве л ичиной l:!.a = Pd и меет место усл овие

Pm1n

уст = О"турб•

О"

=

hк!Н , то п ри

(II . 7)

Пон ятия о кавитационных коэффициентах турбин ы и установки ввел в 1 924 г . Тома [ 1 03 ] . Вели чина Hs характер и зует степень загл убления турбины и назы ваетс я высотой отсасыван и я , которая отсчитывается от гор и ­ зон тал ьной плоскост и , п роходящей через лопасти р абочего колеса и с вя зан ной с тем и л и и ным конструктивным элементом турбины до у ровн я н и жнего бьефа . Дл я ос евы х поворотнолопастных турбин з а плоскость отсчета п р 1�н ято с чи тать плоскость, п роходящую через оси поворота лопа­ сте и рабо чего колеса ( р и с . 1 1 . 2 , а) . Дл я диагональных п оворотно­ л опа стн ых ту рби н [25 ] - через точки пересече н и я осей поворота п асте й рабо чего колеса с пове р хностью каме р ы рабочего колеса s t ил и че рез верхнюю поверхность н и жнего кольца нап равляю­ щего ап па рата Н5 (рис. 1 1 . 2 , б) . Дл я радиаль но-осевых турбин 2

�

3*

35

с.> а>

а)

Do

о)

�

г)

�

::::<:;:.

Рис.

I I .2 .

::::

::х::

Схема расположения плоскостей отсчета высоты отсасыван и я дл я разных турбин : а - поворотнолоп аст­ ной ; б- диагонал ьно й ; в - р адиал ьно-осево й ; г- гор изонтал ьной

_ чер е з верх нюю повер хнос ть нижнего кол ьца на­ ( р и с . 1 1 2 в) п п а р ата Н 5 1 и л и и ногда через середи н у в ысоты лоп а­ ��его а а в л я п ав л яющего а п п а р ата Н 5 2 • Дл я горизонтал ьны х турбин р л к то колеса . . ' с ) _ чер ез н аивысшую точку лопастей рабочего ( с , я и ол б б заглу тем л я ется отсасыван ьше а ысот . р и Ч е :-.I 111 еньш е в . б и н а , те м в б о лее бл агоп р и ятных услов и я х в кавитационном т у рб и н а , н о и тем бол ьше капитальные за ­ 0 ош ен и и р а бот ает во ГЭС. В бол ьшинстве случаев реал ьные вы­ ьст ел н а стр оит от сас ы ва н и я и м еют отр и цательные ве � и ч и н ы . Вел ичину, рав н у ю а бсо лют ному значению отр и цательнон высоты отсасыва­ н и я , и ногда наз ыв ают � аглублением. В ыбор р ацио н ал ьнон высоты отсасыва н и я является одним из йш и х воп ро сов , воз н икающи х при п р оекти ровани и гидро­ жне ва тур би н ы и гидр ост анции в целом . Ч то б ы п о л ностью исключить кавитацию н а лопастя х р абочего ко леса , не о б х одимо , чтобы давление в любой точке лопасти было бол ь ш е давл ения насыще н ны х па ров , т. е .

нlal �

т т��а ты сgты

Pmtn

> Pd ·

( 1 1 .8)

В соотв етстви и с зависи мостями (II .4) , (I I . б) и (I I . б) условие (I I .8) равносильно у слов и ю ( 1 1 .9)

Из (I I . б) след у ет, что

Н5 = В - Hd - Gуст Н .

(1 1 . 1 0)

Чем больше п р и н ята вел ичина кавитационного коэффициента f1ус т • тем получаются меньшая величина высоты отсасыва н и я Н 5 или бол ьшее заглубление . В ыбор вел ичины f1уст зависит по услови ю (I I .9) о т величины Gту рб · Следовательно, задача заключается в том, чтобы кавитационный коэффициент турбины Gтурб дл я п роект и р уе­ мы х машин был как можно меньше . Кавита ционный коэффициент турбины в п р инциле может быть определен по формуле (I I . б) . В случае осевой турбины, если доп у­ стить , что л и н и я тока расположена н а цил индрической повер х ности ик = U 2 = и, и, п ренебрегая потерями, формул у (I I . б) мож но упр остить (l l . l l )

та к ка к в эти х услови я х w к Wmax · С другой сто р о н ы , ход иог о т ре уголь ника скоростей следует, что =

и з ВЫ·

(1 1 . 1 2) Есл и на вы ходе из рабочего колеса поток мало закручен и ок ру жн ая с оста вляющая б а с олют н ой скорости Cu2 � О , то для

37

оценки кавитационного коэффициента турбины можно восполь з 0• ваться следующим вы ражением : О'т ур б =

2 Wma x

- и2

2gH

( 1 1 . 1 3)

Есл и известно из эксперимента и л и и з теор и и расп ределение давлен и я по лопасти , то в соответстви и с зависимостями ( 1 1 . 4) и (1 1 . 6) можно вести расчет п о следующей формуле: атур б =

В

- P mtn у

- Hs

---;. н;---

( 1 1 . 1 4)

Последней зависимостью обычно пользуются н а п редваритель ­ ных стадия х п роектиров а н и я турбины п р и п рофил и рован и и ло­ пастных систем. Одна ко возможности расчета ограни чены. Точка п рофил я с ми­ н и мальным давлением и величина этого давле н и я обычно неиз­ вест н ы . Кроме того, о н и меняются п р и измене н и и режима работы турб ин ы , а расчет ведется для фикси рованных л и н и й тока или сечен и й . П р а ктически всегда кавитационный коэффициент турбины определ яется экспериментальным п утем . Н а специальных кавита­ ционных стендах испытывается уменьшенн а я модель турбины. После с н ятия обычной энергетической характер ист и к и при заведо­ мом отсутстви и кавитации исследуются те же режимы п р и искус­ ственно поии жеиных давлени я х в стенде . П р и некотором давлени и , соответствующем определенным к ритическим величинам в ысоты отсасыва н и я Н5 к р и л и кавитационного коэффициента установки О'уст . к р • вследствие кавитации п роисходит резкое изменени е энер­ гетических п а раметров . Кавитационный коэффициент турбины а турб п ри н и мается равным полученному к ритическому значению кав итационного коэффициента установки О'т ур б = <1у с т . к р ·

( 1 1 . 1 5)

Такой метод определен и я <1тур б исходит и з п р едположений о том, что, во-первых, резкое изменен ие энергетичес к и х п а ра метров п роисходит в момент н ачал а кавитации и , во-вторых, что кавита­ ция начинается п р и достижени и м и нимального давле н и я P mtn на лопаст и р абочего колеса величины давле н и я п а раобразован и я Pd· Только п р и эти х услови я х кавитационный коэффициент турбины, определенный н а модели , является к р итерием подоби я и остается таким же дл я любой геометрически подобной турб и н ы на соответ­ ств ующи х изогональных режимах ее работы . В действитель ности известно, что резкое изменение энергетическ и х п а раметров п роис­ ходит тогда , к огда кавитация в достаточ ной, иногда зн а ч ител ьной степени разв илась. Поэтом у экспериментальное з н ачение кави ­ тационного коэффи циента турбины отл Jiчается о т р асчетного и 38

явля ется к ритер ием ег о . Э ксп ер име нтал ьное з начение не ков о дл я п одобных турб и н . Однако на п р а ктике на оди е н n " п ренебрега ют , а для б ол ьшеи гарантии о б ет о яте п ьет в ам п ока эт в :-.r оп р еде .J е � и и в ыс оты отсасыван и я по полученны м величинам п р иитац ио н ного коэ ффи циента вводится коэффициент запаса кав �r е .,н0ыбuиея и 0

u

k0

Gу ст > Gт урб

=

1.

( 1 1 . 1 6)

Ч то б ы отл ичи ть кави тационный коэффици ент турбины , полу­ че нны й теор ети чески п о формуле:( I I . 1 4) , от коэффи циента , экспе­ р и м ен таль но по луч енног о . на кавитационн о м стенде, будем первый из них обоз нача ть О"турб · 8. К АВИТА ЦИО Н Н Ы Е ХАРАК ТЕР ИСТИ К И ТУР Б И Н

Каждая вы пускаем ая заводом г идротурбина снабжается энер ­ гетич еской и кавитаци онной хар актеристиками. Х а р а ктер истик и строя тся по р езультатам л абор атор ных испыта н и й геометр ически п одобных м оделей в координатах Q i и n i и н азываются главными универсал ьными характер истиками (р ис. I I . З - I I . 5) . П р иве­ ден ный р асход Q i и п р иведеи ное число оборотов n i являются к р итер иями п одобия и используются в г идротурбостроен и и в ка­ честве удобных параметров для характер истики р ежимов работы сер и и подобных тур б и н . Приведеи ные вел ичины опр еделяютс я по следующим формулам:

Q',

=

( I I . 1 7)

vн

( 1 1 . 1 8)

n' '

Q

Di V н ;

-

nD1

J

где Q - р асход через турбину в м3/с ; n - число оборотов р отора турбины в минуту; D 1 - диаметр р абочего колеса в м . На ун иверс альную характе р истику наносятся л и н и и равных значе н и й к . п. д. '11 и кавитацио нного коэффици ента турбины О"ту рб • п ол у ченны х п р и испыта н и и модели . Кроме того, для удоб­ ств а п ол ь зован и я на универсаль н ую хар актер истику наносятся л и н и и постоя н ных открытий а 0 направляю щего ап п арата , а для поворот нолоп астных турби н - также л и н и и п остоянных углов fP у с т а но в ки лоп астей р абочего колеса. Н а ун иверсальных харак­ тер ист ика х р адиал ьно-осев х тур б и н обычн о н аносят еще л и н и и ы предел ьн ой м о щности и л и л и н и и 5-процентног о з ап аса мощности , определ яе м ы е по изменен ию энер гетических п а раметров п р и от­ с у тств и и в л и я н и я кавит ации . Глав н ы е у н ивер сальные характеристи ки являются основным до к у м е нто м , н а осно ван и и которого п роизводятся выбор всех пар а м етр ов в новь п р оектир уемых турб и н и оцен ка и х энер ге­ т и ч е с к и х и кавита ционны х свойств . 39

п;. об/нин

. � �

180

12а

1--

v / �� {У.(. � v � -� ); У;r::

.---

1 /

/б О

14 0

v А //�

1/

/

V/hV/ �vf ,_/

7 1 // L 1/

б·О.JВ

6 = 0.4

6 ·0.4 5

1/

/i�'l у / //_ "!

7-

1/

-

. 'l':

1

- -

--\

400

Рис.

-

1 1 .3.

-

-т

.,......

/; 1 /

/(

\�

600

�

---

!--""

.......

/

\ \

i

i

1

1\

8 7% ....... .

--- /-- v 800

82 %

� ;?

�

6 =0.5

1000

\

1 1

1

l

86 1 /

v

�f : "'-.,_ ' 1 /� � )
v�

1\\

8J

г--

85 -.... /

� /

К. \

......

\

1 1

1

1

"" \.,�

\

\..-· 1

/

V\ 1 J

1

\

\

6

[/

\

!\ '\ \ х :ll '_l ' / .v 1

1

:

�17

ta

vг

, /е

�[1/ v / �
/ v .,

б ·о.s5

1200

.1

/

"' б · О б

1400

1600

1800

1

1

1

1

-

1

1 1 1

6 · 0. 7

2000

колесом ПЛ20/6 6 1 Гл авная универ сал ьная характер истика турби н ы с р абочим

L

1 1 1

: 1

6�" о· '·

Q;.ntc

п; , оо/нин ШО г--,г--.г-�---.--�--.---,.-,г-�---..-.---�-п---г-,п 150 140

�--+__;;_��r444��q::;tt;r:=F:===�?:-��� ' "r-\1:--\--\--+-fr"-'----"..-'-:-::--1

1� �-+����--+-�--� 120

1

110

1 1 1

100

'

90 ��������--+--�--��

во�!Н���4=:��#�*�

т ��������--�--�г-� 1200 200

1300

1400

1500

1600

1700

1800 ' 1900 Q1 , Л/С

Рис. 1 1 . 4 . Гл авная универсал ьная характер истика турби н ы с р абочим колесом ПЛ60/642 ; а0 ука­ зана в мм для модели fO 460 мм

...,. !>:>

п;,г--т оо/нин

�*

е.

70 % "ё5->

е+

"Ь

12+

80 ��� � ,о 1

1

� 1

so l

1

1

)r l :-=-..j ....,.

.. 1

1

1

1 ' 1

�

m

Рис.

о� о

�L;t .... :;F'( :Y 'f:XJ-== И!: 1\\ 1

60 1

�

<>

I I .5.

1 (

w

1

�

'./ 1

1

r:st= 1

1 �

\ \ t..

·k :::±�� � �

1 �- А

1 -�

1

1 \i / \ 1 1

\.1

�1

1

\\ 1 \ \\ р,\

1

r

1

1

1

l\ 1 �

1

,.. 6'

�

1 '\ m

�

1 1 �

�

1

)

m

m

��� 1 �

�

�

Гл авная унив ерса л ьная характер истика турбины с рабо ч им колесом РО400/683; мо де л и fZJ 800 мм

а0

m

1\\ 1

�

•

IJ; 11/C

указан о в мм для

Н а р ис. 1 1 . 3 - 1 1 . 5 п р едставлены главные универсальные т ер ис ти к и ту рб и н с некотороми р абоч и м и колесам и , вашед­ х а р а к в но �tенкл ат J"РУ ВН -235-6 1 н а крупные вертикал ьные ад и а.1 ь но -ос евы е и п оворотнолопастные тур б ины (29 ) . р н о� tен к.1 а т у р а ох ватывает диапазон напоров от 3 до 500 111 , девятью р абочими колесами поворотно­ ко т а ый по к ры ва е тся и восемью р адиально- осевыми р абочими м) -80 и т (3 а п а т ног о (ЗО-5 00 м) · т и п р абоче го колеса обоз н ачается дв умя б уквам и (ПЛ и ли РО) , за тем у казы ва ю тся макс имальн ыи. напор в метр а х , п р и ко­ торо м 11южн о п р име нять данное р абочее колесо, и, н а конец, его и нвен тар ный номе р . Так, н ап р имер , ПЛ20/66 1 (р ис. I I . 3) озна­ чает: п овор отноло пастное р абочее колесо н а напоры до Н = 20 м, инв ента рный н омер 66 1 . Для н изконапор ных р абочих колес харак т ерны б ольшие значения кавитацион ного коэффициента турб и н ы (до сrтур б � 1 , 30 + 1 , 60) . По мере повышения расчет­ ного н апора з н ачения кавитационного коэффи циента умен ь­ шаются , доходя до О"ту р б � О, 1 + 0 , 6 для р абочего колеса ПЛ60/642 (рис . I I . 4) и до О"ту р б � 0 , 0 1 + 0 , 03 для высоконапорного р � ­ диал ьно -осевого р абочего колеса РО400/683 (р ис . 1 1 . 5) . Из унив ерсальных х а р а ктеристик в идно также, что кавита­ цион ный коэффициент турб и ны , как п равило, возрастает с уве­ л ичен ием п р иведеиного р асхода. Лишь у н изконапорных п ово­ ротнолопастных р абочи х колес величина О"ту р б имеет м и н и мум в зоне, близкой к зоне максимального к . п . д. Влево от этой зоны, при уменьшен и и п р иведе и ного р асхода кавитационный коэффи­ циент тоже р астет. В р езультате теоретических р асчетов и а нализ а большого об ъ ема экспер иментальных данных п ол учены основные г идра­ в лические характер истики н оменклатурны х р абочи х колес в за­ вис и мости от констр уктивных п а раметров . В табл . I I . 1 п р иведены осн овные данные по п оворотнолопа стным турбинам и в табл . 1 1 . 2по рад иально-осевым [28 ] . В табл ицах дан ы : втулочные отношен и я

Ш!l�lll

.

� ���ecю!ll

dвт =

dвт

Dl '

( I I . l 9)

где dвт - ма ксимальный диаметр втулк и р абочего колеса п ово · р от ноло п аст ной турби ны (рис. 1 1 . 2) ; относительная высота н а­ п р ав л я ющего аппарата -

ь

ь о o- v 1 · -

( I I . 20)

г де Ь о - в ысота н а п р авляющего аппарата (рис . 1 1 . 2) ; средняя по ло па ст и густота р ешеток l/ t и ор иентировочный угол охвата ло п ас ти В в град. В но ме нклату р е даются два з начен и я п р иведеи ного ч исла о бор отов : о пти мальное ni о п т и р асч етное ni р асч · Ра с четный п о

43

Та�ли ца

:t

Осн ов ны е па рам етры поворо тнолопастн ы х рабоч их кол ес - --

Тип

р а б очего к олеса

З он ы н а п ор ов Н m l n - Н max Ч исло лоп а стей ра бочего ко лес а

1

П Л lО

3- 1 0 4

1

ПЛ15

5- 1 5 4

1

П Л 20

1 0-20 4

1

п л зо

1 5-30 5

1

П Л 40

1

П Л 50

6

30-50 7

20-40

1

П ЛбО

40-60 8

1

П Л 70

45-70 8

1

11.1

П Л 80

50-80 8

dвт

0,33

0,35

0,37

0,4 1

0,430,45

0,470,49

0,51 0,54

0,57

0,60

Ьо

0,45

0,45

0,40

0,40

0,375

0,375

0,35

0,35

0,35

0,6 2

0,75

0,87

1 , 10

1 , 30

1 ,50

1 ,75

1 ,75

1 ,75

55-56

67-68

78-79

78-79

78-79

78-79

78-79

78-79

78-79

1 65

1 50

1 38

1 25

1 15

1 08

1 00

1 00

1 00

200

1 80

1 60

1 40

1 30

1 20

1 10

1 10

1 10

2250

2 1 30

2040

1 940

1 880

1810

1 690

1 600

1 520

22501 900 1 ,41 , 1 45

2 1 301 850 1 ,00,84

20401710 0,8320,680

1 9401 430 0,7450,505

1 7001 240

1 400-

0,680,40

0, 5050,325

1 2401 040 0,400,27

1 1 50940 0, 360,23

1 075830 0,3250,205

l -t-

8

(с ред нее)

в г р ад '

опт

ni

'

nl

расч

Q1

max

Q;

max

п о 5 - п р оцентн ому за п асу мощности .

<1турб

п о условиям кав ита ции

max

l l lO

j

ка к пра­ ,ю щн ос т и н а п ор , на иболее е ш н ь ые . 1 1 .1 0 , в , п р и ко н ого ел ь 1П Ж п р одо.1 ь н а и­ И:\Iет то ро ч важ н о еские тич ге нер э .l у чш ие ом у рас­ оэт П 11 . е.1 зат п ока но е ч исло чет н ое п р н веден но быть лж до о боро тов ного . аль им опт ше ь бо.1 ия мак ­ лен еде дл я опр п р и­ ого им уст доп но ь С И:\I ал ведеи н ого рас хода п о ус­ лов н яl\I кав ита ции была зад ан а зав иси мос ть (Н5 f (Н) для всег о диап а­ зона н апор а . В соот ветст­ вии с этой зави симос тью велич и на Н5 с росто м н а ­ пора плавно измен яется от н уля до ми н ус 8 м . По п р иняты м з н ачениям Н5 был и определены доп усти­ мые з н ачен ия кавитацион­ ного коэффициента по фор­ муле 10 - Hs ( 1 1 .2 1 ) kaH

g L�

о D..

с с ..,.

о D..

с

8D..

=

=

где для поворотнолопаст­ ны х турбин коэффицинт з а­ паса ku 1 , 1 , а дл я ра­ диал ьно-осев ых - берется по с п равочни ку [44 ] . =

9. В Ы Б О Р ЗАГЛ У Б Л ЕН И Я

ТУР Б ИН

Назн ач ение допустим ой выс оты отс асы ван ия Нs доп п р и пр ое ктиро ван ии гидро т у р би н може т п роизв одить­ ся по по.r1 уче нной выше фор му.1е ( 1 1 . 1 0) . Есл и п р и­ н я т ь, что н апор В соот ­ ве тств ует бар оl\lе тр ическ о­ lii У дав.1е нию на уровне ы о р я , т о п он ижен ие баро­ м е тр и чес к ого дав лен и я н а

о о 1.1)

1

о

� о о ""'

1

о О> C'l о

С')

1

о C'l C'l

00 о

о

о -

о·

C'l -

о

о 1.1) -

1

00

1.1)

о о C'l о о C'l

1

00

LQ

о ао C'l о ао C'l

1

"'

о

о C'l ""' о C'l

о С') C'l

�

=

� С> 6

�

� :s:

:а

с:>. ...

..,

::;:; "'

� с:

.., :а

= = С> = ...

о

55 "'

о

1

"' С') о

о

1.1) С') о о"

1

C'l ""' о

о о

с;

о

1 � о

о

r:­ '<1' о о·

1 � о

-- ----------о·=

g

о

D..

�

с:>.

i

1

о "'

о С') о

о

D..

R 1 � -

о C'l

о

�

;::::

g о

о

1 2 1 8 1 8 0 <.0

-

о

-- 1 -----;:=0- 1 "' "' "' о с:.

"'

о

D..

1.1) r:-

1

о ""'

1.1) ""'

1

о С')

I R

о м о ""'

С') C'l

о

1

r:C'l

о

45

месте соор ужен Ия ГЭС может бьiть учтено дополн ительным членом v/900 , где v - отметка н ижнего бьефа ГЭС относительно уровн я мор я в м . Кроме того, в формул у вводятся вместо коэффициента О"ус т коэффициент сr турб в соответстви и с условием ( 1 1 . 9) и коэф ­ фициент запаса ka. Формул а п р и н имает следующи й в ид:

Нs доп = В -

96о - Hd - kоО"турбН .

(1 1 .22)

Кавитационный коэффициент турби н ы является фун к цией ре­ жима р аботы и , следовательно, значен ие допустимой высоты от­ сасывания тоже меняется от р ежима к режиму. Так ка к п р и обычных температурах испо.1 ьз уемой в турбине воды (0-20° С) давлен ие н асыщенных п а р ов Hd � 0 , 05 +- 0 , 25 м вод. ст. , а атмо­ сферное давление по метеорологичес ким услови я м может сни­ жаться и ногда н а 0 ,3-0, 4 м вод. ст. п о сравнен ию со средн е й величиной, для оценочных ор иентировочных р асчетов п ользу ются упрощен ным вариантом формулы ( 1 1 . 22) (1 1 . 23)

Д оп устимая высота отсасыван и я Hs дom опр еделенная п о фор ­ муле ( 1 1 . 22) ил и (1 1 . 2 3) , гарантир ует р аботу турбины без сн ижения к . п. д. из-за кавитации , так к ак кавитацион ный коэффициент турбины опр еделяется экспериментально по моменту резкого изменен и я энер гетических п а р аметров . Н еобходимость введе н и я в формул у ( 1 1 . 22) коэффициента запаса ka диктуется следующими соображе н ия м и . 1 . Экспер иментальное определен ие н а модел и к авитацион­ ного коэффициента турбины и меет огр ан иченную степень точ­ ности . Кавитацион ный к оэффициент турбины п р и н имается р ав­ ным тому значен ию ка в итацион ного коэффициента установки ( 1 1 . 24)

п р и котором начинается резкое изменен и е энергетически х п а р а ­ метров т у р б и н ы н а зада н н ом р ежиме е е р аботы. Каждая из вхо­ дящих в формул у ( 1 1 . 24) величин определяется с той и л и иной ошиб кой. Н о н аибольшая погрешность имеет место из-за того, что момент изменения энергетически х п а р аметров опр.едел яется по э кспер иментал ьным г р афи кам , которые часто оказываются недостаточно четкими . 2 . Геометр ичес кое п одобие п р оточной части модели и н атуры, ка к п р а в ило, не удается выдерживать в достаточной степен и ка к из-за специфичес ки х условий экспер имента , так и из-за неизбежных тех н ологичес к и х отклонен и й .

46

В п ро цесс е эк с пл уатаци и после п р оведе н и я восстанов итель­ . ,1011 т ов откл онен ия могут возрасти. Различна также шеро­ н ы х ре. ерх ности модели и н атуры . т . о то с ь п ов х в 3а Н е вы держ ивается динамичес кое п одобие п отоков модел и известно , п р иводит к масштабно му эффекту. " н а ·т ,·· р ьi ч т о ' к ак и н В и Нd может меняться н а О , 4-0 , 5 м елич в ть нос 4 Р аз (атмосфер н ое давление, температур а воды) . й ови усл х � т ы дн о п го '

Н, нr__--,.-----.---т--тг--т--,--,-г--,

10

15

20

25

JO

35

40

45

:ю н. мвт

Рис. I I .6. Эксплуатационная характеристика тур бины т ипа ПЛ66 1 - В Б-930 Днепр одзер ж инско й ГЭС Есть и другие важные обстоятельства , требующие введения коэффициент а запаса . О н екоторых из них будет сказано н иже. П о д анны м главной у н иверсальной характер истик и , для кон­ кр етной турбины строится эксплуатационная характер истика в коор дината х мощность N - напор Н. Н а эксплуатацион н ую хар а ктер исти ку наносятся л и н и и п остоянных значений к . п . д. '1] и доп устимой высоты отсасыван и я Н5 доп · Н а р ис . I I . 6 в качестве п р имера дана эксплуатационная харак­ тер ист ика турбины Днеп р одзерж инской ГЭС. С увел иче н ием мощности турбины кавитационный коэффи­ ц ие нт об ычно растет и допустимая высота отсасыван и я умень­ (нео бходимое заглубление турбины возр астает) . По­ ш а етс я э то м у , ог р ан ичивая мощность п р оектир уемой турбины или п р и­ � И:-.I а я больш ие ее р азмеры п р и той же мощности , можно ) в ел и ч и т ь нs доп •

47

Тех н и ко-экономическое сопоставлен ие в а р иантов , учитываю ­ щее величин у капитал ьных з атр ат и услови я строител ьства , а также условия экспл уата ци и в соответстви и с главной ун ивер­ сальной характер истикой тур б и н ы, позволяет обосновать выбор высоты отсасыва н и я . Н а р ис . 1 1 . 3 п р едставлена главная ун иверсальная характе ­ р истика р абочего колеса ПЛ66 1 . Н а характер истик у н а н есены гор изонтальные л и н и и , охватывающие зоны р ежимов р аботы п р и р асчетных н апорах турб и ны шести р азл ичных ГЭС, обор удован­ ных турбинами с р абоч и м колесом ПЛ66 1 . Огра н ичен ие л и н и й с п р а в а п р едопр еделено п р инятыми доп устимыми з н ачен и я м и B!>I · соты отсасыван и я . Если для Бор исаглебекой (ли н ия д) и Бело­ морской (в) ГЭС Qi m a x � 1 600 л / с , то для Днеп родзержинской (а), В атки некой (г) , Выгостровской (6) , Кременчугской (е) ГЭС Q i m a x � 2000 л/с . П р и составлен и и упомя н утой выше н оменклатуры [32 ] п р ед­ полагалось, что высота отсасыва н и я Н5 < 7 + -8 м не может быть эконом ически оправда н а . Одна ко в отечественной и особенно зар убежной п р а ктике известны сл уча и больших загл ублен и й . В л итер атуре [ 4 4 ] , а также в н оменклатуре [32 ] для пово­ р отнолопастных тур б и н рекомендован коэффициент з а п аса k11 = 1 , 1 . Для р адиал ьно-осевых турбин в соответстви и с гра­ фиком н а р ис . 1 1 . 7 дается поправка Llcr = ( k11 - 1) crm,6 = 0 , 04 + + 0 , 02 + 0 , 0 1 для напоров в п р еделах Н = 30 + 70 + 250 м , что соответствует k11 = 1 , 1 5 + 1 , 20 . Пр и напорах свыше Н = 250 м н омен клатурой регламентировано н е п р и н имать з а п асов п о кави­ тацион н ому коэффициенту, т . е . k11 = 1 и Llcr = О. А н а л из п а р аметров бол ьшого ч исла действующих ГЭС с оте­ чествен н ыми турбинами показывает, что в основном фактически п р и н ятые допустимые высоты отсасыван и я н а п р едел ьных режи­ мах соответств уют п р иведеиным выше р екомендаци я м . Одн ако можно заметить , что в последн ие 1 0- 1 5 лет п р оявляется явная тенденци я к увел ичен ию п р и н имаемых запасов п о высоте отса­ сыван и я , особенно это заметно н а п р имер ах крупных р адиально­ осевых турб и н . Если н а Днепровской ГЭС в 30-х годах з апаса н а макс имал ьной мощности п р а ктически l:! e было (k11 � 1 , 0) , то на Б ратской ГЭС в 50-х годах п р и н ято k11 � 1 , 2 ; н а Асуанекой ГЭС, Бал имела ГЭС k11= 1 ,5; на Ингур и ГЭС k11 = 1 , 65; на Х ра м- 1 1 и Ч и р кейской ГЭС k11 � 1 , 75- 1 ,80, а на Н ур екской ГЭС даже ku � 2 , 05. В ообще в л итер атуре [ 80 ] высказывается мнение о том, что загл убление турбины следует п р и н имать больше, чем это дела­ лось до н астоящего в р емен и , и запас п о заглублен ию должен н аходиться около 1 00 % , т. е . k11 � 2 , 0 . Такая тенденция п р отиворечит рекомендациям н омен клатуры и установ и вшимен взглядам и объясняется стремлен ием кон ­ стр укторов и п р оектир овщиков п р едотв р атить и л и с ущественно уменьшить кав и тационную эрозию. -

48

.,f.

:r

:s:

:::J s: :"

....

дб а 0.6

,1

о Bno

0. 5 0.4 O. J 0.2 0. 1 о

.�

1_

о

naffcкaя

КиеJская

о

о

р 1 1 Камск я 1 попуп ямот чн я а о а Кц еfJ г риз нтапьн я ск а ая о о

,

oCapomofJcкaя

оО рт ча пьск ая о о

о

Оо о

.D �� �

��

20

О

�

о

l.n<6:J

40

�

U

�

50

с)

80

U

,., о

V JV

100

n

120

140

Р и с. 1 1 .7. Зав и с имо ст ь п оправки

Acr

160

О

180

200

О

220

240

0

260

к кав ит а цио нному коэфф ици енту от нап о ра

0 280

� JO(J

о

320 н. м

В номеклатуре [ 32 ] , а также в некоторой тех н ической л ите­ р атуре можно встретить неправ ильное утвержден ие о том , что опр еделенная описанным выше п утем доп устимая высота отса­ сыв а н и я Hs доп гар антир ует «услов и я бескавитационной р аботы» . Опыт эксплуатации г идротурбин уже давно показ ал, что кави­ тация и кавитационная эрозия имеют место даже в том случае, если огр аничения по Hs н е н а р ушаются . Выше уже отмечалось , что кавитационный коэффициент г идротурбин ы ат у р б опр еделяет момент начала вл и я н и я кавитации н а энер гетичес кие п а р а метры турбины, в том числе н а к . п . д. , но это п р оисходит п р и достаточ­ ной степен и р азвцтия кавитаци и . В то же время услови я для воз­ н и кновен и я кавитационной эроз и ц создаются одновременно с воз­ н икновен ием кавитаци и . По-в идимому, для правильного выбора высоты отсасывания и л и доп устимого р ежима р аботы с учетом не только вл и я н и я кавитации на энер гетические качества турбины , но и н а эроз и ю , целесообр азно ввести в п р актику к роме обычного кавитационного коэффициента О' ту р б эрозионный коэффициент турбины О' эр оз · Методика опр еделен и я эрозионного коэффициента турбины, по дан н ым экспер иментов, методом скоростной эроз и и уже отра­ батывается в ЛПИ [8 ] и н а ЛМЗ . Аналогичные р аботы для насосов ,.п р и н есколько своеобразном п одходе п роводятся во В Н ИИгидромаше. Пер вые же опыты показ а л и , что п о крайней мере для высоко­ напорных поворотнолопастных р абоч и х колес ПЛ646 кавита­ ция н а ч и нается п р и кавитационном коэффициенте установ к и О' ус т в 2-3 р аз а большем кавитационного коэффициента турбины О' ту р б • а для р адиально-осевых р абочи х колес РО82 , Р0697 и Р0662п р ибл из ительно в 2 , 0-2, 5 р аза большем [ 8 ] . Одн а ко п р и н имать з начен и я эрозионного коэффициента п р осто соответствующими моменту появлен и я кавитаци и , как п р едлагается в р аботе [8 ] , по-видимому, тоже неп равильно, так как для начала эроз и и не­ обходима достаточная степень и нтенсивности кавитационного воздействи я . Кроме того, э р оз и я может быть н астолько малой , что ею можно п р актически п р енебреч ь . Это зависит н е только от интенсивности кавитационного воздействи я , но и от свойств матер иа ла, подверженного эроз и и , и от абсолютных р азмеров турбины и з начен и й скоростей обтекающего п отока (напоров) . Чем больше кавитационная стойкость м атер иала , чем меньше р азмеры турбины и скорости обтекан и я , тем меньше может быть п р инят эроз ионный коэффициент, тем необходимее бол ьшая сте­ пень р аз в ития кавитации для воз н и кновен и я эроз и и . Бор ьба с эрозией п утем увел ичен и я коэффици ента запаса ka п р едполагает, что между О' тур б и аэр оз имеется функциональная зависимость , но она различна для разных турб и н , матер иалов, п а р аметров и пока неизвестн а . Можно утверждать лишь, что всегда ( 1 1 .25)

50

с и с те мати чески е л або р атор ные экспер иментал ьные исслед(.)• н а в и я эро з ион ной способности кавитаци и п р и р азличных ее фор ­ :-I а Х и стад и я х р азвития в зависимости от р ежима р аботы турбины п озв о .'IЯТ в будущем вып ускать главные у н иверсальные характе­ р н ст и юi с л и н ия ми р авных з н ачен и й не только кавитационн ого, н о и э р оз и онного коэффициентов или даже нескольких эроз ион ­ н ы х коэ ффицие нтов для р аз ных матер иалов и абсолютных раз­ l\Iер ов и з н ачен и й н апоров . Такие характер истики позволят бо­ д ее обо снованно назн ачать высоты отсасыван и я п р и п р оекти­ ро ван и и и выбирать р ежимы р аботы турбины п р и эксплуатаци и . Не ко торы е з а р убежные фирмы, напр имер «Эшер- В исс», «Нейер­ пи к» , уж е сейчас н аносят на ун иверсальные х а р а ктер истики д и н и и пос тоя нных з н ачен и й О'н а бл - кавитационных коэффициен­ то в , соотв етств ующих моменту визуального п р оявлени я кави­ та ции . По-видимому, О'н а б л � О'т у р б • ( 1 1 .26) •

Таким образом, существующая п р актика н аз начени я высот отсасы вания требует совершенствован ия . До н астоящего времен и не учитывалась степе н ь эрозионной опасности кавитации , не п р и н имались во вн имание щелева я кавитация и кавитация пери­ ферийн ой кромки лопасти в поворотнолопастных турбинах, ко­ торые тоже игр ают с уществен н ую роль п р и экспл уатации турбин . Д.л я р азр аботки достаточно совершенной методики выбора высоты отсасыван и я , уч итывающей эти факторы, необходимо п роведе­ н ие широкого комплекса л аборатор ных и н атурных исследова­ н ий, которые в н астоящее в ремя только н ачаты . До завершения намеченного комплекса исследова н и й , основываясь на имеющихся пока огр а н ичен ных данных, можно п р едва р ительно р екомендо­ вать едедующий способ выбора высот отсасыв а н и я . Для полного устр анения кавитационной э р оз и и в современ­ н ы х отечественных р адиально-осевых турбинах (р абочие колеса Р О82 , РО 1 23, РО2 1 1 , РО662 , Р0697) необходимо п р и н имать коэф ­ ф ициент з апаса ka � 2 , 0 + 2, 2 . Для кавитационн остойких метал­ лов коэ ффициент запаса , по-видимому, может быть с нижен в за­ в ис имо сти от р азмеров турбины до ka � 1 , 1 + 2 , 0 . В ысоконапор ­ н ые п оворот н олопастные тур б и н ы , с удя по да н ным исследований р або чего колеса ПЛ646 , тоже требуют коэффициент запаса ka � 2 , 0 + 2 , 5 . Одна ко для р абочего колеса ПЛ642 той же быстро­ х одно ст и , а также для того же р абочего колеса ПЛ646 п р и повы­ ш ен н ы х п р иведеин ых ч ислах оборотов n i � 1 1 5 об/м ин коэф­ фиц иент запаса может быть с н ижен до ka � 1 ,8 + 2 , 0 . Такой же ко э ффициент з апаса можно рекомендовать для р абоч и х колес ПЛ4 9 5 и П Л66 1 . Для н изконапорных поворотнолопастных тур­ б и н , судя п о данным эксплуатации, может п р ин иматься сущест­ ве нн о м ень ши й коэффициент запаса ka � 1 , 1 + 1 , 2 . Об щ ее у вел ичен ие коэффициента запаса п овлечет за собой с у щ ест ве н н ое уве л ичен ие загл ублен ия ста н ций и л и соответствую4*

51

щее увел ичен ие габар итов турби н ы . Поэтому пол н ое устр анен ие кавитацион ной эроз и и в бол ьшинстве сл учаев вряд л и окажется эконом ически целесообразным. Очевидно, п р идется доп ускать тот ил и иной объем кавитационных разр ушен и й , соответствен н о сни­ жая коэффициент запаса . Однако пока н ет данных о том, ка кое сн ижен ие ka доп устимо для того, чтобы объе м кавитационной эроз и и н е п р евыс ил какого-то р азумного, наперед задан ного пре­ дел а . Такие да нные должны быть п ол учены в р езультате спе ­ циал ьных экспер иментальных исследован и й . С другой стороны, р аз р аботка новых , более совершен ных в кавитацион ном отноше­ н и и р абочих колес и др угих элементов п р оточной части, очевидно, позволит в ведалеком будущем с н и з ить упомян утые здесь вел и­ ч и н ы коэффициентов запаса . 1 0. К А В И ТА ЦИ Я В П О В О Р О Т Н О Л ОПАСТН Ы Х ТУР Б И НАХ

В г идротурбинах р азличают следующие основные типы кави­ тации : п р офиль н ую, щелевую и местн ую . Профил ь н а н кавитация воз н икает п р и обтека н и и р ешетки п р офилей з а счет общего пон ижен и н давлен ия на стороне разрежен ия до давлен ия п а р ооб­ р азова н и я . Щелевая кавитация образ уется в з азор а х между вра­ щающимиен и неподвижными деталя м и турбин при с уществова­ н и и определенного перепада да влен ия . Местная кавитация воз­ н икает п р и обтека н и и н еровностей п овер хности за счет местного пон ижен и н давлен и я . Н а поворотнолопастных турби н а х н аблюдаются все тр и типа кавитаци и . В бол ьшей степени для поворотнолопастных турбин х а р а ктер н а щелевая кавитаци я , которая воз н икает в зазор ах между лопастью и камерой р абочего колеса и между лоп астью и втулкой . Под действ ием щелевой кавитаци и р аз р ушаются камер а , пер ифер и й н а я кромка лопасте й , н ижняя п овер х н ость фл анца лопасти и частично втулка р абочего колеса . Н а р ис . I l . 8 показано тип ичное разр ушение пер ифер и й ной кромки лопасти. Разр ушен ие вызвано кавитацион ной кавер ной , обр азовавшейся п р и обтек а н и и вер хней кромки лопасти, и кон ­ цевыми в и х р я м и , образующимиен п р и выходе из щел и . Профил ьнан кавитация вызывает разр ушение тыл ьной стороны лопастей по всей повер х н ости . Основные р аз р ушен и я н аблю­ даются , как п р авило, з а входной кромкой лоп астей . Иногда н аблюдается р а з р ушен ие и н а л ицевой стороне лоп асти, вызван­ ное обычно отступлен и я м и в режимах р аботы от р асчетных . Местн ая кавитация н а поворотнолопастных турбин ах воз ­ н икает з а неровностя м и и уступами в сопр яжен ии п оясов камеры рабочего колеса, з а утопленными или выступ ающими монтажными загл ушками лопастей , а та кже з а отверстиями при выпаде н и и эти х з агл ушек . Рассмотр им к авитацион ные р азр ушен и я р яда поворотноло­ п астных турб и н . В н астоящее время в СССР экспл уатир уются

52

ны с напором 1 0-80 м и диаметрам и п о в о р о тнол опаст ные турби Турбины обор удованы р абоч ими коле­ . м З о и х ко лес до I О, р аб ч а лоп астеи от четырех до восьм и . ислом ч с типов х з �IН а н ы р с . l(ю1 е р ы р абоч и х колес выполнены полусфер ичес к и м и в раз­ турбин ие производилось изготовлен что з в с в я и с те:-.1, к а к иалах я и ч матер и в отл имеются , и ен вре ды l\1 ио пер е ч .1 11 н ы деталей п р оточной части , так и в констр уктивном исполнен и и лопастей и каа) '// //: мер р абоч и х колес . Так, напр имер , ло­ п асти р абочих колес изготовлял ись из нержавеющих сталей 25Х 1 4НЛ, 20Х 1 ЗНЛ, ОХ 1 2НДЛ , углеродистых сталей ЗОЛ , 1 8ДГСЛ , а та кже из угле­ родистой стали ЗОЛ и л и 20ГСЛ с обл и-. цовкой 1 Х 1 8Н9Т . Камеры р абочи х ко­ лес изготовлялись из углеродистых ста­ лей ЗОЛ , МСт . З , б иметаллическимие с нержавеющим слоем О Х 1З, а такж, цел и ком из н ержавеющей стали ОХ 1 З .

Ри с . 1 1 . 8 . Щел евая кавитаци я : а - форм ы кавитаци о нных каверн в щел и ; б- разр у шение то рцовой кромки ло nа с ти Име ются и констр уктивные отличия как лопастей , та к и ка­ мер . На п р имер , есть лопасти с монтажными з а гл ушка ми (пр и подвес ке р абочего колеса в камере) и без загл ушек (с п одве­ ско й р а бочего колеса, соеди ненного с валом, на крышке тур­ бин ы) . К амер ы рабочего колеса изготовлены как с п р оточкой п о в нут­ ре нне l\Iу диаметру, та к и без механ ической обработки , в штампо­ св ар но l\1 испол нен и и . С у ще ственные отл ич и я наблюдаются и в р ежимах экспл уата11.!1 11 т у рб и н . Степен ь кав итационной эроз и и зависит не тол ько от l\ ю щ ност и и н а пор а , но и от величины кавитационного запаса ka

=

аусi/атурб·

53

Основньiе дан ные некоторых поворотнолопастных турбин и режимы их р аботы п р иведены в табл . 1 1 .3. Из п р иведеи ной таб­ л ицы следует, что все турбины р аботают с достаточными з а глуб­ лен и я м и п р и коэффициентах кавитационного запаса в среднем около 1 , 5 . Одн ако н а всех обследованных турбинах имеются знач ительные кав итационные разр ушен и я . Н а ибольшие разру­ шен и я н аблюдаются н а лопастя х и в камерах, изготовлен ных из углеродистой стали . В качестве п р имера п р иведем формул я р кав итацио н ных раз­ р ушен и й турбины N2 7 В олжской ГЭС и м . X X I I съезда КПСС (р ис . 1 1 . 9) . Пер иод эксплуатации этой турбины - 1 3 700 ч , ма­ тер иал камеры р абочего колеса - сталь МСт. З , материал ло­ п асти - сталь 1 8ДГСЛ . Кавитационные разр ушен и я на л опастях обследованных тур­ бин располагаютс я , как п р а в ило, с тыльной стороны з а входной и п ер ифер ийной кромка м и . Пр и р азвитых разр ушен и я х зона эроз и и лопастей, изготовленных из углеродистой стал и , зани­ мает 20-50 % всей тыльной повер хност и . Глубина р аз р ушен и й за 1 8 000-20 000 ч (тр и года эксплуатации) достигает 1 0- 1 5 мм. Особую опасность вызывают разр ушен и я тор цовой кромки лопастей вследствие щелевой кавитации . Раз р ушен ию п одвер ­ гаются н е только углеродистые, н о и нержавеющие лопаст и . Глу­ бина разр ушен ий н а нержавеющих лопастях турбин В олжских ГЭС з а 23 000 ч р аботы достигает 8 мм . Заварка этих мест - весьма тр удоемк и й п роцесс, и ногда требующий демонтажа съемного сегмента . !(роме разр ушен и я тор цовой кромк и , щелева я кавитация вызывает поврежден и я тыльной п овер хности л оп астей вдол ь всей п ер ифер ийной кромк и . Зона максимальной эроз и и р асполагается обычно около оси поворота лоп астей . Напр имер , н а н ержавею­ щих лопастях р абочего колеса турбины Бор исоглебской ГЭС за 21 000 ч р аботы глубина повреЖдений в этой зоне достигла 4-6 мм. Участок эроз и и р асположен н а р асстоян и и 80- 1 00 мм от пери­ фер ийной кромки и имеет в ид вытя н утого эллипса дл и ной 400500 мм и шир иной 1 00- 1 50 мм. Размеры кавитационных повр ежден и й , вызываемых щелевой кав итацией, определяются формой и величиной зазора , образуе­ мого лопастью и камерой . На ЛМЗ величина зазора п р и н имается 0 , 00 1 D 1 • Однако в п роцессе эксплуатации зазоры с ущественно изменя ются и на некоторых турбинах достигают 0 ,002-0, 003D 1 • Н а р яду с разр ушен ием пера н а углеродистых лоп астя х кави­ тационный эроз и и п одвержена также н иж н я я часть фланца . Н а В олжских ГЭС за 1 9 000 ч глубина разр ушени я н а фланце до­ стигает 5 мм . Н а ибольшая и нтенсивность кавитационной эроз и и н а лопастях наблюдается п р и выпаден и и загл ушек монтажных отверстий . Так, напр имер , н а лопасти р абочего колеса турбины Верхне-Св ирекой ГЭС, изготовленной из нержавеющей стали 25Х 1 4Н Л , за год эксплуатации р аз р ушени я за выпавшей заглуш54

.

...... с

с

�

2

з 4 5 6

7 8 9

8:

.

Т

Основные параметры неко т орых поворо т нолоп астн ых тур бин �

. �

� = ?5 �� = си «� :

�О о� Q. �

Е-< .. � f

= <�.>

:t =

В ол жс к а я 1 им . В . И . Ле ­ нина В олжс кая 1 им . X X I I съезда

2

= P. O Q ... � са �са g � а;: = "ОР. � a:s :О:o

1

...

о; \0 о е�� �u = >. = о� �-<>. ::I' P.

с: ;а

;: ::t i; ca �и g. 'g g. <а е::са t:;о t::са

;;. �

о:� 0

с:а.

��

=

са

ПЛ587

9,З

68, 2 1 1 1 5,0 1

ПЛ587

9, З

68, 2 1 1 26,0 1

Рыбинская

К9 1

9,0

62, 5

65, 0

ВерхнеСви рс к ая НижнеСвирс к ая : Ци мля нек ая

К9 1

8,0

68, 2

46,0

К90

7,42

75

27, 5

ПЛ495

6,6

88,З

4 1 ,5

ПЛ495

6,6

88,З

48,0

ПЛ66 1

5,0

1 1 5,4

29,0

1 ПЛ646

4,2

1 87,5

кпсс

Нарвс кая Б орисо гл еб е к ая В ерхне-

Т ул омека я

1

1

58, 7

z o:: :a ::1 :S: <О

- �

"' �� �=

1

1

о,:. =.,

=

'" '" ::! .. .. '

1

1

t;

.. .. о

20,0; ЗО- 1 4

-З,О+ + -8,0

о, зо 1 ,00

1

о, з-о, 9

1

1 , о-2, 2

1 9,0; 27- 1 4

-7,0 + + - 1 ,0

0,900,44

1

0, 6-О,З

1

2 ,0- 1 , 2

1 З, 2; 20- 1 0, 4 1 4,0; 1 7- 1 0, 6 1 1 ,0; 1 2, 5-8 1 7,5; 24,517,5

�0, 7

�0,85

+0,5+ + 1 ,5 + З, О + + -О,З 1 , 5-З,7

0,6- 1 ,0

О,З- 1 ,0 -2,7+ + -З, 1

О,З60,44 0,640, 70

0, 20О,З4 0, 4-0,6

,

-4, 1 + + -5,2

0, 240,27

0, 1 З0, 2З

1

22,6; 25-20,6 1 9,0; 20, 1 1 6, 8 55, 0; 62-52

� � :t:

л и 1� n

0,6- 1 , 0 О,ЗО0,40

"' �

ь ...

t>'"'

1

1 1 .3

.

J

:.: =

б

- - -- ..- -

3 :а = :а и ..

Р. =

n

�0,6 0, 550,70 0, 6-0,8

,

�111 �ca �o �cu �

�

§t; 'gР. а:О:

� 1 ,4

20Х 1 ЗНЛ ; 20ГСЛ+ + 1 Х 1 8Н9Т ; 1 8ДГСЛ 20Х 1 ЗНЛ; 20ГСЛ+ + 1 Х 1 8Н9Т; 1 8ДГСЛ 1Х1З

1 , 0- 1 , 5

20Х 1 ЗНЛ

1 ,0- 1 , 6

t;

о

са :а � � P.. a. :r

u CU Q) o cu � а;: �-о ca :а «< t':I Р. O :О:

� :.:

МСт.З

МСт.З

зол зол

2Х 1 З

зол зол

1 , 2- 1 , 6

25Х 1 4НЛ; зол+ + 1 Х 1 8Н9Т; зол 20Х 1 ЗНЛ ; 1 8ДГСЛ 20Х 1 ЗНЛ

1 , 2-2,0

20Х 1 ЗНЛ

0, 2-О, З 1 1 , 1 -2, 2

1 ,2- 1 ,8

зол ОХ 1 З ОХ 1 З

· ::л С>

6)

Р ис .

I I .9.

IHf�;j

Верх

лопасти

Низ попасти

800

Кавитационные р азруше н ия камеры рабочего коле с а (а) и ло п асти (б) п о в оро ша ло п а ст но й т урбин ы В олжс кой ГЭС : -

к а в итационные разруше н и я гл у б и н о й до 2

мм;

-

- до 3

мм;

�

- до 5

мм;

l:3

- до 8

мм

ко й дости гл и гл убин ы 40 мм. Большие разр ушен и я з а выпадающи ­ м и з а гл уш ками наблюдаются н а лопастя х турбин Рыбинской ГЭС . 3 а ра звитием эроз и и в п р оцессе экспл уатаци и можно просле­ д и ть по формул ярам обследован и я лопастей рабочего колеса тур­ б и н ы Цимл я нско й ГЭС, где осмотры был и п роведены после 13 000 ч р аботы (рис. 1 1 . 1 0) . Как следует из п р иведеиных фор ­ и м у л я ров, за этот пер и од воз р осл а как глубина, так и пл ощадь эроз и и , появи­ л ис ь н овые зоны, располо­ жен ные вдоль всей пер и ­ фер ийной кром к и . В дал ь­ не й шем п л ощадь эроз и и ст абили з ировал ась . Этот п р им ер св идетельствует о том , что и нтенсивность эро­ з и и н а повер хности лопа­ сти н еодин а кова . Н а л о­ пасти существ уют зоны с о) интенсив­ макс имальной ностью, где эроз и я п рояв­ ляется в первую очередь, и зоны с м и н имальной и н ­ тенсивностью, для п р о­ явлен ия эроз и и н а кото­ рых требуется длительное время . Особо следует остано­ виться н а соотноше н и я х кавитационной стой кости ло пастей из у г лерадиетой Рис. 1 1 . 10. Кавитацион н а эр з ия ло п астей и нержавеющей сталей . (стал ь ЗОЛ) п о сле 1 3 000я (а) ои 30 000 ч (б) Е сл и на Цимля нской ГЭС экс п луатации ; h - максимал ьная глубина эр о зии под действием п рофильной кав ита ции после 30 000 ч эксплу атаци и лопасти из углеродистой стали р аз р ушилис ь на глу б и н у до 35 мм, то н а лопастях из нержавеющей стали р азр у шен и я полностью отсутствовал и . Н а лопастях , обл и­ цова н ных сталью 1 Х 1 8Н9Т , кавитационная эроз и я также отсут­ ств ова л а , но ваблюдались отрыв обл ицовки и р а з р ушен ие основ­ но го матер иал а . Н ер жавеющие л опасти н е подвержены профильной и щелевой к ав ита ци и и на др угих н изконапорных турб и н а х - Н ижне-Свир­ ск ой , Ве р х н е-Св ирской , Рыбинской . Лопасти н а этих г идроэлект­ роста н ция х разр ушаются тол ько за отверстиями п р и выпаден и и м о нта жных загл ушек . В т о ж е время н а высоконапорной турбине Вер х не-Туломекой ГЭС за счет профил ьной кавитации входных к ромок лопастей

30 000

57

gg

�

�

-��,��'i�

- -� <:3

(в зонах, аналогичных турбине Цим­ л я нской ГЭС) глубина разр ушений н а нержавеющей стали за 7 1 00 ч достигла 5 мм. П р и этом р ежимы р аботы турбины не выходили за до­ п устимые п р еделы эксплуатационной характер истик и . Н апор за этот пе­ р иод эксплуатации изменялся от 6 1 ,8 до 62, 5 м , а Н5 изменил ась от -4 , 1 до - 5 , 2 м , п р и этом N 3560 МВт. Анализ кавитационных разр уше­ н и й камер р абочих колес показы­ вает, что основная зона поврежде­ н и й р асполагается н иже оси пово­ рота лопастей (рис. 1 1 . 1 1 ) . Н аблю­ даемые на некоторых турбинах зоны кавитационной эроз и и выше оси по­ ворота лопастей связаны, очевидно, с 'неровностям и вер х н и х поясов ка­ мер ы . Х а р актерно, что такие р аз ­ р ушен и я имеются только на штампо­ сварных констр укциях камеры. Н а некоторых камер ах (Цимлян­ ска я , Нарвская ГЭС) р аз р ушен и я р асполагаются п ятнами в соответст­ в и и с ч ислом н а п равляющих ло­ паток. Многие камеры р абочих колес н а В олжских ГЭС, н а Цимля нской , Н а р вской , Бор исоглебской г идро­ электростанциях начинают р аз р у­ шаться с места стыкового соедине­ н и я фланцев среднего и н ижнего п оясов камеры . Это говорит о с уще­ ствовании уступ а в месте стыка . Ши­ р ина полосы разрушен и я камер об­ следованных турбин колеблется от 300 мм н а Верхне-Сви рекой ГЭС до 3000 мм н а Волжских ГЭС, что со­ ставляет по отношен и ю к диаметр у р абочего колеса 0 , 04-0, 3D 1 • Д л я количественной хар актер и­ сти к и разр ушен ий углеродистых ка­ мер п р иведем разультаты обследо­ в а н и я нескольких агрегатов Волж­ с кой ГЭС и м . X X I I съезда КПСС (табл . 1 1 .4) . =

() -: о :.: <1)

1< = t:r' о \0

"'

Cl.o

Cl.o <1) ::s

"' :.:

= =

"'

""

о Cl.o ti (!) 10

·= о :х: :х: о = ::f

.. "'

:oi

u

00

1 "' ...

1-= =

"' :.:

:а

:х: о (\')

....: .... .... .; = Q.

59

Агрегаты работали п р и ср еднем напоре · 20-22 м и средней высоте отсасыва н и я от - 2 , 5 до - З,О м . Интенсивность эроз и и камер р абоч их колес , котор ую л учше характер изовать глубиной кав итацион ных разр ушен ий за опре­ делен ный пер иод экспл уатаци и , с ущественно зависит от напора. 1 1 м) Так, нап р имер , на турбине Н ижне-Свирской ГЭС (Н первые разр ушен ия на н ижнем поясе камеры , изготовленном из стали ЗОЛ , появились после ...... 50 000 ч экспл уатаци и . Глубин а пов р ежден ий - до 5 мм . 1 4 м) кавитацион­ Н а турбинах Верхне-Св ирекой ГЭС (Н ная эроз и я глубиной до б мм воз н икла на камере р абочего колеса (матер иал-сталь ЗОЛ) по­ т а 6 л и ц а l l .4 сле З5 000 ч эксплуатаци и . Объе м разру ше н ий кам ер рабочих кол ес Н а камер ах р абочих котурбин Волжско й ГЭ С им . X X I I с ъез да К П СС лес В олжской ГЭС имен и В . И. Лен ина (Н = 1 9 м) , О б ъе м Н ом е р В ре м я р аз ру изготовленных из л истово­ Nc� шен и й агрег ат а р а б о ты в ч в м т го п роката МСт. З , разру­ в кг шен и я глубиной З-5 мм после 1З 000 ч появляются 1 50 6 833 82, 5 4 эксплуатаци и . 450 9 200 1 06, 0 19 Н а Волжской ГЭС им. 1 3 658 600 7 87,0 X X I I съезда КПСС (Н = 22 м) камера рабочего ко­ 650 1 7 000 77,0 8 р аз р уш илась на г лу­ леса 1 8 370 800 93,8 11 б и н у 5 мм за 7000 ч . 22 686 800 90 12 между Соотношения кавитационной стойкостью нержавеющей и углероди­ стой сталей в услов и я х экспл уата ци и камер р абоч и х колес можно в идеть н а п р имере турбины N!! 1 9 В олжской ГЭС имени В . И. Л ен и н а . За 20 000 ч р аботы средн и й пояс камеры , изготов­ ленный из биметалла МСт . З + ОХ 1 З , не имел следов эроз и и , в т о время к а к следующий за н и м пояс из стали МСт . З разр ушился н а глуб и н у 1 0 мм. Камера рабочего колеса турбины Б откинекой ГЭС (N 9,З м) , изготовленная из биметалла 1 07 МВт; Н = 1 7, 5 м ; D 1 МСт . З + О Х 1 З , за 1 7 000 ч эксплуатаци и не имела р аз р ушени й , а следующее за н е й фундаментное кольцо из стали МСт . З р аз р у ­ ш илось н а глуб и н у д о 5 м м . Одн ако на некоторых ГЭС кавитационные р аз р ушен и я имеются и на камер ах из нержавеющей стал и . Так, напр имер , на турби­ нах Бор исаглебекой ГЭС (Н = 19 м) камер а р абочего колеса из стал и О Х 1З за 2 1 000 ч р а з р уш илась н а глуб и н у 0 , 5-0,8 мм . Н а п оворотнD.1юп астных турбинах н аблюдаются также не­ з начительные кавитационные разрушен ия н а кор п усе рабочего колеса, изготовляемом из углеродистой стал и . Зоны эроз и и р ас­ п олагаются между окнами-н иже ос и поворота лопасте й . За =

=

=

=

60

25 О ОО- 3 0 000 ч экспл уатации разр ушен ия н а корп усе р абочего

к олеса турбин В олжских ГЭС достигают площади 500 с 1\tаксимальной глубиной 3-5 мм . 1 1 . К А В И ТА ЦИ Я В РАДИАЛ Ь Н О-ОСЕВ Ы Х

Х

300 мм

ТУР Б И Н АХ

Д л я р адиально-осевых г идротурби н , так же как и дл я пово­ ог. астны х , х а р а ктер н ы тр и типа кавитаци и - п р офил ьн а я , отнол р щ елева я и местная . Одн ако основные разр уше н и я вызываются пр офил ьной кавитацией . Щелевая и местна я кавитаци и имеют в тор о степенное значение. Под действием п р офильной кавитаци и в основном разр ушается тыль н а я сторона лоп астей. В зависимости от типа р абочего ко­ леса и режима р аботы турбины зона эроз и и занимает те и л и и ные уч а стки лоп асти . В бол ьшинстве случаев зона эроз и и р асполо­ жена вбл изи н ижнего обода р абочего колеса . Иногда эроз и и под­ верж ена внутрен н я я п овер хность н ижнего обода . На некоторых турбин ах кавитацион ной эроз и и п одвержен участок отсасываю­ щей трубы, р асположен ный сразу за ободом . Щелева я кавитация н а р адиально-осевых гидротурбин а х воз­ никает в зазоре, обр аз уемом н ижним ободом р абочего колеса и ни жн и м кольцом н а п р авляющего а п п а р ата . Разр ушен ию под­ вержены вер х н и й торец н ижнего обода и обращен ная к нему пл о скость н ижнего кол ьца н а п р авляющего а п п а р ата . Воз н и кновен ие щелевой кав итации связано с износом лаби­ ринтных _ уплотнен и й , имеющим место в турб и н а х , р аботающих на воде с большим содержан ием п есчаных частиц. Турбины, ра­ бо тающие н а ч истой воде, как п р авило, з а счет щелевой кавита­ ции не разр ушаются . Местная кав итаци я радиал ьно-осевых турбин встречается за разгрузочными отверст и я м и в вер хнем ободе р абочего колеса . О бычно и нтенси в н а я кавитация воз н икает в эти х зон а х л и шь п р и больших напор а х . В н астоящее в ремя н а отечественных г идроэлектростан ци я х на иболее распространены т р и т и п а рабоч и х колес РО 1 23 , РО2 1 1 , РО82 . Эти колеса и меют бл изкую форму лопаст и , от.т шчающуюся в ос новном л и шь высотой . На турбин а х , и зготовленных в послед­ ни е годы , п р и менены новые п рофи л и РО662 , РО697, РО728 . Р ассмотр и м кавитационную э роз ию турбин , обор удованных раб о ч и м и колесами перечисленных типов . Дл я а н ализа эрозион­ н ых п роцессов был выб р а н начальный период эксплуатаци и тур­ б ин , когда р абочие колеса еще н е подвергались ремонтным р а ­ бота м . Режимы эксплуатаци и - N, Н , Hs - н а большинстве г ид роэл ектростанци й фикси равались ежедневн о . Кавитационный коэффициент установки дл я радиально-осе­ вых т урбин подсчитывался по следующей формуле :

О'уст =

1 0,0 - Hs -

Н

V

Ьо

900 + Т

( 1 1 . 27) 61

а> t-.:1

.:, "'

ou � (!) :>i "= ., "' :r: = o:

t:

t:

.._

;.1;

о ... "' "" о "' " "'" "" t:= о<; Е-< :<: <1>

ca cU

о=

'g "':>i

5,45

8З,З 75; �54

:s: g ('Cj 1::(10 " ...

�

��� "'" о'" '"'

::r o. >о o:

Д не п р овска я

Р0 1 2З

2

Княжег убская

Р02 1 1

4, 1 0

1 00

з

Комсомолье ка я 1

РО 1 2З

З,О

1 50

4

Нива- 1 1

РО 1 2З

2,5

1 87 , 5

5

Уст ь- Ка меногор ская М ин ге ч а у р екая Б у хтар мин екая

Р0 1 2З

5,45

РО2 1 1

4, 1

1 25

Р02 1 1

4, 1

1 25

РО82

2,95

1 87,5

РО82; РО662; РО697 РО662

1 ,2 5,5

7 8

H ивa- I I I

9

Бакс ане к а я 2

10

Б р атс кая 1

2

. . ... ., ;;fco

о. а == � �= <11 0 ::;; ., Q .,

1

6

О сн ов ные параметры турбин

�" 3:.: � �"' о::С ::r" IX :S: ;;f " "' ... . •

о �= � � ,3 �

CJ

· ;,. � � o;: ::S � ::t:"'"

� "' " "' 0. <1) 0. \0 ::r о Q) о (.) t:: t:; t: о С1З ...

('Cj со;:;

р., =

:.:

=

6 1 ,5; �45 77; 20-72

Зб,З; 26,7З9,4 З4; ЗО-З7 З5, 5; З5, З4 1 ,0 Зб; З5-З7 40; �З8,9 52; �5 8, 5 61; 60-64

З8,5; 22-З8

74 ; 72-7 5

500

8,8; З-9

90; 90-9 1

1 25

2ЗО

96; 1 06-92

ЗЗ; 20-З5 21 15,З

8З,З 8 5 ; �56

Т аб

'" " "' s ::r:: "' " "' о... "

и

ц

а 1 1.5

�� :: ., "'" "' ""о ... \О " " � "'"

., ::;; � � со " "'

.}

4, 2- 1 , 0

0, 24

0,20

1 ,0 1 - 1 , 6

Сталь 25

0,5+ - 1

0, 1 20, 1 5 0, 20

2,0-З,О

зол

-0, 2 + -0,6

0, 27О, З5 0,26

1 , ЗО

зол

1 ,0-0, 2

0, 28

0,20

1 ,4

25Л

1 ,5

0 , 2З

0,20

1 , 15

25Л

2,0-0,5

0, 1 6

0, 1 4

1 , 15

зол

1 , 2-О, З

0, 1 4 0, 20

0, 1 20, 1 4

1 , 2З

0,5+ -0,2

0, 1 4

0,09

1 , 55

ЗОЛ ; ЗОЛ + + 1 Х 1 8 Н9Т 25Л

0, 1 0

0,09

1,1

0, 1 1 0, 1 З

0,08 0,09

...

0, 7-0 0+ -1

В ода , п роходя щая ч ерез тур б и н ы , содержит вз вешен ные ч астицы. В ода , п роходящая че рез турби н ы , содержит большое кол ичество песч а н ы х ч астиц.

- ---

"'

л

о. >-

о'"'

..,

1:;)

1 , 2- 1 , 6

зол 20ГСЛ+ + 1 X I 8H9T; ОХ 1 2НДЛ

.

в ы сота отсасыва н и я Н5 отсчитьtвалась от середины н a n pati• ю л я щего аппа рата . Осн овные дан н ые рассматр иваемых турбин и режимы работы п р ив еде ны в табл . 1 1 . 5 . Н а всех обследова н н ы х турбинах кавитационной эроз и и под в ер г л ись тыльные стороны лопастей . Можно в ыдел ить т р и основных участка раз рушени й : за входной кромкой лопасти у н и жнего обода ; н а вертикальном участке лопасти, непосредственно з а вход­ ной к ромко й ; н а участке, образуемом выходной к ромкой и н ижним ободом . Соотноше н и я в степе н и эроз и и каждого участка определяются ти пом рабочего колеса и условиями эксплуатации . На одни х ГЭС основные разрушени я н аблюдаются около выходной к ромки лопастей (Нива-1 1 1 , Б а ксан) , н а других - з а в ходной кромкой ( Б ратская) . Существенно меняется и и нтенсивность эроз и и . Рассмотрим более подробно эрозию турбин н а отдельных ГЭС. Н а Д н е п р о в с к о й Г Э С первый осмотр турбин был п роизведен через 4000 ч эксплуатации . Турбина работал а с Нс р 35 , 5 м п р и Н5 е р 2 , 3 м . Зона кавитацион н ы х разрушени й р асполагалась с тыльной стороны лопастей в районе выходных кромок и н ижнего обода . Площадь разрушени й н а каждой ло­ пасти 0 , 1 3-0, 25 м 2 , глубин а - от следов до 5 мм. Заварка кавитационных разрушени й в первый период экс­ плуатаци и п роизводил ась углеродистыми электродами один раз в год. Рассмотрим состо я н и е рабочего колеса после 50 000 ч с н а ­ чала эксплуатации . Со в реме н и п редыдущего р емонта турбина проработала 7675 ч. Режимы работы агрегата Н 34 + 38 м , Hs - 1 ,0 + 4 М. Примерно 45 % в реме н и а грегат эксплуатировался с п редель· ными мощностями � 70 МВ т, с н а грузками до 50 М Вт, всего 4 , 5 % . :Коэффициент ka изменялся в п редела х 1 , 1- 1 , 6 . :Кавитационные разрушени я лопастей показаны н а р и с . 1 1 . 12. Пл ощадь эроз и и каждой лопасти возросла до 0 , 4- 1 м2 • Глубина э рози и - до 1 0- 1 5 мм. В дальнейшем п лощадь эроз и и п ра кти­ ческ и не измен ялась , п р и этом размеры зоны эроз и и составляли п о выходной кромке 1 1 00 мм, по н ижнему ободу - 700 мм. Ин­ тер есно отметить, что обл и цовка полосами и з стал и 1 Х 1 8Н9Т, у ст ановленная н а одно й и з лопастей, вообще не п одвергалась раз р ушению (лопасть 1) . В н астоящее в ремя п р и зава р ке кавитационных разрушений не ржа веющими электродами межремонтный период составл яет 4-5 лет . Н а :К н я ж е г у б с к о й Г Э С в первые годы эксплуа­ та ци и кав итационная эроз и я вообще отсутствовала. В то же в ремя дет ал и п роточной части турбины, в том ч исле и рабочее колесо, бы л и изготов.1ены из обычной углеродистой стали без какой=

=

=

=

=

63

л и бо за щиты от эроз и и . Небол ьшие участки кавитационной сыпи разме ром 1 00 х 200 мм и глубиной до 2 мм был и впе рвые обнару ­ жен ы через семь лет экспл уатации (35 000 ч) . Зона эрози и распо­ ложен а за в ходной к ромкой около н и жнего обода . Н а К о м с о м о л ь с к о й Г Э С кавитацион ные разруше н и я з а н имают участок лопасти в районе вы ходной к ромки и н и жнего обода . Гл убина эроз и и достигает 7 мм за 1 1 000 ч эксплуатаци и . Р а з ме р ы зоны эроз и и 500 х 700 м м .

Р и с . 1 1 . 1 2 . Кавитационная эрозия р абочего колеса р адиал ьно­ осевой турбины Днепровской ГЭС. В ид снизу

Н а Г Э С Н и в а - 11 разрушения расположены в у глу, образуемом выходной к ромкой и н ижним ободом. И нтенсивность эроз и и невел ика - за 10 000 ч р аботы глубин а поврежден и й 1 мм. Максимал ьная площадь эрозии н а лопасти 300 х 200 мм. Н а У с т ь - К а м е н о г о р с к о й Г Э С в отл ичие от Днеп ровской ГЭС, имеющей такие же турби н ы, зона максималь­ ной кавитационной эроз и и расположена на вертикальном участке входн ы х кромок лопастей . Это объясн яетс я , очевидно, нескол ько большим напором на Усть- Каменогорской ГЭС. Глуб и на эроз и и за 1 2 000 ч экспл у атаци и 1 2 м м . Площадь эроз и и н а в ходной к ромке лопасти 1 000 х 200 мм, около н и жнего обода - 400 х 300 м м .

64

Н а М и н г е ч а у р с к о й Г Э С Первый осмотр турбин ы б ыл п р оизведен через 7000 ч . Глубина кавитационной эроз и и н а ло п а стя х достигал а 8 мм. Следующий осмотр б ы л п роизведен чер ез 22 300 ч . Кавитацион н ые разрушен и я к этому в ремен и до · ст и г д и з начител ьной вел и ч и н ы . Наибольшие поврежде н и я раз · :м ер а м 600 Х 500 мм и глубиной до 30 мм расположен ы вбл изи в ы х од ной к ромки и н ижнего обода . Вторая зона nоврежде н и й н а х од ится за в ходной кромкой также около н ижнего обода . Р а змер ы зоны 500 Х 300 мм, глубина - до 30 м м . Т ретья зона ­ н а вер тикальном участке в ходной кромки лопаст и . Размеры пов ре жде н и й 500 Х 1 50 мм, глубина - до 20 мм. Н а Б у х т а р м и н с к о й Г Э С кавитационные раз р у­ шен и я лопастей р абочего колеса расположе н ы около н ижнего обода , за в ходной кромкой , размером 400 х 500 мм и у в ыходной к ро мки размером 900 х 400 м м . Глубина раз р ушен и й з а 12 000 ч 9 мм . Н а ГЭС Н ива-I П основная зона эроз и и р асnоложена н а выход­ ной кромке лопасти вбл и з и н и жнего обода . Размеры зоны эроз и и 3 0 0 Х 250 мм. Гл убина пов режден и й за 1 О 000 ч - 5 мм. Кроме осн овной зоны существу.ют разрушени я и на в ходной кромке, но с и нтенсивностью значительно меньшей . Б а к с а н с к а я Г Э С характеризуется значительным со­ держанием nесчаных частиц в воде, п роходящей через турбины . В свя з и с эти м п роточная часть турбины подвержена и нтенсив­ ному абразивному износ у . Однако под действием nесчан ы х ча­ стиц изнашивается напорная сторона лопастей , тыльная сторона подвергается в основном кавитационному разрушению. Зоны кавитационной эроз и и н а рабочем колесе РО82 расnо­ ложены, как и н а ГЭС Н ива-П I , на выходной кромке лопастей , вбл изи н ижнего обода . Глубина эроз и и н а рабочем колесе из стали ЗОЛ - 6 мм за 5000 ч эксплуатации . Площадь зоны эроз и и одной лопасти до 200 х 1 40 м м . Разрушение лопастей р абочего колеса РО662 п роисходит пол осой вдоль всего н ижнего обода . Максимальные разрушени я п од в ыходной к ромкой соседней лопасти и н а самой выходной к ромке . Глубин а разру шени й такая же, как и на колесе РО82 . П р и наплавке зон эроз и и нержавеющим и х ромоникелевыми электродам и или при изготовлени и рабоч и х колес из нержавею· щей стал и эроз и я почти полностью исчезает . Н а Б р а т с к о й Г Э С п ус к п е р в ы х турбин п роизводился п р и н апоре, равном 50 % Нр асч · Однако к концу монтажа напор дост и г расчетного з начен и я . Дл я анализа кавитационной э рози и рассмот р и м оnыт эксплуа­ та ци и последнего по монтажу агрегата (станционн ы й N!! 8) . Осо­ бен н остью этого агрегата является то, что лоnасти рабочего ко­ •l еса изготовJiены из нержавеющей стали ОХ 1 2НДЛ . Остал ьные р а боч ие колеса н а Б ратской ГЭС изготовлены из стал и 20 ГСЛ с обл и цовкой 1 Х 1 8Н9Т. 5

Н . И . Пыл ае в

65

Проточная часть турбины .N2 8 осмат р ивалась дважды , послё 63 1 8 и после 20 426 ч экспл уатаци и . За в ремя экспл уатаци и напо р и в ысота отсасыван и я мен ялись незначител ьно: Н 1 00 + 1 05 м ; Н5 -0 , 6 + - 1 , 2 м . Турбина работала в широком диапазон е н а г рузок с п реоблада н ием во вто ром периоде п редел ьных мощ­ н осте й . За все в ремя эксплуатаци и коэффициент ka измен ялся в п ределах 1 , 2- 1 , 6, т . е . режимы работы турби н ы на ходились на достаточном удален и и от кавитационного срыва . З а в ремя первого осмотра было установлено следующее . Основная зона кавитационных разруше н и й р асположена за вход­ ной к ромкой лопасти . Максимал ьная площадь эроз и и 500 х 270 мм , глуб и н а разрушени й н а отдельных лопаст я х колеблется от 0 , 5 до 5 мм. Кроме этого участка н а шести из 1 4 лопастей раз р у шен и я появил ись в районе выходной кромки и н ижнего обода . Площадь эроз и и в этой зоне дости гает на отдельных лопастя х размеров 200 Х 1 70 мм, а глуб и н а - 2 мм. Второй осмот р , п роведен н ы й после 20 426 ч , выявил значи­ тельное воз растан ие как глуб и н ы , так и площади кавитацион­ ной эроз и и . Зона эроз и и за в ходной кромкой воз росла до 500 х х 500 мм п р и глубине н а бол ьшинстве лопастей до 1 0 мм, а на трех лопаст я х - до 28-40 мм. Эроз и я вбл изи в ыходных кромок появилась п очти на всех лопастя х . Максималь н а я площадь эро­ з и и 500 Х 500 мм п р и глубине до 5 мм. При анал изе кавитационной эроз и и рабочего колеса турбины Б ратской ГЭС можно заметить существенное отл ичие как пло­ щадей, так и глуб и н ы эроз и и отдельных лопастей . Н а п риме р , гл убина эроз и и за в ходной к ромкой мен я ется от 4 д о 4 0 мм, т . е . в 1 0 раз . Такое различие в и нтенсивност и эроз и и лопастей может быть объяснено отклонен и ями в геомет р и и лопастной системы. Однако контрольные заме р ы в ходных к ромок, рассто я н и й в свету между лопастям и , шага лопастей не выявили каких-л ибо суще­ ствен н ы х отклонени й - размер ы рабочего колеса н а ходил ись в п ределах доп усков . Это говорит о том , что существующие ме­ тоды контроля формы рабоч и х колес радиально-осевых турбин не обеспечивают надежной П роверки лопастных каналов . П р иведеиные п римеры кавитационной эр ози и характеризуют п рофильную кавитацию. Щелевая и местная кавитации на радиально-осевых турбинах встречаются л ишь н а отдельных гидроэлектростан ци я х . Так, на· п р и ме р , н а турбине Комсомольской ГЭС за счет щелевой казиtа· ции плоскость н ижнего кольца н а п равл яющего аппа рата , обра­ щен н а я к н ижнему ободу р абочего колеса , разрушиJiась на гл у­ б и н у до 25 м м . Н а Гюмушской ГЭС ( рабочее колесо РО246; N = 55,2 МВт; Н = 285 м ; 11. 375 об/мин) кавитационные разруше н и я за раз· грузочными отверстия м и в верхнем ободе рабочего колеса , изго­ товленного из нержавеющей стал и 20Х 1 3НЛ, достигл и глубин ы 1 0 мм. Период эксш1 уатаци и - п ри мерно 20 000 ч . В то же в ремя =

=

=

66

р а з р уш ен и я _ под действ ием п рофил ьной кавитаци и на б.? льшин ­ ст ве ло пастеи отсутствуют и л и ш ь на некото р ы х , на самои выход­ н о й кр омке, наблюдается сыпь гл убиной до 0 , 5 мм, п лощадью ,...., 1 0 см 2 • 12. К А В И ТА ЦИ Я В К О В Ш О В Ы Х ТУР Б И Н АХ

Оп ыт экспл уатации ковшовых турбин показывает, что н а не ­ кото р ы х ГЭС имеются и нтенсивные разрушен и я игл и насадков н а п ра вляющи х аппа ратов вследствие кавитационной эроз и и . Дан ­ н ые по кавитационной эроз и и и гл и насадков п р иводил ись в ра­ бот е [ 78 ] по турбинам Гизел ьдон ГЭС до и х реконструкции в 1 9 55 г . , а также довольно часто публ и куются в з а рубежной литер ату ре. В то же в ремя известны г идростан ци и , оборудован­ н ые ковшовыми турбин ам и , н а которых иглы и н асадки годам и р аботают без видимых разру шени й , п р ичем наличием и л и отсут­ ствием наносов в испол ьзуемой воде не удается объяс н ить р аз ­ н ую и нтенсивность изнашивани я . Н а некоторы х гидростанци ях обн а р уживаются небольшие зоны р азрушен и й внутренней поверхности лопастей . Н а турбинах Шаор и ГЭС (N = 10 МВт, Н = 478 м) и меют место кавитацион ­ ные разрушен и я боковы х поверхностей лопастей в зоне выход­ ной к ромк и . Г. Я масак и [88 ] обращает вн имание на разрушен и я тыл ьных поверхностей лопастей . Кавитационная эроз и я наносит ущерб эксплуатаци и н е тол ько из-за необходимости ремантов и п ростоев агрегата , н о и из-за существенного сн ижен и я энергетических качеств . По данным ЛМЗ , у величение шероховатости иглы до 1 мм при диаметре сопла dт 40 м м и напоре Н 40 м п р иводит к сни ­ жен и ю к . п . д. турбины п р и мерно на 1 ,О % . Р ассмотрим услови я воз н и кновен и я кавитации в ковшовых тур бинах аналогично тому , как это было сделано выше в отно­ ше н и и реактивных турбин . Составим у равнени я Бернул л и дл я некоторой точк и к н а по­ вер хности и гл ы и точки 1 в стр уе н а достаточном рассто я н и и от сопла =

=

Рк + ск 2g 'У 2

=

В*

"h cl +2g + L1 к - 1 · 2

( 1 1 . 28)

Дл я п ростоты рассмот р и м гор изонтальное сопло, дл я кото­ р ого раз н и ца в высотных отметках п ра ктически отсутствует . В * - напор , соответствующий давлен и ю в кожухе турб и н ы . Давл е н ие в кожухе может отличаться о т атмосферного за счет э жек ции струй . Кроме того , в п оследнее в ремя появляются ков­ ш ов ые турбины с регул и р уемым давлен ием в кожухе . Такие тур­ би н ы и меют определен н ые п реимущества перед обычными турби­ н а ми с открытым кожухом . Во-первых, о н и п озвол яют утил и ­ з и р ов ать и нтервал колебан и я н ижнего бьефа , который у обычных �

�

к о в шо в ы х т у р б и н по л ностью тер я етс я , во-вторых, создан ием ва к уу м а в к ож у хе м ожно уменьшить вентиляционные п отер и , со к р а т ить пенао б р а з о в а н ие под рабоч и м колесом и улучшить кач ест в о н апо р но й стр у и . Однако одновременно ужесточаются кав ит а ц и он ные услови я работы турбины. С корость после выхода стр у и из сопла в точке 1 с1 = <р

V2gH = V2gH чc = V2gH ( 1 - �о- 1 ) ·

Точка О - на в ходе в турбин у . Потер и напора на участке о т точки дhк - 1

Отсюда � у

2 с

+2gк = В* + Н ( 1

Если в точке давление, то _!!}5_ у

н

.!!!L у

в*

к

-

к

= �к -1Н.

д о точк и 1

- �О- 1) + Н�к - 1 = В * + Н ( 1 - �0- к) .

(1 1 . 2 9 )

( 1 1 . 30)

(11 .3 1)

поверхности и гл ы и меет место м и н и мальное

( 2:� - 1

.!!!L

= --:-:--у'н

)

+ �О- к = Оуст - От урб ·

( 1 1 . 3 2)

По обще п р и н ятым п редставлени я м , как уже отмечалось, ка­ в итация начнется в том случае, если ( 1 1 .33) и л и , что то же самое, п р и

Оуст =

В*

_ .f!L Н

у

�

2

ск

Отурб = 2gH

-

1

+ �0 - к ·

( 1 1 . 34)

В дан ном случае кавитационный коэффициент От у р б отно­ с ится к соплу, а потому удобнее его обозн а ч ить 2 с

Ос = 2g� - 1 + �0-к .

(1 1 . 35)

Аналогично найдем выражение дл я кавитационного коэффи­ циента р абочего колеса . Пусть в точке к н а пове р хности лопасти н а выходной и меет место м и нимальное давление, точка 2 к ромке лопаст и . Уравнение Бернул л и в относительном движе н и и р

w2к

и2к

р

21 w2

2 u2

-

-f + 2g - 2g = -t + 2g - 2g + �к -2Н . На выходе

с

рабочего колеса а ктивной турбины давление Р2

68

( 1 1 . 36)

= у В* .

(I I . 37)

с ле довател ьно , � - _ЕЕ_ у

н

у

-

В"

-

_ЕЕ_

Н

У

- ( - - иК у 2

2 W2

WK

<Jp .

= <1 ст

2

2 gH

к·

2

+ U.2

_

�к - 2

)

-

_

( I I . 38)

К ави тационный коэффициент рабочего колеса <Jp . к

=

w

�

- w

�

- и

2 gH

�+ �

- � к-2

и

( 1 1 . 39)

Кавит ация в сопле будет отсутствовать, есл и давление в кожухе (I I . 40 Кавитация на лопастях рабочего колеса будет отсутствовать п р и у слов и и Р2 =

уВ ' > уНар . к + Pd ·

(I I .4 1 )

Кавитационные коэффициенты сопла ас и рабочего колеса а р . к с точностью до разности коэффициентов соп ротивлени я � п р и изогональных режимах одинаковы для всей сер и и подобных турбин . Выше (п . 7) было показано, что кавитационный коэффициент реактивной турбины (I I . 6)

<1ту р б =

'

2 2 wк - иl

+

2

2

с2 - и к

2 gH

+

2

и2

- �К -3·

Формулы (I I . 39) и (1 1 _ 6) отл ичаются тем, что в первой из н и х отсутствуют скорость сходящего с рабочего колеса потока с 2 и потери энергии за рабочим колесом, так как в активных турби­ на х давление на выходе с рабочего колеса п ра ктически не зави­ си т от эти х величин . В ы р ажение дл я кавитационного коэффициента установки с ре­ активной ту рбиной ( I I . 5) 8 - -P _d

Hs

у .;-;--<1ус т = ---Н _ _

сов падает с левой частью формулы (I I . 34) п р и Hs = О и В * = В. Т аким образом, дл я характеристи к и кавитационных качеств ков шовой турбины, так же как и реактивной , необходимо знать ее кав итационный коэффициент. Только для ковшовой турбины С .'l еду ет знать н е один , а два коэффициента - сопла и рабочего кол еса , 69

Е сл и и з вестно из экс пе р и мента и л и теоретически расп реде­ ление да вл ения по сопл у ил и лопасти, то расчет можно вести по следу ющей фо р �:�1 уле, аналогичной формуле (1 1 . 1 4)

ат у р б =

В* - А

у -� н7-'-

( I I . 4 2)

Н а р и с . 1 1 . 1 3 п редставлена характер на я эпюра расп ределени я давле н и я по и гле сопла ков шовой турбины, полученная экспер и ментальным путем [ 82 ] . Уже много р, кгсjсм 2 лет п р а ктикуется замер расп ределе­ 1 f,B н и я давления п о игле и н асадка п р и f,б _\ разл ичных открыти я х н а п р авляю­ 1 1 щего аппарата . Известны также тео· 1, /f I J--н ретические методы определен и я рас­ 1 f, 2 п ределен и я давлен и я п утем построе­ 11 � ) н и я потенциального потока . На ЛМЗ , 1'""1 н а п р и ме р , п роведена бол ьшая сер и я р асчетов расп ределен и я скоростей и f--- 2 О, б давлений по поверхности п р оточной Про�иль иглы части сопел различной конфигурации O,lf 1/{, 1 1 11f!1 �".,.'111, с испол ьзован ием ЭВМ. Все эти ма­ 0, 2 тер иалы позвол я ют определ ить м и н и ­ А1�/' Pd о мальное давление Р к и по формуле L и глы ( 1 1 . 42) подсчитать кавитационный Рис. 11 . 1 3. Эпюры р аспределе­ коэффициент сопл а ас . С ростом на­ н ия давлен ия по игле ковшовой пора Н давление Рк будет уменьшать­ турбин ы : ся (если а с > О) и п р и некотором 1 - исход н а я ; 2 - п р и повы ш е н -

l

ном н а поре

Н >-

В * - _!!!!.._ у

�

( I I .43)

дости гнет вел ичины да вле н и Я па раобразован и я Pd · Н а р и с . 1 1 . 1 3 штр и ховой л и н ией по казана эпюра давлени я п р и недоп устимо бол ьшом напоре. Следовательно, для бескави­ тационной работы сопла турбина должна эксплуатироваться п р и напо р а х Н<

В * - _!!!!.._ ас

у

( I I .44)

П р и исследован и я х (экспериментал ьных и л и расчетных) рас­ п ределен и я давлен и я по и гле не всегда обна руживаются зоны с пои и жеи ным давлением (РкiУ < В * ) [47 ] . Иногда это может быть следствием недостаточно тщател ьных исследован и й . Полоса н и з кого д авле н и я обычно невел и ка и и меет место лишь п р и не­ бол ьш и х отк р ыти я х . Одна ко во зможно и пол ное отсутствие зоны 70

н о н и ж е иного давле н и я , есл и удается так сп рофили ровать сопло, чт о п р и всех его открыт и я х вдол ь поверхностей и глы и н асадка ве зде имеет место конфузорное течен и е . Тогда от входа в сопло до в ы х ода давление мо н отонно падает от максимального до дав ­ ле н и я в кожухе . Возможно л и получить такое сопло-пока неи зв естно . Т ребуется п р оведение специал ьных исследований . Одн а ко очевидно, что путем рационального п рофи л и рован и я 1\ЮЖН О улучшить кавитацио н н ые качества сопла и добиваться воз м ожности бескавитацион ной работы турбин ы п р и бол ьши х н ап ора х . П р и обтекан и и лопасти ковшовой турбины тоже нет п р и н ц и ­ n иал ьной неизбежности существов а н и я зон с пои ижеиными дав ­ ле н и я ми , в отл ичие от реактивных турби н , где такие зоны даже no расчетному расп ределен и ю давле н и я всегда п р исутствуют . В идеальном случае n р и обте ка н и и лопасти ковшовой турби н ы вдоль любой л и н и и тока н а поверхности давл е н ие сначала н а р а ­ ст ает от давлени я в кожухе до максимального (диффузор ное тече н ие) и затем nадает до давлен и я в кожухе (конфузорное те­ че н ие) . Однако п ра ктически п р и движе н и и лопасти по дуге актив ­ но сти , т . е . в период е е взаимодействи я с напорной струей, н а ­ правление обтекающего потока неп рерывно мен я ется и за счет взаимного вл и я н и я разных струек возможно появление зон с по­ н ижен ным давлением в районе· в ход ной и в ыходной к ромок и ост­ рия н ожа , где у рове н ь давлени я в идеальном случае мало отл и ­ чается от давлен и я в кожухе . Теоретически определ ить зоны nои и жеиных давле н и й н а лопаст я х с помощью известной мето­ ди ки [88 ] невозможно, так как эта методи ка исходит из доnуще­ н и я об отсутстви и вл и я н и я соседн и х струек друг н а друга . Экспе­ рименталь н ые исследова н и я обте кан и я неподвижной лопасти в этом отноше н и и и тоже не могут nомочь . Еди нствен н ы й п уть заме р расп ределен и я давлен и й н а лопасти вращающегося рабо­ чего колеса , n ричем обязател ьно в большом числе точек безынер­ цио н н ыми датчи ками с малой базой (градиент давлен и я и к р ивизна л опаст и очень вел ики) . Это задача техн ически оче н ь сложная и пока далека от раз решен и я . Таким образом, определить кавитационный коэффициент ра­ б очего колеса а р . к в н астоящее в ремя не п редставляется возмож­ н ы м . Остается лишь статист ическая обработка эксплуатацион ­ н ых дан н ы х по кавитационным раз руше н и я м лопасте й . Пока так и х дан н ы х мал о . В н ачале н астоящего параграфа отмечались факты кавита ­ ц ио н н ой эрози и боковой и тыльной поверхностей лопастей ков­ шо вых турбин . Сходящий поток не обтекает, а л и шь касается б оковы х поверхностей . Но этот п оток сильно аэри рован и п ред­ р асп оложен к кав итаци и . П р и каса н и и боковы х пове р хн остей об щий у ровен ь давлен и я равен давлен и ю в кожухе , но за счет эжек ции и недостаточной ч истоты обработки могут создаваться М ест н ые зоны понижен иого давлен и я . Аналогичные явлен и я 71

и м е т ь м е сто п р и к а с а н и и мu г у т " ц и я тыл ьнои и н о ст и . К а в т а ет и ч е с к и х ше н и е э н е р г к а ч е ств а

напорной струи тыльной повер х поверхности и как следствие - ухудкачеств могут быть уменьше н ы повышением обработк и и п р и менением специального п рофиля . 13. ВЛ И Я Н И Е УСЛ О В И Й Э К С ПЛ УАТА ЦИИ

Н А И Н ТЕ Н С И В Н О СТЬ КАВИТАЦИ О Н Н О Й Э Р О З И И

Под и нтенсивностью кавитационной эрозии следует понимать скорость п роцесса разрушен и я мате риала или потер и веса , точ­ нее - объема детал и в един и цу в ремен и . Существуют различ ­ л и ч н ые способы измерени я потер ь объема . Наиболее п р остым и в то же в ремя н аиболее точным является весовой способ , когда объем определяется по потер я м веса . При весовом способе взве­ шивание детал и или образца п роизводится до и после испыта н и й .

Р и с . 1 1 . 1 4. Последовательность кавитационного р азрушения по· верх иости детал и : 1 -4

- зо н ы эрозии 1

Этот способ, ши роко п р и меняемый в лаборатор н ы х ус л овия х , веп р игоден для действующи х ГЭС. О п оте р я х объема детал и н ату р ной турбины можно судить п о расходу электродов п р и восстанов ител ьных работа х . Одн а ко п роведе и н ые н аблюде н и я показывают, что расход электродов т р удно контроли руется , степень отходов п р и п роизводстве р абот у каждого сварщика разл и ч н а , точность восстановлени я перво­ начальной пове р хности недостаточн а . Перечислен н ые факторы п р иводят к ошибке в измерен и я х в два-т р и раза . Н аиболее п риемлемым способом оп ределени я объемных по­ терь детали в эксплуатационных услов и я х явл яется метод непо· ередетвен ного замера глуб и н ы и площади разрушен и я . Этот спо­ соб н е требует сложных и нструментов и зависит тол ько от добро­ совестности исполн ител я . Имеющиеся сведе н и я о развити и кавитационных разруше­ н и й турби н показывают, что с течен ием в реме н и глубина эрозии неп рерывно возрастает, а увел ичение площади эроз и и постепенно з амедл яется . Последовател ьность этапов разруше н и я поверх­ ности схеl\l атично п редстав.'lена н а р и с . 1 1 . 1 4 . Ст абил изация площади эроз и и объясняется постоянством ме ­ ста воз н и кновен и я и сжатия кавитационных каве р н п р и опреде· 72

л е н но м режиме обтека н и я . Здесь следует и меть в в иду, что такой n р о цесс развити я эрози и имеет место п р и услов и и , есл и разру­ !ilе н и я относ ител ьно неве.'l и к и и не влияют н а характер обтекан и я . Н а р ис . II . 1 4 1\южно в идет ь , что и нтенс ивность эроз и и в бол ь­ !ilе Й степен и характе р нзуется глубиной разрушен и я за един и цу в р е мен и . Следует отметить, что глубина разрушен и я , определ яю ­ mа я п р оч ностные хар акте р истики дета л и, показ ател ьна также с то чки з рен и я необходимости п роизвести ремонт . В связи с эти м глу б и н а разрушен ий з а определенный период эксплуатации была в ыбр ан а основным к р итерием оценк и и нтенсивности кавитацион ­ н ой эрози и в услов и я х действующих ГЭС. П р и а н ал изе вл и я н и я услови й эксплуатации н а и нтенсивность к ав итационной эроз и и был и рассмотрены следующие факто р ы : а) дл ительность эксплуатации ; б ) заглубление турбины ; в) раз­ меры и мощность агрегата ; г) действующий напор . Н ужно отметить большие трудности п р и п p o �BI!Ji и подоб­ ного а нализа, так как действи е пе речисленны х фhz\юров п роис­ ходит оновременно - мен я ются мощность агрепrга , на,.n о р и в ысота отсасыван и я . В связи с эти м п р и анал изе J3 M .tЦIIИ Я ка­ кого-л ибо фа ктора п р и ходилось выби рать такой Ш'J!:JЦФJV эксплу ­ атации , когда остальные услови я работы существенно не мен ял ись. Влия н ие дл ител ьност и эксплуатации н а эроз и ю . Знание з аконо­ мер ностей развития кавитационной эроз и и во в реме н и необхо­ димо дл я п равил ьного п рогноз и рова н и я глуб и н ы и объема раз­ рушен и й . Объем раз р ушен и й определ яет сроки капитал ьных ремонтов, в ремя п ростоя а грегата в ремонте, т р удозатраты , по­ требное кол ичество электродов и т . д. Отсюда понятн о , н асколько важно дл я эксплуатацион ного и ремонтного персонала ГЭС зна­ ние характера развити я эроз и и в п роцессе эксп.т1у атации . Однако в опубл и кован ной л итерату ре отсутствуют сведе н и я о развитии эрози и г идроту рби н , и меются л и ш ь отдельные да н н ые по эроз и и гребных ви нтов [ 1 6 ] . П р и анал изе развития кавитационной эроз и и в г идротурби ­ на х был и рассмотрены р адиально-осевые и пово ротнолопастные т урби н ы . Детали п роточной ч асти рассматриваемых гидроту р ­ бин были и зготовлены из углеродистой и и з нержавеющей сталей . - Н аблюдение з а развитием эроз и и осуществлялось в начальный п е р иод эксплуатации , сразу же после п уска ту рбин ы . В этот пер иод п роточн а я часть турбин ы еще не ремонти ровалась, и ма­ те риал деталей соответствовал тех ническим услов и я м . Перио­ ди чность п роведе н и я п ромежуточных осмотров состо я н и я турбин ы составл яла 3000-7000 ч эксплуатации . Глуб и н а раз р у ше н и й бр ал ась максимальная . Дл я радиально-осево й ту рбины глубин а э ро з и и hшах подсчитывалась как средн я я п о всем лопастям h max 1 + h max 2 + h + h max т ( I I . 45) • max е р т _

где и ндексы 1 1 2 , .

.

.

·

, т -

·

·

номе р а лопастей р абочего колеса .

73

Резул ьтаты выполненного обследова н и я п ри веден ы н а рис. 1 1 . 1 5 . Из р исунка следует, что и нтенсивность э роз и и , характер и­ зуемая глубиной разрушен и я за определен ный период эксплуа­ таци и , с увел ичением дл ител ьности экспл уатаци и возрастает. Есл и построить эти зависимости в лога рифмических координ атах , то можно обна ружить, что глубина эроз и и воз растает по закону степенной функции ( 1 1 .46) где а - коэффициент п ропорциональности, характеризующий и н­ тенсивность эроз и и ; Т - в ремя эксплуатации . lь, мм

JO

20

10 8

6 "

2

9

о

Рис.

I I . I5.

5

10

15

20

тыс. ч

25

З ависимость глубины кавитационной эрозии от продолжител ьности эксплуатаци и :

1 - .попасть р а бочего ко.песа турби н ы Ми н гечаурской ГЭС (ста.пь З О Л ) ; 2 - .попасть р абочего ко.песа турби н ы Днепров ск о й ГЭС (ста.п ь 2 5 ); 3 - .попасть р абочего ко.песа турб и н ы Волжско й ГЭС имени В . И. Лен и н а (ста.пь 2 0 ГСЛ ) ; 4 - к а мер а р а бочего ко.песа турби н ы Волжской ГЭС и мен и В. И. Лен и н а (ста.пь МСт. З); 5 - .попасть р абочего ко.песа т урби н ы Цим.п я нсiю й ГЭС (ста.пь З О Л ); 6 - .попасть рабочего ко.пес а турби н ы Б р атской ГЭС ( Н = 78 м , в ыход н а я кромка; ста.пь 2 0 ГС Л ) ; 7 - .попасть р абочего ко.песа турби н ы Б р атско й ГЭС ( Н= 84 см , в х о ц н а я к ро м i<а ; ста.пь 20ГСЛ ) ; 8 - .попасть р абочего к олеса ту рби ны Б р атской ГЭС ( Н= 1 0 3 м . в х одн а я кромка; ста.пь О Х 1 2 Н Д Л ) ; 9 - .попасть р абочего ко.песа турби н ы Верхне- Туломекой ГЭС (ста.пь 2 0 Х I З Н Л )

Показатель степени n в формуле ( 1 1 . 46) дл я обследова н н ы х г ид­ роту рбин колеблется в п ределах 1 , 6-2 , 0 . Меньшие значе н и я n характе р н ы дл я нержавеющих стале й , бол ьшие - дл я углеро­ дистых. Возрастан и е и нтенсивности эроз и и в п роцессе экспл уа­ таци и связано с кумул ятив н ым эффектом при кавитацион ном гидрауда ре по изъязвленной повер хност и . Дл я углеродистых сталей и нтенсивность р азрушени я дополн ительн о усиливается 74

8 св я зи с развитием площади эроди рованной повер хности (п р и т ой же зоне) и воз растанием вследствие этого кор роз и и . Пол ученные зависимости характер н ы дл я турбин в начал ь ­ н ы й период эксплуатаци и , до пе рво!'о восста новител ьного ре111 о н та . В этом случае мате риал детал и находится в исходно м со­ ст оя н и и после соответствующей термической обработки , п рово­ ДИ l\Ю Й дл я снятия остаточных н а п ряжен и й . Совершенно иной характе р зависимости эроз и и от в ремени н аб л юдается н а некоторых турбинах, которые в п роцессе экс­ плуа тации подвергались многократным восста новител ьным н а п,, мм 100 80

60

20

v_:

:r�

о

2

,.,......

��

"

б

v

f.--

в

1>-

1---

10

2 ...._

f2

�

'*

--

fб

Jx

-

18

20

1

22

т:ю;ч

Р ис . 1 1 . 1 6 . Характер р азвития кавитационной эрозии дл я участ­ ков лоп асте й , восстановленных с помощью н аплавки : 1

- лоп асть с макси мал ь н о й гл уби н о й разрушени я ; ло всем ло п астям

2

- средн я я глуби н а

плавкам. В качестве п р имера можно n р и вести одну из турбин Б ратской ГЭС (агрегат 1 4) , эксnлуатация кото рой н ачалась 50 % Н расч · К начал у н аблюде н и я рабочее колесо т у р ­ при Н бин ы nодверглось многократным наплавка м . Особенно большой о бъем напл авок был выполнен по зава рке разрушен и й за в ходной к ромкой лоnастей . Зава р ка п роизводилась х ромо н и келевыми элек­ т рода м и ЦЛ- 1 1 , по составу бл изкими к нержавеющей стал и типа 1 Х 1 8Н 1 0Т . В этом случае характер п роцесса эроз и и совершенно ме н яется (рис. 1 1 . 1 6) . В начал ьный пер иод наблюдается резкий подъем к ривой зависимости глубины эроз и и от в ремен и , затем п ро исходит постепенное зату хание и нтенсивности разрушени я . Сопоставл я я пол ученную зависимость с к ривой 8 н а р и с . 1 1 . 1 5, где показано разрушение лопасти из стали О Х 1 2НДЛ (аг регат 8) в н ачал ьный период эксплуатаци и , можно отметить существен­ н ую разницу. В то же в ремя кавитационные стой кости наплавки ЦЛ- 1 1 и стали О Х 1 2НДЛ близк и . Режимы работы сопоставляе­ м ы х ту рбин также существен н о не отл ичались друг от друга . Б ыло сделано п редположение, что быстрое разрушение наплавки ЦЛ - 1 1 вызывается остаточными н а п р я жен и я м и , воз н и кшими п р и н аплавке. Действ ител ьно, те рмообработка после п роведе­ н и я восстановите.1 ьного ремонта не делается и слои наплав к и , =

75

осо б енно на пове р хности лопасти, испытывают з начительные растя гивающие напряжен и я , доходящие до п редел а текучести . Однако лаборатор ные исследова н и я сталей 1 Х 1 8Н 1 0 Т и МСтЗ, п роведеи н ые н а уда рно-эрозионноы стенде , не выявил и бол ьшого разл ичи я в скорости разрушен и я образцов н а п р я женных и не­ н а п р я жен н ы х . Таким образом, скорее всего, повышен ная эроз и я н а наплавке вызвана искажение111 п рофи л я лопасти п р и восстановительных работах . Вл и я н ие з агл ублен и я турби н ы н а эроз и ю . Запас п о заглубле­ н и ю турбины обычно характеризуется разностью между факти­ ческой и доп устимой высотам и отсасывания Н8 - Н8 доп или раз­ н остью между коэффициентами кавитации установ к и и турбины <1 у ст - <1т у рб ·

Как уже было упом я н уто выше, существует два з н ачен и я а т у рб · Первое з н ачение а �у рб соответстует началу кавитаци и , когда н а лопасти появл яется первая кавитационная каве р н а . З н аче­ н ие а � ур б оп ределяется п р и модел ьных испыта н и я х в изуально или с п омощью легкоразрушаемых покрытий . Второе значение атур б • называемое к р итическим, соответствует развитой кавита­ ции , п р иводящей к с рыву в нешни х характеристик турбины. С точк и зрен и я развития кавитационного п роцесса более по­ казател ьна величина разности между <1 у ст и а � урб ' Однако в на­ стоящее в ремя п р и испыта н и я х оп редел яется обычно лишь ат у рб > которое наносится на у ниверсальную характеристику; значен и я а � урб и звестны лишь дл я отдельных типов рабочи х колес. По­ этому п р и анализе вл и я н и я заглублен и я на эрозию был исполь­ зован коэффициент ат у р б • н а ходящийся в оп ределенной связи с (j�ур б ' В зависимости от напора и типа рабочи х колес существенно меня ются з начен и я кавитационных коэффициентов , п оэтому аб­ солютное значение разности а у с т - ат у рб для разных турбин несопоставимо между собой . В связи с этим при анал изе вл и я н и я заглублен и я турбин , отл ичающи хся напорами и типами рабочи х колес, в качестве а ргумента была выбрана не разность ауст и а турб• а отношение ау ст /атурб > называемое коэффициентом кави­ тационного запаса kcr. Рассматривая опыт экспл уатации поворотнолопастных и ра­ диально-осевых турбин (табл . I I . З , I I . 5) с точки з р е н и я влия­ ния заглубления н а эрозию, можно отметить следующее. Поворотнолопастные гидроту рби н ы , п редназначенные для ра­ боты в ш и роком диапазоне нагрузок и напоров , имеют значитель­ н ые колебания величины kcr. Как п равило, k cr за период экспл уа­ тации колеблется в п редела х 1-2 (табл . I I . З) . Следует та кже и меть в в иду, что поворотнолопастные турбины в основном раз­ р ушаются за счет щелевой кавитации , на которую к роме загл уб­ ления оказывают большое влияние величина торцового зазора 76

м е жду лопастью и камерой , состоя н ие периферийной кромки ло� n а сте й и т . д. Известная неоп ределенность вносится также зна­ ч ит ел ь ными колебан и я м и мощности агрегата . Р а диал ьно-осевые турбины работают, как п равило, в базисе н а гр узк и , когда режимы работы стабильные, кроме того , ради­ а л ьно-осевые турбин ы подве ржены в основном п рофил ьной ка­ в ита ци и , развитие которой в значите.Тi ьной степени оп ределяется за гл ублен ием . В св язи с эти м дл я анализа вл и я н и я загл убления н а эрозию более показател ьно рассмотреть р адиаJi ьно-осевые т у рби н ы . Сопоставл я я п риведеиные в табл . 1 1 . 5 радиально-осевые тур· би ны п о коэффициенту kcr , можно отметить, что большинство тур­ 1 ,0 + 1 , 6 . Искл ючен ие п редстав­ бин э кспл уатируется при k cr ля ют турбины Княжегубской ГЭС, где kcr > 2 . Для выяснени я в л и я н и я загл ублен и я н а эроз ию рассмотрим тур б и н ы , отл ичающиеся л и ш ь коэффициентом kcr . В этом отно · шен и и наиболее подходят турбины Днеп ровской и Княжегуб­ с к ой г идроэлектростанци й . Действител ьно, эти турбины и меют близкие п рофил и лопастей рабочего колеса, отл ичающиеся лишь 5 , 45 и 4 , 1 м) и оди­ высотой , бл изкие габа р итные размеры (D1 наковые напоры. Р абочие колеса турбин Днеп ровской и Кия ­ жегубекой ГЭС отл иты из углеродистой стал и . Б ол ьшую часть време н и турбины работа л и п р и нагрузке, составляющей 60=

=

I OO % N p a cч ·

Существе н ное отличие лишь в запасах п о кавитаци и . Если ту рбины Днеп ровской ГЭС работали с kcr 1 ,О + 1 , 6 , то турбины Кн яжегубской ГЭС - с k cr = 2 , 0 + 3 , 0 . Интенсивность кавитацион­ ной эроз и и р ассматриваемЬIХ турбин также отл ичается весьма значител ьно. На турбинах Днеп ровской ГЭС эроз и я появилась в пе рвый год экспл уатации , и за 4000 ч глубина разрушен и й на отдел ьных лопастя х достигала 5 мм. Н а Княжегубской ГЭС пер­ вы е следы эроз и и н а рабочем колесе глубиной до 2 мм появились ли шь после семи лет эксплуатации (35 000 ч) . Сопоставл я я кавитационн ые разрушени я турбин Княжегуб­ ск ой ГЭС с другими рассматриваемыми гидроэлектростан ци я м и , мож но отметить, что н а Кня жегубской ГЭС разрушени я н а и ­ мень шие. Таки м образом, работа турбин с коэффициентом кавитацион­ н ого запа с а kcr бол ьше дву х обеспечивает для р ассмотренных ти пов п рофилей почти полное отсутствие эроз и и даже на у глеро­ дистой стал и . Вл и я н ие размеров и м о щн ости турби н ы н а эроз ию. Р азмеры и мо щность турбины - взаимосвязанные вел и ч и н ы . Дл я геомет­ ри чес к и подобных турби н , р аботающих п р и один а ковом наnоре, мощ ность N п роnорциональна квадрату диаметра р абочего ко­ .Тiес а Di . С ростом размеров турбины увел ичени е мощности п ро­ ис ходи т за счет роста площади сечения п р и постоя н ной скорости п отока . =

77

�читывая это обстоятел ьство, р а ссмот р и м связь размеров турби н ы с эрозией на геометр ически подобн ы х турби н а х , и мею­ щи х бл изкие напоры, а связь !'lющности с эрозией - на оди н а ко­ вых турби н а х одной г идроэлектростан ци и , работающих с разной н а г рузкой . Д.ТJ я п роведе н и я анализа бьт и выбра н ы , как и р а нее , ра­ диа.ТJ ь но-осевые турби н ы . В л ия н ие р азмеров н а эрозию р ассматр ивалось н а турби н а х Б ратской и Б а кса некой г идроэлектростанций (табл . 1 1 . 5) . Т ур ­ б и н ы Б ратской ГЭС обор удованы р абоч ими колесами Р0662, н а Б а ксанекой ГЭС одна тур би н а та кже оснащена р абоч им коле­ сом этого же тип а . Напор на этих г идроэлектростанциях р авня ­ ется соответственно 1 00 и 9 ) м . Режимы р аботы турбин (QI ; nl ; О' ус т) Б р атской и Б а ксанекой ГЭС з а р ассматр иваемый пер иод незнач итеJi ьно отл ичал ись друг от др уга, некоторое отл ичие наблюдалось в нагр узка х , п р ичем турби н а Б а ксанекой ГЭС р аботала больший п роцент време н и н а п р едельных мощностях . Существенное отл ичие р ассматр иваемых г идроэлектростан­ ций в р азмер а х турби н : н а Б р атской ГЭС D 1 = 5, 5 м , н а Б а ксан­ екой ГЭС D 1 1 ,2 м. Оцен ивая кавитацион н ую эрозию н а э т и х г идр оэлектростан­ ция х , можно з аметить, что н а Б р атской ГЭС за 6300 ч глуб и н а р аз р ушен и й н а лопастя х р абочего колеса из н ержавеющей стали ОХ 1 2 НДЛ достигала 5 мм, на Б а ксанекой ГЭС за 5000 ч р а з р у­ шен ия п р имер но такой же глубины н аблюдаются н а углеродистой стал и . Нержавеющие ста л и в услов иях Б а ксанекой ГЭС п очти н е п одвергаются кавитационной эроз и и . За 10 000 ч эксп л у ата­ ции на лопастя х р абочего колеса , з ащищен ных от кав итационной эроз и и нержавеющей н а плавкой (электроды ЦЛ- 1 1 ) , разр ушен ия был и отмечены л и ш ь н а одной лоп асти гл уб иной до 0 , 5 мм. Из п р иведеи ного п р имер а следует, что интенсивность эроз и и турбин Б р атской ГЭС в н есколько р аз выше, чем Б а ксанской. Таким обр азом, с увел ичен ием р азмеров турбины и нтенсивность кавитационной эроз и и с уществен н о возр астает. В л и я н ие мощности турбины на и нтенсивность кавитационной эроз и и п р овер ялось н а турбинах Б р атской ГЭС, р аботающих с разными н а г р узками . В качестве п р имера р ассмотр им состояние лопастей четырех агрегатов 1 , 2, 4, 1 1 (рис. 1 1 . 1 7) . Рабоч ие колеса эти х турбин был и изготовлены из ста л и 20ГСЛ с ч астичной обл и­ цовкой лоп астей п олосами из стали 1 Х8Н 9Т. Агрегаты 1 и 2 р або­ тал и п р п напоре 90 м , агрегаты 4 и 11 - п р и напоре 97 м . Агрегат 1 основное время 9000 ч р аботал с н а г р уз кой 1 50220 МВ т и л и ш ь 1 900 ч - с нагр узкой 1 0-60 М Вт. Агрегат 2 бол ь­ ш ую часть времен и 7000 ч р аботал с небо.ТJ Ь Ш И !\Ш н а г р уз ками 1 0-60 МВт, с н а г р узкаыи 1 50-220 МВт агрегат р аботал 4000 ч. В ремя р аботы агрегата 1 н а больших мощностях более чем в два раза п ревосходит в р еыя р аботы второго агрегата . =

�

�

78

Е сл и п одсчитать среднюю мощность за вес ь пер иод эксплуа­ т а ц и и , то она составит н а агрегате 1 - 1 53 М Вт, на агрегате 2 - ВВМ Вт. Соп оставляя агрегаты 4 и 1 1 , также можно отметить с ущест­ вен н ую р аз н ицу в нагр узках . На а�регате 4 мощность вообще н е п р евышала 1 60 МВт, в то время как агрегат 1 1 около 5000 ч А гр. f

Агр. 2

А гр. ff

Рис. I I . 1 7 . Кавитацио н н ая эроз ия лоп астей р або­ чего колеса в зависимости от мощности агрегата

-

- з о н а обл и цовки nолосами из стал и

С]

- зо н а

I X 1 8 H 9 T;

кав ит ационной эроз и и

р аботал с нагр узкой 1 60-230 МВт. Общее время р аботы каждого агр егата 1 7 000 ч . Средня я мощность н а агрегате 4 - 5 6 МВт, н а агрегате 1 1 1 02 М В т. Из п р иведеиного р исунка следует, что и нтенс ивность эроз и и с n овышен ием мощности турбины возрастает. З о н ы р асположен и я э р оз и и с изменен ием мощности с ущественно не мен яются . Мы р ассмотр ел и вл и я н и е мощности турбины н а э р озию н а рас­ ч етн ы х И JI И бл изких к расчетным наnор а х . Связь мощности с эро­ з ие й на вер асчетных напорах будет р ассмотрена н иже. �

79

Вл и я н ие напора на эрозию. В л ия н и е напора н а кавитацион н у ю эрозию г идротурбин р ассматр ивалось по двум н а п р авлен и я м : а) для турб ин различных типов ; б) дл я одинаковых турб и н . Пр и анализе вл и я н и я напора на эрозию турбин р азличных типо в был и р ассмотр ены как поворотнолоп астные, так и р адиал ь но­ осевые турбины . Среди поворотнолопастных машин для сопоставМ г------.---.--�

�

�

§ ю �----"-----,��rnc����--�

:::.:::

� ��������Ю�б�J�_.��--�Ю�б�� Времн аксплуа тации ,

eoU

Рис. 1 1 . 1 8 . К:авитационная эрозия лопастей тур бины Братской ГЭС при

-

- зон а обл ицовк и полос а ми из стали

I X I 8 H 9 T;

лен и я был и выбраны турби н ы Цимлянской и Верхне- Ту ломекой ГЭС (табл . I I . З) . Н а турбинах этих г идроэлектростанций основные кавитаци­ онные разр ушен ия р асположены вдоль входной кромки тыл ьной стороны лоп астей . Однако н а Цимля нской ГЭС напор в тр и р аза меньше, чем н а Верхне-Т уломской . Есл и сопоставить кавитаци­ онные р аз р ушен ия турб и н , то н а Цимл я нской ГЭС з а 30 000 ч разр ушен и я имел ись только н а лопастя х из углеродистой ста л и , н а нержавеющих лоп астя х разр ушен ия отсутствовал и , н а Верхне­ Т уломекой ГЭС разр ушен ию п одверглись и нержавеющ ие стал и ­ з а 7000 ч н а лопастя х из стал и 20Х I ЗНЛ гл убина эроз и и до . 5 мм. 8Q

т а ким обр азом, из р ассмотренного п р имера следует, что тур­

б н н ы с б ольшим напором п одвергаются более и нтенсивной кави­

т а ц ион ной эроз и и . А нал изир уя опыт экспл уатации др угих поворотнолопастных т у р б и н , можно от!ll е тить общую тенденцию увел ичен и я эроз и и с р ос то м напор а . В т о ж е в р емя имеются п р имеры , когда для тур-

1956 Время аксплуатации ,

вoiJ

f957

р азличных н а порах 1- V 1 . Режимы р абот - в соответстви и с табл .

О

-

1 1 .6.

зон а к а в и та ционной эроз и и

б и н разных типов , особенно для р адиально-осевых , влияние на пора перекрывается др угими , более действенными фактор а м и . Н ап р имер , сопоставл я я р адиально-осевые тур б и н ы Б ратской ГЭС ( Н- 1 00 м) с Гюмушской ГЭС (Н-300 м) , также отл ичающиеся н о напорам в тр и р аза, можно з аметить, что на Б ратской ГЭС и нтенсивность кав итационной эроз и и значительно больше. Н евы­ со кая и нтенсивность эроз и и турб и н ы Гюмушской ГЭС объясня­ ется особенностью лопастей с истемы р абочего колес а . Как пока­ з а.'I и п р оведенные обследован и я , эрозия р асполагается лишь н а н ебо льшом участке выходны х к р омок лопастей , что свидетельст­ в у ет о том, что замыкание кавер н п р оисходит в основном з а ло­ п аст ью. б

Н. И.

П ы л а Р. в

11.6

Таблица Х арактерн ые режимы рабо т ы турби н Б р ат е ко н ГЭС при различ н ых н апорах

В р емя

Х а рактеристик а реж и м а

..

:!!

� i.O

:!!

:!!

с>. ..;

:!!

::r: �

:х::

"' :х::

52 ,8 58,8 68, 5 7 8 ,0 83 ,7 97,3

-0,60 -0,80 0 ,50 -0 ,50 -0 ,50 -0 ,70

., -

:е и о "'

"' ., .

1

1/

ll/ JV

v

Vl

"'

с. и

"'

с. и

...

�

�

"'

и

<:

о

"'

"'

"'

' <:У

90 90 1 20 1 50 1 60 200

900 850 850 960 810 875

и

:!!

.._

<:

"'

"' "'

.._

"' ...

..

... " "' ...

..

::

:.!;

95,0 90 ,0 83 ,5 76 ,0 76 ,0 70

15 14 16 2 6 14

'"

ра боты "'

..

., ;..

:т <:

,., .. "'( "'

и <О ::t

:Е е:>.

�5= - ., ,.

2 1 44 3 030 8 1 99 3 050 8 723 3 3 767

в ч

'

"'

.,

,_

,., <:.. р,

:!!

о: "'

.. ...

Т

"'( .. "' -

с. -

:Е., �.,

" >< .с .. :а .. "' "' "'

2 1 44 3 030 5 734 3 050 8 723 1 5 428

2 1 44 3 030 3 227 2 436 6 343 9 973

Сопоставляя р адиально-осевые. турбины, имеющие подобные п р офил и лопастей, напр имер РО 1 23 и РО2 1 1 (турбины Днеп ров­ ской ГЭС, Комсомольской, Н ива- 1 1 , Усть - Каменогорской , Мингеча урской , Б ухтарминской) , можно заметить, что в общем случае интенсивность эроз и и с р остом напора увел ичиваетс я . В л и я н и е напора н а эроз и ю одинаковых турбин на иболее ха р а ктер н о п р оявляется для турб и н радиально-осевого тип а . Особый и нтерес п р едставляет эроз и я турбин п р и р аботе н а пон и ­ жеи ных напорах . В н астоящее время , с цел ью н а иболее эффектив­ ного использов а н и я обор удован и я , некоторые г идроэлектростан ­ ции начинают экспл уатироваться , когда напор еще не дости г рас­ четного з н ачен и я . В этом отношен и и интересно обобщить опыт эксплуата ц и и турбин Б ратской ГЭС, обор удованной большим кол ичеством агрегатов, п уск которы х п роизводился при р азл ич­ ных напор а х . Н аиболее характер ные режимы экспл уатации турбин п р иве­ ден ы в табл . 1 1 . 6 и н а р ис . 1 1 . 1 8 . И з табл . 1 1 . 6 следует, что с увел ичен ием напора от 5 0 до 1 00 м средн ие з н ачен и я нагрузок воз растают от 90 до 200 МВт. Пр и этом п р и ведеиное з начен ие расхода Qi остается п р едельным, т. е . турбины работают н а максимальной для данного напора мощности . Пр иведенные обороты изменяются от 95 до 70 об/ми н . В ысота отсасыв ания Hs сущест в енно не меняется . С изменен ием напора измен яются и зоны кав итационной эроз и и (р и с . I l . 1 8) . Н а ибол ьшая площадь р азр ушен и й лоп астей н аблю­ дается п р и м и н имальном напоре 52 , 8 м (режим /). Разр ушен и я тыльной поверхности достигают 50 % 1 ,4 м 2 , что составляет всей повер хности лопасти . Кр оме того, н а этом напоре кав итаци�

82

�

011 н ые разр ушен ия им е ются и н а л и цево Й повер х н ости лопаст и ( л.1 ощ адь 0,36 м2) . Пр и повышен и и напора разр ушен ия л и цевой повер хности ,1опа стей п рекращаются , эроз и я наблюдается л и ш ь на тыльных с тор он ах лопастей . З она эроз и и на верти кальном участке входной кромки лопасти с у в еличен ием напора постепенно уменьшается и п р и напоре свыше м совсем исчезает. В р а йоне выходной кромки п лощадь р аз р ушен и й с увел иче­ н и ем напора также умен ьшается и п р и р асчетном напоре остается л ишь н а участке около н ижнего обода . Разр ушен и я з а входной кр омкой у н ижнего обода появл яются л иш ь п р и напорах свыше м . с· р остом напора площадь э р оз и и н а этом участке воз растает . Об ща я площадь эроз и и с увел ичен ием напора от 50 до 1 00 м умень­ ша ется в 3-4 р аз а . В п р иведеином п р имере р ассмотрено вл и я н ие напора н а эро­ з и ю п р и р аботе турбин н а п р едельных мощностя х . Н е мень ш и й интерес п р едставляет собой р абота турбин н а пои ижеиных напорах и малых н а г р узках . В качестве п р имер а можно использовать (Нрасч = 93 м ; оп ыт экспл уатации турбин Красноярекой ГЭС Nрасч = 508 МВт; D 1 = 7 , 5 м) И ГЭС Б х а к р а (Нрасч = 1 22 м ; 1 27 М В т ; D 1 = 4 , 1 м) . Одна из турбин Красноя рекой ГЭС N р асч в п усковой пер иод около 1 600 ч р аботала п р и напоре 70 м (75 % Нр асч) и мощности 1 00- 1 20 МВт, что составляет 30-40 % Nma x п р и имевшемся напор е . Т у р б и н а ГЭС Б х а к р а п р ор аботала 5350 ч . З а время эксплуа­ та ци и напор меняле я в п р едела х 87- 1 50 м. З н а ч итель н ую часть времен и 40 % турбина р аботала п р и нагр узке, меньшей 50 М Вт. Рассматр иваемые турбины обор удован ы р абоч и м и колесами из уг лерадиетой ста л и с защитными обл и цовками тыльных сто рон лоп астей . . Х а р а ктер ной особен ностью кав итационной эроз и и этих тур· б и н з а р ассматр иваемый пер иод эксплуатации является то, что кро ме тыльной стороны лопастей (район н ижнего обода и верти­ ка льны й участок з а входной кромкой) р а з р ушен ию подверглась л и цевая сторона - вбл и з и выходной кромки, около вер хнего обода . Н а турбине Красноя рекой ГЭС разр ушен и я в этой области за н имал и площадь 800 Х 200 мм, г л уб иной до 0 , 3 мм; н а турбине ГЭС Б ха к р а площадь разр ушен и й составляла 700 Х 400 мм п р и г л уб и н е эроз и и д о 5 мм . И нтересно отметить , что факелы кавитацион ных р а з р у шений н а пр авлены от выходной кромки лоп асти к входной . Это особенно н а гл ядно проявилось н а одной из лопастей турбины Краснояр ­ е ко й ГЭС, где н а л ицевой стороне и мел ись канав к и , п р едназна­ ч е н н ые для укладки кабел я к измер ител ьным датч икам . Кавита­ ц ио н н ые р аз р ушен и я з а канавками р асположены со стороны вход­ Н о й кр омки лопасти .

60

70

=

�

6*

83

Т акое рас п оложен и е кавитацион н о й эроз и и п р и nои ижеи ных напорах и м алых нагруз ках св идетел ьствует о наличии в вер хней части лопас тной с истемы обратных токов ж идкост и . Св я з ь к и н емат и к и пото к а с к авитаци о н н о й эроз ие й . Анал из кинем атик и п отока п р и изменен и и мощности и напора турбины был выполнен для р абочего колеса РО662 Б р атской ГЭС. Дл я выяснен и я в л и я н и я р ежимов экспл уатации н а эрозию бы .'I по::: т рое н п оток н а входе в р абочее колесо турбины (рис . 1 1 . 1 9) . З н ачен и я углов н атекания и скоростей определя л ись для четы­ Нр а сч = р ех л и н и й тока , п р и этом р ассмотрено два случая : 1 ) Н var. = const ; N = var; 2) Nmax = const (Qi = const) ; Н В первом случае п р и Н = const (97 м) опр еделен ие скоростей п роизводилось с использова н ием основного уравнен и я г идротур ­ бин . В о втором случае п р и Н = var, вследствие значител ьного отклонt:ни я р ежимов р а боты от р асчетных , за основу было п р и­ н ято п р едположен ие, что н а п равлен и е вектор а абсолютной ско ­ р ости н а входе в р абочее колесо остается постоя нным п р и любом значен и и Н . Это следует из того, что турбины экспл уати р овал ись на п р едельной мощности (QI 900 л/с) и открытие н а п р авля­ ющего а п п а р ата оставалось постоянным . Величины углов н атекан и я � и относительных скоростей w п р иведены в табл . 1 1 . 7 . =

=

=

Таблица Значени я уrлов натекакия и относительн ы х скоростей на входе в раб очее кол есо турб и ны Б ратской ГЭС .. :>! =ОЕ � "'

Q. "

1

Линия

"'-. ., z и о= :r: .!;

:t:

1 2 3 1' 2' 3' 4'

97,0 97,0 97,0 52;8 68,5 83,7 97,3

:>!

..

..

I:Q

�

.. "' .. .. ot

.. :;;:

са.

50 100 1 90 90 1 20 1 60 200

-57 -40 -35 -60 -53 -36 -30

тока и .. .... :>!

..

1/

Линия

.. "' .. .. "[

э

са.

3,8 5,4 1 2 ,3 14,5 12,5 1 1 ,5 10,9

10 4 -37 -55 -45 -32 -22

тока и .... .. z

..

1 11

Лин и я .. "' .. .. ot

ток а и .... ..

"' "' .. .. "'-

8,8 9,6 17,6 1 7,3 16,9 17,0 1 7,9

78 45 -20 -35 -26_ - 1 8_ -1 1-

z

..

э

э

са.

3,0 5,6 13,0 14,8 1 3,2 12,5 12,4

75 44 -9 -35 -20 -9

о

IV

Л иния ot

I I .7

то ка и .... .. :s

..

э

12,8 1 1 ,6 28,8 22,5 22,3 22,5 22,9

Рассматр ивая р ежимы р аботы п р и Н = Нрасч = cons t , можно отметить , что п р и малых нагрузках-50- 1 00 МВт- на л и н и я х тока 1/, 111 и IV углы н атекания становятся положител ьными и дости· гают з начен ий 45-78° ( р ис . 1 1 . 1 9) . Пр и таких угл ах ата к и н а входной к р омке лопастей может возникнуть кавитационн ая

84

Ли ния

тока

1

л

ш

N

/V

+

Рис.

11

. 19 . Углы н атекан ия nотока для р абочего колеса Режимы р аботы в соответстви и с табл . 1 1 . 7

4' J '

,

lf'

РО662.

85

к ав � р н а . Одн ако относ ител ьные скорости н а этих режимах неве­ л и к и и , следовател ьно, и нтенс ивность кавитационного воздей ­ ств ия мала. Это подтверждается оп ытом экспл уата ци и турб и н , когда з а входной кромкой тыл ьной стороны лопастей н а ма.ТJЬIХ нагр уз ках образовывалась зона эроз и и незначительной гд уб и н ы ( р ис . I I . 1 8) . Пр и увеличе н и и мощности до 1 90 МВт угол н атек а н и я меняется н а отр ицател ьный (на л и н и и тока 111 � = 9�) и кавитацион ­ ная кавер н а н а входной кр омке исчезает. Особен ностью р ежима с оптимальной мощностью ( 1 90 МВт) является воз р астан ие отно­ с ительной скорости w от вер х него обода к н ижнем у . Пр ичем w увел ичивается более чем в два р аза и н а л и н и и тока I V достигает 29 м/с . Б ольшая скорость п р и обтекан и и сечен и й лопастей , р асположен ных около н ижнего обода , п р иводит к и нтенсивной кав итационной эроз и и в этой зоне (рис. 1 1 . 1 8) . Пр и п остоянном п р иведеином расходе N max = const и пере­ мен н ых напор а х , меньших Н расч• имеют место большие отр ица­ тел ьные угл ы ата к и . Т а к , н а п р имер , п р и Н 52 , 8 + 62 , 5 м на л и н и я х тока 1 и 11 углы н атекания � = - (53-т-60) 0• Учитывая , ч то п р и этом величина относ ительных скоростей достигает 1 5 м/с , н а л и цевой стороне лоп асти в р айоне входной к р омки может обр азоваться кавита цион ная кавер н а , вызывающая эро­ з ионные разр ушен и я ( р и с . 1 1 . 1 8) . С увел ичен ием напора вел ичина угла н атек а н и я уменьшается и эроз и я в этой зоне исчезает. Б ольшие отр ицательные углы н атекан и я при н из к и х напорах, очев идно, вызывают та кже обр азование кав итацион ных р азру­ шен и й н а выходной кромке тыл ьной стороны лопасте й . Н ужно отметить , что п р иведеиные здесь теоретические р ас­ четы углов натекан и я и скоростей п отока являются л и ш ь пер вым п р ибл ижением, п озвол яющим как-то оцен ить общие з а кономер ­ ности развития эроз и и в завис имости от мощности и напора тур­ бины. -

,..._,

=

гл дв д

111

МОДЕЛИ РО ВАНИЕ КАВИ ТАЦИИ

14. О Б ЩИ Е П О Л О Ж Е Н И Я . О С Н О В Н ЫЕ К Р И ТЕ Р И И П О ДО Б И Я

Теор етические, р асчетные исследования в машиностроени и , к ак п р авило, в той и л и иной степен и должны дополн яться экспе­ р иментальным и . В бол ьшинстве случаев экспериментал ьные иссле­ до в а н и я п роводятся не на п р омышленных образца х , а на л абора­ тор ных модел я х . Модел и могут быть больше и л и меньше (в частном случае одинаковы) по р азмер ам, чем н атур ные машины, в зави­ симости от того, как это удобно для экспер имента . Пр и экспер и­ ментальных исследован и я х г идротурбин п р имен яются модел и , умен ьшенные в 1 0-40 раз п о с равнению с натурой . В г идратур­ бостроен и и широко п р именяются методы модел ирован и я . Слож­ ность р абочего п роцесса не п озволяет опр еделять все необходимые параметры и хар актер истик и машины расчетным, теоретическим путем . Исследования натурной турбины в эксплуатацион ных услов и я х п р едставляют большие техн ические тр удности , огра н и ­ чены уз ким диап азоном возможного изменен ия р ежимов р аботы и не позвол яют п олучить достаточн ую точность измеряемых вел ичин . Кроме того, модифицир ование элементов 'Турбины , поиски лучш и х вар иантов в натур ных услов и я х п р а ктически вообще невозможны . Индивидуальное или мелкосер ийное п роизводство, хар актер ное для гидротурбостроен и я , не позвол я ет также вести от р аботку констр укци и н а головном обр азце. Н еобходимые условия п р оведен и я экспер имента н а модел и определ яются теор ией п одоби я . Теор и я подобия р егламентир ует та кже г р а н ицы и услов и я п р именимости резул ьтатов экспер имен­ та л ьны х и теоретических исследова н и й . Кроме геометр ического n одоби я модели и натуры , п р и экспер иментах должны быть выдер ­ ж ан ы тр ебов а н и я меха н ического (кинематического и динамиче­ с кого) п одоб и я . Кинематическое п одобие означает, что в лю бы х сх одственных точках модел и и н атуры в сходственные М О 111енты вре ll!ен и вектор ы скорости должны быть один аково ор иентиро­ ва н ы , иметь одинаковые н а п р авлен ия и отношен ие и х модулей дол жно быть постоянным. Аналогичное требование относительно C IU I , действ ующих на соответственные элементы объема или п оверх 1-IО ст и воды в модел и и н ат у р е, оп реде.1яет динамическое п одобие. 87

П р и и зменен и и р ежима р аб оты г идравл ической турби ны могу т мен яться геометр ия п р оточной части, р аспределение скорост ей и сил . Следовател ьно, подобие может иметь место только п р и соот ­ ветствен ных , так называе мых изогона льных , р ежима х р аботы модел и и натуры . Теор и я подоби я устанав ливает оп р еделенн ы е кр итер и и граничн ых и начальн ых услов и й , физичес ких констан т , обеспеч ивающи е подобие я влен ий в соответстви и с п р ирадой дей­ ствующ их с ил . При г идр омехани ческ их п роцесса х , п роисход я ­ щих в г идротур бине, действ уют силы р азлично го р ода . Каждом у из н и х соответств уют опр еделенн ые кр итер и и подобия , котор ые необход имо выдерж ивать п р и модел и р ова н и и . Смодел и ровать все действ ующие силы одновр еменно техн ичес к и невозможно или п р а ктическ и нецелес ообразн о. Поэтом у необход имо р азли­ чать с уществе нные и н есущест венные кр итер и и п одоб и я . Прежде чем п ер ейти к а н ализу услови й подоби я явлен и й кави­ тации в гидроту рбина х , р ассмотр им услови я подобия р абочего процесса гидроту рбины п р и отс утстви и кавитац ии . На основан ии тождестве нности уравнен ий Навье-Стокса , основны х диффере н­ циа льных уравнен и й динами ки вязкой несжим аемой сплошн ой жидкост и для дв ух подобны х между собой п роцессов , в теор и и подобия доказыв аетс я , что н еобходи мым и достато чным условием обесп ечен и я механ ическог о подобия (кроме геометр ическог о подо­ бия) являетс я р авенство для модел и и н атуры четырех безраз­ мерных величин , н азываем ых к р итер иями меха н ическог о п одоби я : числа Стр ухаля Sh

= -1сТ- ;

(1 1 1 . 1 )

ч исла Эйлер а Eu

числа Рейнол ьдса

= _f!_ р са .'

Re =

ч исл а Ф р уда Fr

cl

'11

-

(1 1 1 . 2)

·

'

( 1 1 1 .3)

2

с = gr ,

( 1 1 1 .4)

где с - характер ная с корость потока ; l - х а р а ктер ный л иней­ ный размер ; р пер епад давлен и я между двумя хара ктер ными точкам и ; Т - хар актер ный пер иод времен и ; v кинемати ческий коэффи циент вязкост и . Равенство ч исел Стр у х ал я свидетельс твует о том , что отн оше­ н и я конвектив ных составляю щих инерционн ых сил к локальны м один а ковы в обеих сравнивае мых системах . Так как р абоч и й про ­ цесс г идротурби ны сопровождается в р ащен ием р абочего колеса , и , следоватеJiьно, абсолютное движение потока н естационарно, -

-

8�

в

дан ном сЛучае число Струхаля вЫражается отношен ием характер ­ абсолютной скорости (напр имер, р асходной составля­ но й ю щей) к п ер еносной . В р абочем п роцессе г идротурбины кроме сил инерции опр еде­ л яющ ими являются силы давлен ия . Ч исло Эйлера выр ажает с обой отношен ие сил давлен ия � силам инерци и . В выражен и и для числ а Эйлера п од давлением р следует пон имать пер епад дав ­ ле н и й между двумя хар а ктер ными точкам и . Если переп ад давле­ н ия р в формуле ( 1 1 1 . 2) для числа Эйлера п р и н ять соответству­ ю щ им напору турби н ы Н, который задан н аперед как гран ичное ус лов и е , ( 1 1 1 . 5) р = уН, а за скорость с п р и нять некото р ую среднерасходн ую скорость потока, п роходящего через н екоторое поперечное сечен ие п р о­ точной части с площадью F, то расход через турби н у можно п р ед­ с тав ить в следующем в иде:

Q = cF = F

vЕн

lf u Jl р

=

2

D1

:2Eu Di V 2gH ,

( 1 1 1 . 6)

- -

Очевидно, что безразмерный коэффициент Q 1 = Di VF 2Eu

( 1 1 1 .7)

· •

один а ков для п одобных турбин п р и изогональных р ежимах р аботы . Коэффициент Q i* для геометр ически подобных турбин однозначно связан с ч ислом E u и , следовательно, тоже может сл ужить к р и­ тер ием подобия . В п р а ктике г идратурбостроен и я традицион но используется аналогичный , н о р азмер ный коэффициент V"i 2g, Q!. = D1F2 v = Ql·· v-Eu

(1 1 1 .8)

который н азывается п р иведеиным р асходом ( 1 1 . 1 7) . П р иведенный р асход удобен в пол ьзован и и . Расход через турбину выражается п ростой формулой . ­ 2 ( 1 1 1 .9) Q = Q1D1 vН . И з формулы в идно, что n р и D 1 = 1 м и Н = м численн о

Q = Q;.

П оэ тому n р иведенный р асход Qi определяют к а к р асход, п р охо­ дя щий через турбину с диаметром р абочего колеса D 1 1 м при н ап оре Н = 1 м . Уместно отметить , что величина п р иведеиного р асхода зависит от ускорения с ильt тяжести ( 1 1 1 . 8) и потому , стр о г о гово р я , не является к р итер ием п одобия. Однако т а к как в е.1 ич ина ускорения с ил ы тяжести в завис имости от геогр афи­ ческ о й ш и р оты и в ысоты н ад уровнем мор я меняется н е более ч ем на 0, 5 % , этим обстоятельством н а п р а ктике п ренебрегают.

=

89

а

Е с л и з а харак тер ны й р азмер п р и н ять диаметр р а б очего кол ес а l = D 1, ( 1 1 1 . 1 О)

за характер ный пер иод - время одного оборота р абочего колес а

Т=� n :rt

,

(11 1 . 1 1)

то в соответстви и с формулой ( 1 1 1 . 1 ) для ч исла Стр ухаля ч исло оборотов турбины

n

=

ЗОе

--;�-

(1 1 1 . 1 2)

:rtD1Sh

Есл и характер н ую скорость с выраз ить через н а пор и ч исло Эй­ лера в соответстви и с фор мулой ( 1 1 1 . 2) , то получим 30 зо gH n = :rtD Sh 1V1 EU = :rt Sh V 2 E u 1

V2gii D1

( 1 1 1 . 1 2' )

Очевидно, что без размер ный коэффициент

n1

30

• • =

--�==-

:rt Sh V2 E u

( 1 1 1 . 1 3)

одинаков дл я подобных тур б и н п р и изогональных режимах и тоже может сл ужить к р итерием п одоби я . В практике гидратурбостро­ е н и я использ уется а налогичный, н о р азмерный коэффициент

ni = ·

зo Vg ·· v2g , = n1 :rt Sh V E u

( 1 1 1 . 1 4)

который н азывается п р иведеиным ч ислом оборотов ( 1 1 . 1 8) . Тогда ч исло оборотов турбины

Пр и D 1

=

1

м и

Н

n=

=

п; Vн D1

.

( 1 1 1 . 1 5)

1 м численн о

'

n = n1 ,

поэтому п р иведеиное ч исло оборотов ni оn р еделяют как число оборотов турбины в м и н уту с диаметром р абочего колеса D 1 = 1 м п р и н апоре Н = 1 м . В отношен и и вли я н и я ускорен и я силы тяже­ сти на п р иведеиное ч исло оборотов справедл иво то же з амечан ие, которое было сделано по поводу п р иведеиного р асхода . Специфической особенностью. реактивной гидротурбины явля· ется то, что п р иведенный р асход и п р иведеиное число оборотов не являются независимыми др уг от др уга к р итер и я м и . Он и свя ­ з а ны между собой фун кционально. Пр и заданной геометр и и п р оточной части (оп р еделенные угол установки лоп астей р абочего колеса ер и открытие н ап р авляющего аппарата а 0 ) каждому з н а­ чен ию п р иведеи ного числа оборотов соответствует свое з н ачен ие 90

rт р нв еденного р асхода . Эта зависимость графически выражаетс я

т m ней откр ытия на п р опеллерной ун иверсал ьной характер истике.

с.1 ед о в ател ьно , задаваясь одн им из этих кр итер иев п одобия, вто· р о й 1\ЮЖ Н О получить как р ез ультат экспер имента . Есл и р абочий п роцесс сопровождается какими-л ибо пер иоди· ц е с к и м и нестационарными я влен иями, в р езультате экспер имента 1\Южет быть п олучено число Стр ухал я , хар актер из ующее эти я вле· н и я . В данном случае ч исло Стр ухаля тоже будет не к р итер ием п одоби я , а лишь его следств ием . С илы давления я вляются основными, но не еди нствен ными, ре оп дел яющим и р абоч и й п роцесс . В р еал ьной р абочей жидкости бо.1 ьшое практическое з начение имеют силы вяз кости . Дл я моде­ ли р ования этих сил необходимо, чтобы в н атур ной и модель­ ной турбинах были одинаковыми ч исла Рейнольдса (1 1 1 . 3) . Коэф· фи циент вязкости довольно с ил ьно зависит от темпер атуры воды. Пр и изменен и и температуры н а 1 0-20° кинематический коэффи­ 1 , 792 х оо v ци ент вяз кости меняется н а 30-70 % . П р и t х 1 0 - 2 см 2/с, п р и t = 20° v 1 , 007 · 1 0 - 2 см2/с . В н атурных усло­ виях действ ующих ГЭС температура воды, как п р а в ило, н иже, чем в лабор аторных услови я х п р и модельных испыта н и я х , и, сле­ до вательно, коэффициент вязкости в н атурных условиях несколько бол ьше. Допустим , однако, что темпер атура воды и коэффициенты вяз кости в обоих случаях одинаковы . Тогда равенство ч исел Рейнольдса на модел и и на натуре р авносильно условию ( 1 1 1 . 1 6) СмDlм = снDlн . Е сли п р и этом выдержан основной кр итер и й подоби я Эйлер а , то услов ие ( 1 1 1 . 1 6) п р иводит к следующему услов ию: =

=

=

( 1 1 1 . 1 7) Таким обр азом, чтобы выдержать кр итер и й Рейнол ьдса п р и соблюден и и к р итер и я Эйлера , необходимо, чтобы диаметры тур ­ б ин был и обратно п ропорционал ьны квадр атным кор ням из напо­ р ов . Есл и , напр имер , н атурная турбина с диаметром р абочего колеса D 1н 1 0 м работает п р и напоре Н = 30 м , то напор лабо· р атор ной установки, на которой п р едполагается испытывать мо­ де л ь этой турбины с диаметром р абочего колеса D l м = 0 , 5 м , д о лжен быть Нм = Н н 1 2 000 М . 30 =

( �:: У = ( �.� У =

И л и есл и доп устить, что напор лабор атор ной установки Нм то диаметр модельной турбины должен быть

Dlм = Dl н

V Z: = 1 0 V ��

�

1 2,2

=

20м,

М,

т . е. бол ьше, чем диаметр натурной турбины . Очевидно, что ни н и другой сл уча и н еп р иемлемы для л аборатор н ых исследо-

то т ,

91

ван и й . Поэтому р а венство ч исел Рейнольдса н икогда н е выде р . живается п р и моделирова н и и г идротурби н , т . е . силы вязкос тl{ н е модел и р уются. Это п р иводит к тому , что потер и вязкого трения н а модел и и н атуре оказываются р азличным и , н а р ушаются к ин е. м атическое и динамическое п одоб и я , н есколько тр ансфор мир уются энергетические и кавитационные характер исти к и . Н а р ушен ие п одобия с ил вяз кости является одной и з основных п р и ч и н масштаб. наго эффекта п р и определен и и энергетически х и кав итационных па раметров турбины. В л итературе [83 ] можно встретить утверждение о том, что в г идротурбинах кр итер и й Эйлера является следствием кр итер и я Рейнольдса . Это, очевидно, н едораз умен ие. Т акое утверждение справедливо при исследован и и течен и я вязкой ж идкости в напо р ­ ном тр убопр оводе [ 38 ] , где перепад давлени я н е задается как г ра­ н ичное условце, а п олучается в р езультате экспер имента п р и обя­ з ательном соблюден и и кр итер и я Рейн ольдс а . В этом отношен ии в гидротурбинах п р инципиально иное положен ие. В гран ичных услови я х з адается перепад (напор) , а кр итер и й Рейнольдса вооб­ ще не выдерживаетс я . В ажно подчер кн уть , что н а р ушен ие модели рован ия сил вяз­ кости в г идратурбостроен и и п р иводит к сравн ительно н ебольшому масштабному эффекту, есл и р азмеры и н апор модел и н е очень малы . Тогда в модельной и н атурной турбинах поток хара ктери· з уется турбулентным течен ием в автомодельной област и . Поэтому п роводить испыта н и я на очень малых моделя х п р и н изких напорах н едопустимо. Объемные гравитационные с ил ы, для модел и рован ия которых необходимо выдерживать одинаковым ч исло Ф р уда , в г идротур­ бинах игр ают второстепенн ую р ол ь . Н а р ушен ие подобия грав ита­ ционных с и л , как п р авило, не влияет на характер исти к и турбины. Исключен ие составляют л ишь некоторые частные явлен и я : уело· вия водоз абора , есл и он п роисходит вблизи вер хнего бьефа ; усло­ вия р аботы отсасывающей тр убы, есл и ее выходное сечен ие мало утоплено п од уровень н ижнего бьефа ; условия схода отработан­ ной воды в ковшовых турбина х . В тех случаях, когда эти условия с уществен н ы , п роводятся экспериментальные исследования г идро· турбинного блока в целом. Тогда выдерживание к р итер ия Ф р уда является обязательным. Преобразуем выр ажен и е для ч исла Ф р уда (1 1 1 . 4) с п омощью форм ул ы ( 1 1 1 . 2)

Fr = _!!_ _ gl =

уН

р Eu g D1

= _!!_ _· E uD1

(1 1 1 . 1 8)

Отсюда , если основной к р итер и й п одобия Эйлера оди н а ков для модел и и н атур ы , то условие модел ирования по Ф р уду сводится к усдов ию (1 1 1 . 1 9) 92

в ажно подчер к н уть , что п р и модел ирова н и и по Ф р уду геомет ­ р и че ско е подобие модел и и натуры должно включать и р асполо­ ж ен ие верх него и н ижнего бьефов . Это з начит, что п ропор цио­ на .1 ь н Ы:'I ! И диа l\l етр ам должны быть не тол ь ко н апоры , но и р азнос т и отметок бьефов с одной стороны и агр егата - с др угой . в ч астности , высоты отсасыван и я Hs должн ы быть п ропор цио­ нальн ы н апорам и соответствен но диаметр ам р абоч и х колес . Та к и м обр азом, есл и н атурная турбина с диаметром р абочего к ол е са D 1 н = 1 0 м р аботает п р и н апоре Н н = 30 м , то н апор л абор атор ной установ к и , н а которой п р едполагается испытывать м одел ь этой турбины с диаметром р абочего колеса D 1 м = 0 , 5 м , д олжен быть

И л и , есл и допустить , что напор лабораторной установки Н м = 20 м , то диаметр модел ьной турбины должен быть

D1 м = D1н

Z:

=

10

��

=

6, 7

М.

Второй вар иант в р яд л и целесообр азен , а первый и л и близ к и й н е м у вполне реален . Умен ьшение н а п о р а н ежелательно из-за оп а сности выхода из автомодел ьной области и так как при этом сниж а ется мощность, что влечет з а собой с н ижение точности экспе­ римента . Одн ако п одобные уста н ов к и имеют достаточно широкое р а сп р остр анение в отечественной и м ировой п р а ктике. Обр атим внимание на то, что условие ( I I 1 . 1 7) модел иров а н и я с ил вяз кости, хотя и очень сложно и п р а ктически н ецелесообразно, п р и н цип иально может быть в ыдержано; условие ( I I 1 . 1 9) модел и­ ров а н и я гравитацион ных сил выдерживается даже без особых тр удносте й . Но, как легко в идеть , условия ( 1 ! 1 . 1 7) и ( 1 ! 1 . 1 9) . не совместимы между собой и одновременн о н е могут быть выдер ­ жаны . Ч астны й случа й , когда D I м = D I н и , следовател ьно, Н м = Нн , к воп р осам п одоби я п о с уществу н е имеет отношен и я . Рассмотр енные кр итер и и п р актически исчерпывают все усло­ в ия динамического п одоби я тече н и й сплошной н есжимаемой ж ид­ кости . Однако п р и переходе к течен и я м с кавитацией этих кр ите­ р иев становится недостаточн о . Процесс с ущественно осложня етс я , и его модел иров а н ие требует дополн ительных специальных услов и й . к

=

1 5 . П О Д О Б И Е П Р И К А В И ТАЦИИ

Р ассмотр им услови я моделирования момента воз н и кновен и я к авита ци и . По общеп р и н ятым пр едставлениям, кав ита ция начи­ н ае тся там , где имеет место м и н имальное давление, и в тот момент, к огда величина этого давлен и я , с н ижаясь, п р актическ и достига ет 93

ве л ичины давлен ия насыщенн ых п а ров . Идентичность локал иза ци и зоны минимал ьного давлен и я в дв ух подобн ых система х обеспе­ ч ивается обычными кр итер иями динам ического п одоби я . Одна к о для того, чтобы п р и изогональн ых р ежимах в этих обеих система х воз н и кла кавитаци я , необходи мо выдержать допол н ительное условие ( I I I .20) Pmtn = Pd · Давление нас ы щенных п а ров зависит от температуры воды в соответств и и с данными табл . I I 1 . 1 . Есл и в обеи х с истемах те мТ а б л и ц а 1 1 1 . 1 пература воды одинакова , то ус­ ловие ( I I 1 . 20) б удет р авн ос ильн о Д авл е н и е водя н ых пар ов условию Темnература в ос

о 5 10 15 20 25 30 35 50 70 1 00

P min

Д а в ле н и е вод я н ы х n а р о в в м вод . ст .

1

= P m t n 2 = Pd ·

( I I I .20 ')

В п. 7 отмечалось, что услови е = Pd соответствует р авенств у кав итацион н ы х коэффициентов турбины и установки Pmtn

0 ,0623 0 ,0889 0 , 1 25 1 0 , 1 737 0,2383 0,3229 0,4325 0 , 5733 1 ,26 3, 1 8 1 0 ,33

•

О'ту рб = О' уст

•

есл и п оложить hк = О . Можно по­

казать, что кав ита ционный коэф­ фициент турбины а ; у рб является следств ием ч исла Эйлер а Eu и п р а ктически одинаков дл я сер ии п одобных турбин при изогональ ­ ных режима х . Действ ител ьно, есл и С8 и См - характер ные скорости натуры и п одобной ей модел и , то очевидно, что отношен ия любых п а р сходствен ных скоростей к ха ­ р актерным скоростям для модел и и натуры один аковы , т . е .

1

(III.21) (III.21 ) '

С др угой стороны , напор можно вы р аз ить через х а р а кт ерный п ерепад давлен и я в соответстви и с формулой ( 1 1 1 . 5) : нн _ ..J!l!.. и

94

у

нм

_ -

_&__ . у

( 1 1 1 . 22)

( I I I . 22')

Тогда выр ажен ие (i l . б) дл я кавитацион ного коэффициента т у р б и ны , учитывая фор мулу ( 1 1 1 . 2) для ч исла Эйлер а , можно п р едста в ить в следующем виде : ::.

�� =

с2 [ ( К2 - К2 ) -( к2. -К2 ) К2 ] WK

- ." к -3 = Eu '

1'

1

UK

U2

W2

2 _f!__ р

-!-

С2

( к�к - к�к )-( к� - к� ) к; 2

2

2

+

2

-

- ."к -3 . 1'

( 1 1 1 . 23)

Так как ч исло Эйлера и коэффициенты К в ч ис ителе первого члена для подобных с истем одинаковы , то и кави цион ный коэф ­ коэффици­ ф ициент турбины одинаков с точностью до раз ен тах п отерь �к-З· Таким образом, кавитацио ы й о эффи циент т урбины является следствием основного к те и я доби я ч исла Эйлер а и п о существу сам является кр ите и � м п одоб и я . Иное дело кавитацион ный коэ и ц и 1' . у с.тановки О'ус т · Он не я вляется кр итер ием п одоб и я , · н может с л ужить парамет­ ка � и т ац и и н а данной ром , характер изующим степень р азвит установке, есл и его вел и ч и н у сравн иват с е"л ичиной кав итаци ­ онного коэффициента турб и н ы . Есл и

$

.О'уст

<

О';урб•

то Pmtn < Pd и имеет место кавитаци я , п р ичем , чем меньше О'у с т по сравнению с О'�урб (чем меньше Pmtn п о с равнен и ю с Pd) , т е м кав ита ци я более разв ита . Н аоборот, есл и

О'у ст > О';урб' то Pmtn > Pd и кав итаци я при выше сделанных допуще н и я х дол жна отсутствовать , п р ичем, чем больше О' у ст п о сравнению с О'�урб (че м бол ьше Pmtn п о сравнению с Pd) , тем менее вероятно возн икновен ие кавита ц и и . Рассмотр им две п одобные турбин ы п р и изогональных режимах . К р итер ий Эйлера выдержан и , следовательно, перепады давления между л юбым и двумя точками одной турбины и сходствен н ым и точками др угой турб и н ы п р опор циональны. Если напоры э ти х т ур бин не равны друг другу, то только одно значение абсолют ­ ного давлен и я может быть оди н а ковы м в сходственных точка х об о их турбин н ых блоков ил и такого з начен и я давлен и я вообще мо­ жет не б ыть . Пр и модел и рован и и по Ф р уду, когда геометр ическое п одоб ие охватывает положен ие верхнего и н ижнего б ьефа , та ким да влен ие м является ат мосферное давлен ие над бьефа м и . Следо­ в ател ьно, значен и я любых других давлен и й в сходственн ы х точ­ к а х и, в частности , м и н и м ального давлен и я Pmtn в э тих т урбин ах б удут р аз л ичны. При кав итацион н ых испыта н и я х необходимо и м ет ь воз м ожность обеспечивать условие Pm1n н = P

n

нn м

=

Pd · 95

;Г огда давления н ад б ьеф ами моде Л и и натурьi должны б ыть р аз . л ичны . В натур ных услови я х над бьефам и атмосфер н ое да в ле н ие В , и для выдерживания условия ( 1 1 1 . 20 ') н ад бьефами модел ь н о й тур б и н ы н адо создавать иное давление : В * < В . Вел ич и н а В * может быть найдена из следующих р асс ужден и й . Н адо обесп е . ч ить равенство кавитационных коэ ффициентов установки моде.'Iи и натуры О"уст . м = О"уст . н О'ус т .

н=

Та

d"- - Hs8 В - _P_

____,Н 'У;.,---- ­

__

б л и ц

а

+

>I

+


-

1

·-

и

I I I .2

З н ак при в еличи не l!J.l!J.a q>

в .,

-'У - - НSм = Рdм

нм

о

о о о

о

+

м.

(1 1 1 .24)

Так как п р и модел ирова н и и п о Ф р уду

Нs н Нн

hк

1 о1-

О"уст .

=

Н sм Нм

!

( 1 1 1 . 25)

то, полага я , что температура воды в на­ тур н ых и лабор ато р н ых усло в и я х одина­ кова и , следовательно, Рd н = Рdм = P d• получим

В* =

в - (в - � ) ( 1 - Z: ) d

( 1 1 1 . 26)

и л и , есл и пренебречь малой по сравнению с В вел ич иной

-В в* -

Нм Ни

p d! y ,

(1 1 1 . 26') •

Пр и обычных кавитационных испыта н и я х турбин кр итер ий Ф р уда н е выдерживается и зависимости ( 1 1 1 . 25) и ( 1 1 1 . 26) н епо· с редст в енно н е имеют место . Одн ако положение н ижнего бьефа п р и модел ьных испытан и я х обычно мало отл ичается от того, кото­ р ое требуется п р и модел и рован и и по Ф р уду, и порядок да в ления н ад н ижним бьефом может оцен иваться п о формуле ( 1 1 1 . 26) . Создавать такое же давление н ад вер хним бьефом техн ически не р а ционально, и потому давлен и я над вер х н им и нижним бьефами п р и модельных испыта н и я х в отл ичие от нату р н ых условий р аз­ л и ч ны . В п р иведеиных выше р ассужден и я х п оложено, что hк = О, т. е . что точка с мин имальным давлен ием находится в плоскости отсчета в ысоты отсасы в а н и я . В действительности положен ие точки мин имального давлен ия н а лопасти, как п р а в ило, неиз в естно и меняется от режима к р ежиму. Есл и н е п ренебрегать вел ичиной hк , то условие ( 1 1. 7) должно быть заменено условием: [ 8 1 ] где (см:. п. 7)

О"уст =

О"турб + l'!.a = О'��рб ,

(1 1 1 . 27) ( 1 1 1 . 2 8)

96

Ус л о в и я м одел ирован ия не будут нар ушен ы , есл и

дан = д ам ,

( I l 1 . 29)

что им еет м есто п р и п р опор циональности напора и гео!\Iетр иче­ с ки х р аз м еров ( 1 1 1 . 30) В этом случае услов ие ( 1 1 1 . 2 7) будет идентично условию ( 1 1 . 7) . У сло вие ( 1 1 1 . 30) формал ьно совпадает с требование м кр итер ия Ф р уда ( 1 1 1 . 1 9) . В действительности гравитацион ные с ил ы в дан ­ н оы сл учае не имеют з начен и я . Дело лишь в условности назначе­ н ия базы отсчета высоты отсасыва н и я . Однако важно, что п р и 1\Юдел и рова н и и п о Фр уду автоматически выдерживается условие ( 1 1 1 . 30) . Чаще кр итер и й Ф р уда н е выдерживается и д да дан - д ам =1= О. (1 1 1 .31) =

Е сл и д да > О, то в н атур ных услови я х а :; р б будет фактически б ол ь ше, чем определен6 при модел ьных испыта н и я х . Если д да < < О , то наоборот. В табл . 1 1 1 . 2 дается з н а к п р и вел ичине д да в зависи мости (D /HJн

от знака величины hк ( с м . р ис . 1 1 . 1 ) и соотношения (D 1/Н ) = <р . 1 м Анализ показывает, что п р и лабораторных исп ыта н иях ради­ ал ьно-осевых турбин с большими , бл изки ми к н атур ны м напорами в том сл учае, когда точка мин имального давлен и я р асположена в зоне выходной кр ом к и лопасти, кавитационный коэффициент турб и н ы может оказаться завышен н ы м на 0 ,0 1 5-0, 020 , а п р и испы­ тан и я х н изконапорных гор изонтальных турбин ошибка может ДОХ ОДИТЬ ДО 0 , 1 0-0, 1 5 . Междуна родным кодом модел ьных испыта н и й [42 ] п редп исы­ вается в ыдерживать условие (1 1 1 . 30) , есл и высотная разность входной и выходной кромок больше четверт и напора ту рбин ы . Дл я дал ьнейше го необходимо связать кавитационный коэф­ фициент, используемый в гидротурбострое н и и , с ч исло м кавита­ ци и , п р и мен яемым в г идромехан и ке п р и исследова н и и обтека н и я ре шеток п рофилей и изол и рованных п рофилей . В п . 2 было дано выражение для числа кавитаци и (1 .4) , п р и ме­ н яе мого как без размерный п а раметр степен и развития кавитации nр и исследов а н и и неподвижных элементов гидро машин . Есл и иссл едуется на иболее нагружен ная в кавитационно м отноше н и и ре шетка п рофилей из ч и с л а составляющи х лопастную систему ра бочего колеса поворотнолопастной турбины, которая оп редел яет к ави тационные качества р абочего колеса , то каждом у з начен ию ч исл а кавитаци и k должно соответствовать оп ределен ное з н ачен ие к ав итационного коэффициента установ ки а ус т · Н а р и с . 1 1 1 . 1 п редставлена с хема решетки п рофилей в рабо­ Ч е l\1 участке кавитационной трубы. Вдали перед решеткой поток 7

Н. И

П ы л ае в

97

х а р а кте ри з уется давлением P w и ско ростью ств ует ч исло кавитации

Voo ,

ч ему соответ­ ( 1 11 .32)

Есл и п ренебречь раз ностью высотных отметок в зоне рабочего колеса и поте ря ми , то давление пе ред соответствующей решеткой

t-·

1

Рис.

111.1.

Схема решетки профилей в р абочем участке ка­ витационной трубы

п рофилей рабочего колеса турбины можно получить в следующем виде ( р и с . 1 1 . 1 и 1 1 1 . 1 ) : Роо

=

с

2

Pt = у ( В + Н - Hs) - Р Т ·

( 1 1 1 .33)

Скорость перед решеткой (1 1 1 . 3 4) абсолютная и относите л ьная скорости н а в ходе где с 1 и w 1 рабочее колесо в соответствующем цил и ндрическом сече н и и . Подставим 13 вы ражение (1 1 1 . 32) получен н ые з начен и я Роо и voo и раздел им числ ител ь и знам е нател ь н а gH

13

-

(I I I . 32' ) 98

В nос л еднем выражен и и О'уст п р и н ято : ю й ( I I . 5) . Ско ростные коэффи циенты :

в

соответс твии с форм у ­ ( 1 1 1 . 35)

11

(1 1 1 . 36) я в л я ются следствиями к р ите р и я Эйлер а . Из выражен и я (1 1 1 . 32') имеем О' ус т =

2

k аш, -1-

2 а,, -

1.

( 1 1 1 . 3 7)

Т а ким образом , между ч ислом кавитаци и k и кавитацион ным коэф­ фи циентом установки О'ус т п р и данном изогонал ьном режиме ( a i = coпst) имеет место л и нейная зависимост ь . П р и изменен и и 2 р ежима зависимость мен яетс я , н о остается л и нейной . Так как а"' • > > О , изменение О' у ст и k всегда п роисходит в одн у сторон у . Есл и м и н и мал ьное давление н а п рофиле равно давлению насы­ щен н ы х па ров P min = Pd • т о , полага я , как обычно, hк = О и п ренебрега я поте р я м и , пол уч и м , что *

О' уст = О' т у р б

=

2 -j wma x - w2�

2gH

-

2 С2

( 1 1 1 . 38)

Здесь , п р и н ято что решетка п рофилей расположе н а на цил индр и ­ ческой п овер х ност и , поэтому ик = и 2 = и, а wк = Wmax · Подставим выражен и е (1 1 1 . 38) в (1 1 1 . 32' ) . Тогда

так как по основному уравнению турбины

(ci - wi) -- (с� - w� ) = 2 u (cu l - Cu2 ) = 2gH .

( I I I . 39)

:К роме того, и з уравнен и я Бернул л и (1 1 . 2) дл я точк и 1 ( р и с . 1 1 . 1 ) н а в ходной кромке и точк и с м и н имальным давлен ием ( 1 1 1 .40) с лед ует т•

99

Отсюда м и н имальный коэффициен т давления -• р .

_

m1n -

P mtn

- pl

=

2 wi

р -2

2 Wm a 2x

1-

w

i

(I I I .4 1 )

В п . 2 было показано, что м и н и мальный коэффициент давлени я р авен к р итическому значен и ю числа кав итац и и kк , вз ятому с обратным зна ком (1 . 6' ) . Таким образом, у словие (Ill . 38) соответствует услов ию

(J"

уст - 0тур б -

•

(1 1 1 . 4 2 )

Ч исло кавитаци и k является а налогом кавитационного коэф­ фициента установки а ус т · Оно может служить па раметром, харак­ теризующи м степень развития кавита ци и , есл и его вел ичину срав­ н ивать с вел ичи ной к ритического числа кавитаци и kкр · К р итер ием подоби я ч исло кавитации н е явл яется . Критическое з начение числа кавитации kк р явл яется а налогом кавитацион ного коэффициента турбины а:у р б ' И тот, и другой являются следствием основного к р итер и я подоби я Эйлера и сами могут служить к р итер и я м и подоб и я , так же как любым образом составленные коэффициенты давлени я . Коэффициент давле н и я в формуле (1 1 1 .4 1 ) следует отл и чать от часто п р и мен яемого п р и р асчете п роточной части г идрот у р б и н коэффициента давлен и я , отнесенного к скорости w 2 ,

р-** - Р - Р2 -

2 w 2

Рт

(I I I . 43)

.

В экспе р и ментальной аэродинамике обычно п ри мен яется коэф­ фициент давлени я , отнесенный к скорости Vro (1 . 5) и л и средневек­ тор ной скорости W ro р

где

Можно показать, что

р*

1 00

=

1 - ( 1 - р**)

=

p - p ro 2 w ro -2р

1�

'

( :: ) 2 = 1 - ( 1 - р) (:: у ·

( I I I . 44 )

( I I I .45 )

( I I I . 46)

д н а логично могут быть образова н ы разные числа кавита ции k и kк р · П р и анализе э кспер и ментал ьных и расчетных резул ьтатов м о жно сопоставлять тол ько соответствующие друг другу коэф­ ф и циенты давле н и я и числа кавитаци и . В в ыражен и я дл я коэффициентов давле н и я (1 1 1 . 4 1 } , (1 1 1 . 43) и (1 1 1 . 44) входят з начен и я давлений и скоростей пе ред и за р ешеткой и л и соответств ующие с редневекто рной скорост и . Эти вел ичины р а з личны для разных решеток п рофилей , составл яющи х лоп астн ую с истему рабочего колеса, и дл я турбины не являются внешни ми , з а да нными наперед параметрами . По этому в гидротурбинах п ри ме­ н яет ся и ногда другой ко эффи циент давле н и я , названный в работе [ 83 ] относител ьным давлением li*

=

!!_ _ в _,Ус... ....,.,н.--

( 1 1 1 .4 7)

Здесь В - напо р , соответствующий атмосферному давлению, и Н - напор турбины - всегда известны . В точке п рофиля с ми­ н имал ьным давлением P mtn P m1 n

-- В

li�in = _У-'-----;-н;---

( 1 1 1 . 47' )

Сопоставл я я формулу ( 1 1 1 . 4 7 ' ) с зависимостью ( 1 1 . 1 4) , пол учаем

О"ту р б •

=

-

h min

-·

-

н

1./

( 1 1 1 . 48)

и п р и Н5 = О ( 1 1 1 . 48') Таким образом, относительное давление при Н5 = О равно кави ­ тационному ко эффициенту турбины с обратны м з н а ком . Нет р удно видеть , что равенство ( 1 1 1 . 48') аналогично равенству (1 . 6' ) , с вязываюЩему м и нимальный коэффициент давле н и я и к р итиче­ с кое число кавитации . По резул ьтатам испыта н и й изоли рованного п рофиля в кавита­ ционной трубе тоже можно в векоторой степе н и судить об обтека­ н ии п рофиля в решетке рабочего колеса . П р и чем обтекание изо­ л и р ован н ого п рофил я отл и чается от обтекан и я п рофил я в решетке тем меньше , чем меньше густота решетки l/ t, т. е. чем быст роход­ н ее решетка . На р и с . 1 1 1 . 2 п редставлена с хема изол и рова н ного п роф ил я в р абочем участке кавитационной трубы . Ско рости и да вл е н и я до и после изол и рованного п рофиля один а ковы, поэтому п ри с равнени и с решетко й , у которой скорости и давле н и я н а в х оде и выходе различны, вместо услови я (1 1 1 . 34) п р авильнее n ри н ять следующее : ( 1 1 1 . 49) 101

и вместо услов ия (1 1 1 . 33) следующее : Рсо

= Pt +

Отсюда

p w2 pw2 co i -2- - -2р с2 2

· p w2

(I I I . 50) pw

2

H - H s ) - -1 + 2 . 21 - � р = ,'r (B _j_ ' :ю

( 1 1 1 .50' )

t;_� ::

',·

�"___ � _

ое ___._

--·

Рис. 1 1 1 .

2

.

Схема изол ирован ного профил я в р абочем участке кавитационной трубы

Выпол н и в а налогичные выше п р иведенным п реоб разован и я , пол учим дл я сл учая испыта н и я изол и рованного п рофиля (I I I .5 1 ) ( 1 1 1 .52) Формулы (1 1 1 . 5 1 ) и ( I I I . 52) используются п р и анал изе пол у ­ чен н ы х резул ьтатов и увязке и х с конк ретными режимами работы турб и н ы . Коэффициенты давлен и я являются к р ите р и ями подоби я и оди­ н а ковы в сходственных точ ках подобных турбин п р и изогонал ьных режима х . Поэтому эпюры давле н и я дл я сер и и подобных турбин п редставл я ются в в иде кривых зависимости коэффициента давле­ н и я от без размерной коорди наты конту ра п рофил я лопасти ( р ис . l . 3 , 1 . 8) . Аналогичные без разме р н ые эпюры давлен и я могут быть п редставлены в коо рди ната х относител ьного давлени я h* - s/ L , где L - пол н а я дл ина контура п рофиля и s - коорди н ата точк и по конту р у , н а ч и н а я с выходной кромки п рофил я . П о без р азмерно й эп юре , пе ресчитав ординаты по фо рмула м 1 02

h* = ..!!_ - В - = Hh* у

( 1 1 1 . 53)

р, кгсjсм2 2, 2 г----т-

Р и с . 111 . 3 . Размерные эпюры р асп ределения давления по одному и тому же п рофилю ло­ п асти реактивно й тур ­ б ины п р и изменении напора и высоты отсасыван ия : 1 - исход н а я п р и Н1 и HS ! = О ; 2 - п ри н 2 > > Н1 и Н5 = Н5 1 = 0 ; 2 .J - п р и Н 3 > f/ 2 > Н1 и Н5 3 = Н S = Н S l = О '· 2 11 н4 = Н 4 - при H S 4 > H l = О; 5 -1 п ри S н а_ = н

н 1 -1 = >

H S4

и

н sr)

г

О, Ч

>

-о г L-���-�� �-r--г-� --�

Р mt'nJ Pmи l5

1 03

или

_.!!___ = В + Hh*, у

(i l l . 54)

можно получить избыточн ые и л и абсолютные давлен и я в метра х водяного столба дл я кон к ретной турбины и построить разме р н ую эпюру давлен и я . Обозначим через h� и h� вел ичины h* и h" п р и Н 5 = О . Тогда фо рмулы (1 1 1 . 53) и ( 1 1 1 . 54) п реоб разуются к виду : ll< =

и

Hh� - Hs

р = B + Hho - Hs . _ ,

у

( I I I .53') ( 1 1 1 .54')

Обычно н а без разме р н ы х эпюрах давления по оси о рди н а т откладываются величины h�. Н а р и с . 1 1 1 . 3 п редставлено нескол ько разме р н ы х эпюр в абсолютных давле н и я х . Исходна я эпюра 1 построена дл я некоторого значе н и я напора Н 1 и высоты отсасы­ в а н и я Н5 1 = О . Вся эпюра н а ходится выше л и н и и р = Pd и , сле­ довательно, P min > P d и кавитаци я отсутствует. Есл и напо р увеличивать, то п ропорционал ьно воз растет разность о рдинат между верхней и н ижней частями эпюры . Есл и п р и этом остается Н5 2 = О , то п р и некото ром з начен и и напора Н 2 > Н 1 эпюра достигает л и н и и р = Pct и , следовател ьно, P m1n 2 = Pd • О'тур б = = О' уст • должна возникнуть кавита ци я . Этому сл учаю соответ­ ствует н а р и с . 1 1 1 . 3 эпюра 2. П р и дал ьнейшем увел иче н и и напора м и н имал ьное расчетное давление теоретически может стать мен ьше давле н и я п а раобразован и я и даже мен ьше н ул я . Другими словам и , в жидкости воз н и кают р асчетные растягивающие н а п р яжен и я (эпюра 3) . Н а лопасти п р и этом и меет место целая з о н а с давлением н иже давления п а раобразован и я п ротяженностью l р з · Есл и п р и неизменном напоре увел ичивать высоту отсасыван и я , то вся эпюра , не мен я я свои х очерта н и й , опускается вниз и п р и некото­ ром з начен и и Н54 достигает л и н и и р = Pd и, следовательно, тоже должна возникнуть кав итаци я (эпюра 4) . При дал ьнейшем увел иче н и и высоты отсасыв а н и я P min становится меньше Pd и тоже воз н икают растягивающие н а п р яжен и я (эпюра 5) . Если P m1n з = P m1n 5 < Pd • то, как обращено вн иман ие в р аботе ( 87 ) , l р з < lp 5 , т . е . п р и мен ьшем напоре протяженность зоны раз реже­ н и я на п рофиле бол ьше , чем п р и бол ьшем напоре. Здесь мы рас­ смотрел и т рансформацию эпюры давлен и я одно й и той же лопасти п р и изменен и и напора и в ысоты отсасыван и я . До с и х п о р р ассматривал ись услов и я подоби я момента н ачала кав итаци и . После воз н и кновен и я кавитаци и имеет место двух ­ фазное течен ие, воп росы модел и рова н и я кото рого пока недоста ­ точно разработа н ы из-за бол ьшой сложности . Можно л и шь утвер ж­ дать , что дл я ыодел н рован и я та к и х тече н и й , к роме рассмотренны х выше к р ите р иев, до.'l жн ы быть учтены к р итер и и подоби я сил пове р х •

1 04

u ост н ого натяже н и я (крите р и й Вебера) , сжимаемости жидкости ( к р ите р и й Маха} , ряд к р ите риев подоби я те рмоди намических n р оце ссов , подобие расп ределе н и я газовых в ключен и й как по кол и честв у , так и по размерам в сходствен ных объема х жидкости

]. [ 3 9Пр и

испыта н и и удается обеспечить л и шь частичное подобие , что n р иводит к n оявлен ию масштабного эффекта. 1 6. М АС Ш ТА Б Н ЬI R ЭФФЕ К Т К А В И ТАЦИ И

В ыше рассмотрены услови я подобия момента н ачала кави ­ т а ци и . Показано, что в п редела х с хемы идеальной жидкости (п ре­ небрегая поте р ями) и п р и п ренебрежении вел ичиной hк (hк = О) момент н ачала кавитации в гидроту рби н а х удовлетвор ительно модел и р уетс я . Одна ко упом я н утые тол ько что доп ущен и я , а та кже другие неучтенные обстоятельства п риводят к том у , что фа кти­ ч ески н а модели и натуре кавитаци я начинается п р и несколько раз личных кавитационных коэффициента х установк и . Это раз­ личие п р и н ято называть масштабным эффектом . Положение еще бол ьше осложняетс я , когда р ассматриваются режимы с достаточ­ ной степенью развития кавитации . При ходится исходить из доп у­ щени я , что п р и один а ковых отклонен и я х числа кавитации от его критического з начен и я ил и кавитационного коэффициента тур ­ бины в подобны х установ к а х кавитационные тече н и я подобны. Н иже исследуется вл и я н ие разл ичных фа кторов н а степен ь факти ­ ческого отклоне н и я от подоби я по в нешн им па раметрам течен и я . Эти отклонен и я от подоби я тоже п р и н ято относить к масштабному эффекту . Рассмотрим некото рые обстоятельства, п р и водящие к масштаб­ ному эффекту кавитаци и и кавитационной эроз и и в гидротурбин а х . 1 . Выше мы исходил и и з того , что кавитаци я начинается п р и сн иже н и и минимал ьного давле н и я н а лопасти до давле н и я па рооб­ разовани я . В то же в ремя известно , что п р и некотор ы х весьма жест к и х л абораторных услов и я х вода может выдерживать без ка витаци и растя гивающие н а п ряжени я в нескол ько сот атмосфер . В услови я х реал ьных тече н и й могут создаваться разл ичные с иту­ ац и и по ту рбулентности , газосодержанию, спектру газовы х в кл ю­ чен и й , чистоте обработки обтекаемой повер хност и , абсолютной вел ичине скорости и п ротяженности зоны н и з кого давле н и я , кото­ р ые обусловят начало кавитаци и п р и средни х давлени я х , нескол ько м ень ш и х или даже нескол ько больших давлени я п а рообразова­ н ия . Н а п р имер , вода в услов и я х действующей ГЭС н асыщена в озду хом (а = 1 , 8 + 2 ,0 % ) , так к а к в водохранил ище вода по боль шой пове р хности соn р и касается с атмосферой . В л аборато р н ы х у ста новка х воздухосадержа н ие воды , как п равило, мен ьше и с оставл яет а: = 0 , 2 + 1 , 5 % , так к а к н ад свободной пове рхностью с оздается пои ижеи ное давление и воздух выдел яется из воды . К р ом е того, п рочность воды определяется максимал ьным за роды! ()(?

шем, а вероятность появлен и я максимал ьного за роды ша бол ьше в бол ьш ем объеме жидкост и . Исходя из эти х сооб раже н и й , п ро ч . ность воды в н ату р н ы х услов ия х дол жна быть мен ь ше и кав и . т ация там должна начинаться ран ьше, чем в лаборатор н ы х уело. в и я х . Н о , с другой сторон ы , есть основа н и я считать, что п рочность воды оп ределяется не общи м , а свободным воздухосодержаниеl\I , нал ичием перастворен н ы х газовых за родышей . В лаборато р ны х замкнутых установках в п роцессе кавитаци и ген е р и р уются газо ­ вые п узы р и , и свободное возду хосадержа н ие доходит и ногда до а св l Q-5 % , а в нату р н ы х услов и я х , особенно н а высоконапо р ­ н ы х ГЭС, вода пе ред поступлен ием в турби н у подве ргается бол ь­ шому сжатию, что п р иводит к растворению значител ьной части кавитацио н н ы х за родышей , и свободное возду хасодержание с н и ­ жается н а нескол ько порядков, доходя до а св = I Q-9 + l 0- 10 % . Эти п роцессы у п рочн я ют воду в н ату р н ы х услов и я х и с н ижают ее п р очность в лаборато р н ы х уста новка х . Пока трудно сказать , какие из эти х п роцессов п ревал и руют и и меют л и о н и вообще п р а к­ тическое з н ачение в гидроту рбост роении . П р и исследова н и и обтека н и я изол и рова н н ого п рофил я на кавитационной т рубе п у ­ з ы р ьковая кавитаци я воз н и кала п р и разных давлен и я х , отл ичаю­ щихся от давлен и я п а раобр азов а н и я иногда до ± 0 , 5 м вод. ст . , п р ичем за истин ное давление п р и н ималось давление по эпюре , полученной п р и бескавитацио н н ом обтекани и . П р и пленоч ­ н ы х фо рма х кавитации эпюра давлен и й бескав итационного об­ тека н и я сильно деформи р уетс я и оп редел ить исти н н ое давле­ ние начала кавитаци и затрудн ител ьно, н о статистически устойчи ­ вое начало кавитации имеет место п р и давле н и и па рообразова н и я . 2 . Мы исходил и из того, что дл я возни кнове н и я кавитации достаточно, чтобы в одно й какой-то точке давление было равно давлению па рооб разова ния . В де йствител ьности , дл я того чтобы ка вита цио н н ы й за родыш развился до кавитационной каве р н ы , необходимо , чтобы о н , хоть и небол ьшое , но конечное в ремя испы ­ тывал растягивающие нап р я же н и я . Таким образом, кавита ция воз н и к нет тол ько в том случае , есл и в достаточно п ротяженной зоне будут и меть место конеч н ые растягивающие н а п р я жен и я ( 1 1 1 . 55) z = Pd - р 1 , =

т. е .

( 1 1 1 . 56) П р и р а в н ы х кавитацио н н ы х коэффициента х устан ов к и вел и­ чины растя гивающи х н а п р яжен и й z и продолжител ьности их действ и я н а кавитационный зародыш разл ичн ы . Это тоже обуслов­ л ивает масштабный эффект . 3 . Кавитацион ный коэффициент турбины оп редел яется п р и л або рато р н ы х ис п ыта н и я х модел и н а кавитацион ном стенде . П р и этом, как отмечалось в п . 7 , дел ается допущение о том , что , во­ первых , рез кое изменен и е эн е р гетически х п а раметр ов п роисходи т 1 06

в м о мент начала кавита ции и , во-вто р ы х , что кав итаци я нач и на ­ п р и достижен и и м и н имал ьного давле н ия на лоп асти рабочего к ол еса вел ичины да влен и я па рооб разова н и я . О вто роl\1 доп уще н и и г ово р илось выше . Пе рвое допущение тоже влечет за собой се р ь­ е зн ы е масштабные п роявлен и я . Опыт экспл уатаци и гидротурбин 11 л або рато рные исследова н и я [57 1 уже давно показал и , что кави ­ т а ц ия и кав итацион ная эроз и я н аблюдаются задолго до рез кого 113ыенен и я энергетичес к и х п а р а метров . На эне ргетические п а р а кавитация н а ч и н ает 1\ I етр ы 1, 0 0, 8 0.9 0, 7 О, б / 0. 5 8/L в л и ять п р и достаточной степе н и в т� t,о 0, 0, 2 O,J 1 ра звити я , а услови я для воз­ 0,8 l н ик новен и я кавитацион ной эро­ з ии создаются п р а ктически од­ нов ременно с воз н и к н овением 0, 6 ка витаци и . П р иведеиные в ы ше .A'v-' Ртт спJ .......::_3 за висимости дл я кавитационного коэффициента турбин ы по­ 1 лучены и з анализа бескавита­ 0, 2 цион ного течен и я . Таким обра­ v fJd зом, формулы подоб и я , в ыве­ о ден н ые дл я услови й бескавита­ _j, / � Pmin cпl ционного тече н и я , фактически '( 7 Pmiп сп? пр именяются к кавити р ующим - 0. 2 потокам . р' Н а степень несоответствия -0,4 моментов начала кавитаци и Gтурб и измене н и я внешн и х п а рамет- -О, б Pтi n n ров сrтурб вли яет х а р а ктер рас­ п ределен и я давления п о лопас- -0, 8 т и . П р и в ы равненной эпюре н а Рис . 1 1 1 .4 . Эпюры расп ределения дав­ тыльной пове р хности лопасти ления по профилю лопасти реактив­ ной турб и н ы : небол ьшое у мен ь шение давле­ - кр утаияя; 3 - с п иком н и я п о сравнению с давлен ием 1 - пол о rая; 2разрежен па раобразова н и я п р иводит к резком у увел ичению п ротяжен ности зоны растягивающи х н а п р я ­ жений ( р и с . 1 1 1 . 4 , 1) , что создает услов и я дл я достаточ ного срыва п а раметров развития кавитаци и за рабоч им колесом. В этом сл учае разность Gт ур б - G у р б = 8cr (I I I . 57) етс я

\\ \\ � l\ �

0,4 1 1

2J 1 1/

т

нев ел и ка . Есл и эпюра к р утая ( р и с . 1 1 1 . 4 , 2) , то 8cr воз растет . С рыв наступ ит тол ько тогда , когда мин имал ьное давление основ­ но й части эпюры P mt n сп станет существенно н и же давления па ра­ образова н и я . Н а эпюре расп ределен и я давле н и я по п рофилю в решетке и меется и но гда н е одно , а два значен и я м и н и мального давле н и я ( р и с . 1 1 1 . 4 , 3) : в зоне п и ка разряжен и я н а в ходной к ромке - P min п и в сред­ не й части с п и н к и п рофи л я - P mt n сп · Соответственно по фо рмуле

1 07

(1 1 . 14) могут быть пол учены два значения кавитацион ного коэф­ фициента турбины - а: ур б . п и а; ур б . с п · Так как п ротяженность ч асти лоп асти с р � P m t п п очен ь мала, кавитация не успевает развиться п р и P m t п п Pd и начинается п р и некотором давлен и и р ' � Pd • но бол ьшем, ч е м P m i n п · Чем более развит вдол ь п рофил я р' п и к раз режен и я , тем меньше разность I!J. p P m tn п · Но кавитация в п и ке раз режен и я , как п равило, не вли яет н а форми=

=

-

J

lj , J

lJ

Рис .

1 1 1 . 5.

График зависимости

ТJ =

f (ауст) и

1

= f (ауст)

рование потока за рабоч им колесом и не п р иводит к срыву эне р ге­ тичес к и х п а раметров . Рассмотрим обы ч ную с рывную к р ивую, которая пол учается п р и кавитационных испыта н и я х н а кавитационном стенде ( р и с . 1 1 1 . 5) . По оси орди н ат будем откладывать з н ачения к . п . д. П р и уменьше н и и кавитационного коэффициента установки в п роцессе испытан и й к . п . д. сначала остается посто я н н ым и в какой-то момент резко умен ьшаетс я . Соответствующее значение а у ст ауст . к р п ринима­ ется равным ат урб · П р и этом, к а к уже говорилось, и меет место достато ч н а я степень развития кавитации . Следовател ьно, н ачалась сr; ур б > G ту р б · Выше кавитация п р и некотором з начен и и сr у ст было показано, что кавитационный коэффициент =

=

Gт ур б *

=

8 _ P .n t n _ H s 'У"_,_ Н __

___

явл яется к р итер ием подобия и остается неизменным дл я сер ии п одобных турбин п р и изогональных режимах . П р и О"уст = сr; ур б дл я всех подобн ы х турбин P m t n = P d (кривые 2 и 4 на р ис . 1 1 1 . 3) . 1 08

Из а на л иза у равнен и я Бернулл и вдол ь л и н и и тока в п роточной

ч а ст и ту рби ны (п . 7) следует, что ' Pd - Pтln ----ун- = <Jтур б - <Jу ст

( I I I . 58)

•

Р азность ( I I I . 59)

я вл яется вел ичиной н а п р яжен и й в жидкости При <J уст <Jтур б z = О , в т очке мин имал ьного давле я . р а стя гивающие напряже н и я от тствуют . Т а к как <J т у рб < а :ур б• z > О, т. е . имеют место растя г и ­ то п р и а уст = <Jт ур б P m1n < Pd ва ющие н а п р яжен и я . В реальных услов и я х , как уже отмечалось, растя гивающие напр яжения п р а ктическ не могут сох ран иться . Жидкость разры­ витаци я . Но ест ственно п редположить, ваетс я , развивается щие н а п рJIЖ и я п р и формал ьном что чем больше ра яги теоретическом расе трен и и . м п родолжит ьнее они действуют на элемент объема жидкости ;"те в действител ости в бол ьше й степе н и п р и п рочи х р ав н ы х услов !}: я х развита кав итаци я . Рассмотрим две под Ie турбины п р и изогональных режи мах, р аботающи х п р и раз .тiИ апорах Н11 и Нм . В обо и х слу­ чая х кавитационные коэффи енты установ к и оди наковы и равны кавитационному коэффицие � ту турбины =

( 1 1 1 . 60 ) (Jу ст. н = <Jу ст . м = <Jт ур б · Температу ры воды и давле н и я п а раобразова н и я тоже равны Рdн = Рdм = Pd·

Тогда в соответстви и с формулой (1 1 1 . 5 8 ) Pd - Pmln н v нн

Pd - Pmln м = <Jт ур б - <Jт у р б • VНм •

т. е . (I I I .6 1 )

Таким образом, условие ( 1 1 1 . 60 ) , из которого исходят п р и вы боре высоты отсасыва н и я нату рной турбин ы , п р иводит к тому (р ис . 1 1 1 . 6 ) , что теоретические растягивающие н а п ряжен и я в н ату р ­ н ых услов и я х оказываются бол ьше, ч е м н а модел и , во стол ько ра з , во сколько напор н атуры бол ьше напора модели (Нн > Нм ) · В п . 3 было введено пон ятие относительной п ротяженности з он ы действи я растя гивающи х н а п р яжен и й (рис. 1 1 1 . 6 ) -lр - т lp · 1 09

Н а модел и и н а нат у ре эта вел и ч и н а оди н а кова п р и собл юден и и услов и я ( I I I . 60) . Действ ител ьно, растягивающие н а п р яжен и я z по фо рмуле ( I J 1 . 55) п ропорциональны напору не тол ько в точ ке с М И Н И l\Ш Л Ь Н Ьi l\1 давлен ием P m in (J 1 1 . 59) , но и в любой др угой точк е п рофил я , где р � Pd · Следовател ьно, в точка х , где р О, Pd и z которые огранич ивают зон у действ и я растя гивающи х н а п ряже н и й , п ри любом напоре сох ранится fJ. кгсjсм 2 условие z О . Вел и ч и н а -lp б у­ 2, 0 ,.---,--- т--.,.----.,г---т---1 дет оставаться неизмен ной . Продолжител ьность дейст­ в и я растя гивающи х н а п р яже­ н и й н а элемент а р н ы й объем дви­ жущейся жидкости можно оце­ н ить по фо рмуле lp t=, ( I I I . 62) w =

=

=

1, 2 t--t--t--t-=-t--t-1

о ---;:.;--;;';;; -;t-;-�,...f.-н -o в т= f, ог f,-'-

где w - средн я я скорость дви­ жен и я в зоне действия растя­ гивающи х н а п ряжен и й . Так как относител ьная п ротяжен­ ность зоны оди н а кова дл я модел и и н ату ры, очевидно, что абсолютное ее значение ( 1 1 1 . 63)

Скорость течен и я в л юбых сход­ ственных точках подобных тур ­ б и н п р и изогональных режимах п ропорционал ьна корню квад­ ратному из напора

w

Рис. 1 1 1 . 6 . Эпюра расп ределения дав­ ления по п рофилю лопасти п р и 1

-

а уст = cons t :

lf м ;

2

-

lfн

>

lfм

�

vн.

( 1 1 1 . 64)

Следовател ьно, отноше н ие п родолжител ьности действ и я растягивающи х н а п р яжен и й в натуре и модел и ( 1 1 1 . 65)

Уравнение (1 1 1 . 65) по существу учитывает требов а н и я кр ите­ р и я подоби я Рейнга рда . Т а к и м образом , увел ичение размеров п р и переходе от модел и к н атуре п р иводит к увел ичен ию п родолжител ьности tн п о срав­ нен ию с tм , а увел ичение напора уменьшает вел ичину tн по срав ­ нен и ю с tм . Одна ко · в реактивных гидроту рби н а х , имея в вид у кавитационные модел ьные испыта н и я , размер ы модел и и натуры 1 10

р азл и чают с я , как п равил о, в бол ьшей степе н и , ' чем, напо ры . К ром е т ого, отноше н ие напор ов в фо рмуле ( I I I . 65) наход итс я под ко р­ н ем , и потом у его вл и я н ие · еще мен ьше . Поэто м у п ракти чески всегда п родол жите л ьност ь дейст в ия растя г иваю щи х н а п р яжен и й в нат у р н ы х услов и я х бол ьше , ч е м в модел ь н ы х . Та к и м образ ом, п р и о�И наков ых кавит ацио н н ы х коэфф ици ­ ента х уста новки 1\Юдел и и '(нату ры степе н ь разви ти я кавит ации в н ату р н ы х услов и я х всегда больш е . Это справедлив о та кже 111 том сл учае, есл и испыт ан ия д я тся п р и натур ном напор §�· Дейст в ител ьно, раз напор п рово­ ы оди на ­ к овы , то и растя гивающие н а п ряже н и я и скоро сти обтек а н и я т оже оди наков ы, но п ротю}(енность з о н ы дейст ви я р астя г иваю­ щ и х н а п р яжен и й в н атуре больш е и , следо вател ьно, степе н ь р а звити я кавит ации тоже бол ьше . К тому ж е воп росу можн о подой ти неско л ько и н аче . Предп оло­ жи м , что паде н ие к. п. д . на модел и и на н атуре п роисх одит п р и оди н а ковой относ ител ьной степе ни разви т и я кав итаци и . Пусть т а кже степе н ь разви тия кавит ации характериз уется тол ько рас­ четно й велич иной растя гиваю щи х н а п р яжен и й . Продолжи тел ь­ ность ю и х дейст в и я пока п ренеб регае м . Следо вател ьно, полаг аем, что Zmax н = Zmax

Тогда

Zmax

=

м=

Zmax •

( 1 1 1 . 66)

Pd -- Pmi n н = Pd - Pmin м = уЯм { а� урб . =

Отсюда получ аем

уЯн { а� урб . н - атурб.

ат ур б . м = ат урб . '=

и ат ур б . • Та к к а к а турб * - атурб . то оказы ваетс я , что

н

н

'

= ату р б .

н)•

атурб

м

)

=

м - ZmуНaxмм

( 1 1 1 . 67)

- Zmax уНнн

( 1 1 1 . 68)

н

·

а� урб И П О ус ЛОВИ Ю Zmax м = Zшах н = Zm ax ,

ат урб. н = ату рб. м

1

Т

Zmax ( 1 1 ) ' Нм - Нн У-

или атурб .

м -

н = атурб . м + { атурб - атурб . м )

О бы чно Ян > Ям и , следова тел ьно, ат урб. н

> атур б . м ·

( 1 - Z:)

( 1 1 1 . 69)

·

( 1 1 1 . 70)

(1 1 1 .7 1 ) 111

Таким образом , срыв энергетических па раметров в н ату р ных услов и я х должен п роисходить р а н ьше ( п р и больших значени я х кавитационного коэффициента установки) , чем н а модел и . Име ет место так н азываемый от р ицател ьный масштабн ый эффект - кав и . тацион н ые качества нат у р н о й ту рбины хуже , чем модельно й . Пр ичем, к а к в идно из фо рмулы ( 1 1 1 . 70) , масштабный эффект т ем бол ьше, чем больше отл ичаются друг от друга напоры модел ц и н ату р ы и чем п р и бол ьшей степе н и развития кавитации начина. ется в л и я н ие ее н а энергетические п а рамет р ы (т. е . чем бол ьше ба = сr�у р б - сrтур б ) . Есл и Нм = Нн , то п р и сделанных доп уще н и я х масштабного эффекта нет . А . Тено п редлагал в свое в ремя [97 ] считать к р итер ием иден­ тичности режимов в кавитационном отноше н и и вместо условия ( 1 1 1 . 60) (Jт у рб.

условие ( 1 1 1 . 66)

н = (Jт ур б. м

Н о одно последнее условие тоже не может служить к р итерием иден­ тичности режимов . Ве рнемся к схеме н а рис. 1 1 1 . 3 . Эпюры 3 и 5 удовлетво р я ют условию ( 1 1 1 . 66) , н о п р и этом относител ьная п ротяженность lP зоны эпюры с давлен ием р < Pd п р и мен ьшем напоре оказывается больше, чем п р и бол ьшем . Скорость дв иже н и я потока п р и мен ьшем напоре мен ьше . Следовател ьно, п родолжи ­ тел ьность п ребыва н и я зародышей кавитации в зоне раз реже н и я будет зависеть о т соотноше н и я абсолютных размеров т у р б и н ы и скорости потока . Таким образом , есл и п р и модел и рова н и и выдержи­ вать условие ( 1 1 1 . 66) вместо обычно п рименяемого услови я ( 1 1 1 . 60) , то очевидно , что идентичности развития кавитации в н ату рных услови я х тоже не добиться . П ричем в некоторых случа я х при со­ блюде н и и услови я ( 1 1 1 . 66) может оказаться , что на модели кавита­ ция будет более развита , чем на н атур е . Практический и нтерес , н а п риме р , п редставл яет анализ роли вел ичины напора при модел ьных испыта н и я х . Пусть одн а и та же модель исп ытывается п р и дву х разл ичн ы х напорах Н 1 и Н 2, п ричем

Н1 < Н 2 •

П р и первых испыта н и я х получена �ел ичина сrт ур б 1 • Если п р и вторых испыта н и я х п р и н ять сr у ст 2 = сrт урб 1, то в соответ­ ств и и с изложенным выше lP 2 lP 1 и lp 2 = lp 1 и продолжи­ тельность п ребывания элементарного объема жидкости в зоне раз реже н и я обратно п ропорциональна корню из отношения напо­ ров ( 1 1 1 . 65) , т . е . t 1 > t 2 • С другой стороны, по услови ю ( 1 1 1 . 6 1 ) z 1 < z 2 • Поэтом у з а р а нее с казать, п р и каком н апоре кавитаци я будет бо .т1 е е развита , нельз я . Может быть и так , что сrт урб 1 > сrт урб 2 · Это зависит от кон к ретного х а р а кте ра эпюры р аспределен и я дав ­ .'lе н и я , от свойств воды . =

1 12

Е с л и же n р и вто р ы х исп ыта н и я х n р и н ять а ус т 2 из услов и я 1 Zmax 2 И , следовател ь н о , О"уст 2 > О" т у р б 1 • Т О tp l > [р 2 И lp t > l p 2 • а Zmax

=

Следовате л ьно, п р и оди н а ковых вел ичина х максимальных р а стя г и вающи х н а п ряжен и й n р одолжител ьность их действи я nри �� а лом н а nоре значител ьно бол ьше . В этом сл учае можно заранее с к аз ать , что п р и ма лом н аnоре кавитаци я будет более развита . П роведенный анализ убедительно показывает, что кавитацион ­ н ый коэффициент турби н ы в н ату рных услови я х во всех реальных сл у ч а я х больше, чем в модел ьных услов и я х , хотя степень разл и ­ ч и я эти х коэффициентов все-та к и меньше , ч е м следует и з формулы (1 1 1 . 70) . Правил ьнее эту фо рмулу п редставить в следующем в иде : О"ту р б .

н

= О"ту р б .

м

( z:) .

+ т ( а� у р б - О"ту р б . м ) 1 -

< I I 1 . 70')

где коэффициент т < 1 подлежит определен и ю в б удущем . Из а н ализа с ледует также , что кав итацион н ы й коэффициент установ к и , который обычно п р и н ято сч итать к р итерием подоби я п р и к а в итаци и , в дей ствител ьности не является таковым . П р и равенстве эти х коэффициентов различны и вел и ч и н ы растягива­ ющи х н а п ряжен и й z , и п родолжител ьност и и х действ и я t н а эле­ мент объема . Оди наковы тол ько относител ьные п ротяженност и зоны действи я растягивающи х н а п р яже н и й lP ( р и с . 1 1 1 . 6) . Тол ько в этом огран иченном смысле можно кав итацион н ы й коэффициент установ к и считать к р итерием подоби я . 4 . В ыше отмечалось, что n р и модел и рова н и и гидротурбин крите р и й Рейнольдса п р а ктически н икогда не в ыдерживается . Ч исло Рейнол ьдса в н ату р н ы х услови я х обычно н а оди н -два порядка бол ьше, чем на модел и . Это п р иводит к тому , что и к р ите р и й Эйлера фактически в ыде рживается тол ько п р и бл из ител ьно, что тоже вл ечет за собой р азл и ч ие в кав итацион н ы х коэффи циента х тур­ б и н ы модел и и н ату р ы . Из-за различий в числ а х Рейно л ьдса на р ушается к и нематическое подобие, тра нсформи р уются эпюры р асп ределени я давле �:� и я , коэффициенты минимал ьного давления на модели и н а н атуре не совпадают друг с другом . В р аботе [ 66 ] п редставлены результаты экспер и ментал ьных исследован и й на к ав итационн ы х трубах масштабного эффекта воз н икновен и я ка­ вита ции п р и п родол ьном обтекан и и цил и ндров с закругленной но сово й частью и изол и ров а н н ы х с и мметричных п рофиле й . Ч и ­ сло Рейнольдса в n роцессе опытов изменялось н а п олтора-два п ор ядка в и нтервале от R e = � 1 05 до Re =� 1 07 к а к за счет раз­ м ер ов образцов , так и за счет скорости обтекан и я . Почти во в с ех случа я х к р итическое ч исло кавитаци и воз ра стает с ростом ч и сл а Рейнольдса . Одна ко дл я одного п рофи л я ( NACA 1 60 1 2) 8

Н . И . Пt,Jлаев

\Щ

пол учена обратная зависимост ь . В работе [49 ] это объясняетс я тем , что п рофи л ь NACA 1 60 1 2 относится к катего р и и лами н а р из и ­ рова н н ы х п р офилей . Поэтому режим лами н а р ного обтека н и я у него зат я н ут ы й , и ту рбулентн ы й погран ичный слой н а этом п ро­ филе уста навливается п р и знач ител ьно бол ьши х числах Рейнол ьд­ са, чем у п рофш1ей други х т ипов . Необычн ы й масштабн ый эф­ фект обус.rюв.1ен , по-в идимому, неуста новившимся режи мом те­ чен и я в погран ичном слое . В формул у дл я оп ределен и я кавитацион ного коэффициента турби н ы ( I I . 6) в ходит коэффициент поте р ь вяз кого трен и я н а уча ­ стке от точк и 1\Ш Н и мального давле н и я н а лопасти до н ижнег о бьефа , кото р ы й тоже я вл яется п р ичи ной масштабного эффекта . З а счет гл авным образом разн и цы в ч исл а х Рейнол ьдса потер и в н атур ­ ной турбине меньше, чем в модел ьной , а к . п . д. ее бол ьше . В . С . Кв ятковск и й [26 ] п редложил уч итывать масштабн ы й эффект п р и оп ределен и и кавитацион ного коэффи циента турби н ы с помо­ щью следующей фо рмулы : атурб .

н =

'll г . 1 атурб . м -,.,г. м

н '11 -

( 'll гг.. м н

'11- .•

1

) 'l']отс . м 'l']г . н '-"с 2 + ,.,. 2

( I I I . 72 )

Здесь Ч г - гидравл ичес к и й к . п . д . турби н ы ; 1'Jо т с - к . п . д. отсасывающей тр убы ; а с, - с ко росТН;)Й коэффициент, а нало­ гичный определ яемому по формуле ( I I I . 35) . П р и выводе формулы (1 1 1 . 72) п редполагалось, что 'll г . м = 'll oтc . м ( 1 1 1 . 73) 'll г . н 'll o тc . н Второй и т рети й член ы п равой части формулы (1 1 1 . 72) мал ы по сравнен и ю с первым членом, а при модел и рова н и и по Ф р уду тре­ ти й член ста нов ится вообще п ренебрежимо мал ы м . Поэтому в пер­ вом п р ибл иже н и и вто рым и третьим членами можно п ренебречь . Тогда пол у ч и м , что кавитационный коэффициент турб и н ы растет с увел ичением размеров и напора турбины п ропорционально росту к. п. д . Именно такую зависимость дл я кавитацион ного коэффициента турби н ы п редлагают А . А . Сабанеев и А . М . Ч истя ­ к о в [ 5 8 ] . Н . М . Щапов п ровел расчеты дл я некото рых кон к ретн ы х случаев по формуле В . С . Квятковского и п редложил [ 79 ] ее упрощен н ы й ва р и а нт дл я пе ресчета с модели н а н ату ру 'l'] г. н ( I I I .74) ат урб. 1 1 = 1 ' 1 7 атурб. м 'll г . м •

Анализи руя в л и я н ие вяз кости н а кавитацию в гидроту рбина х , необходимо обратить В Н И 1\18 Н ие та кже н а следующее обстоятел ь­ ство . Н а ося х дв иж у щихся в погран ичном слое ви х рей воз н и кают допол н итедьные, обычно п у л ьси р ующие раз реже н и я !1р, котор ы е 1 14

н р н водят к тому, что фа ктически кавитаци я начи нается еще p a lt ь ­ уже п р и ( I I I . 75) Pm ill Ptl : 11 р .

Jll e ,

-

=

Абсол ютна я ве.rшч и н а допол н ител ьного раз реже н и я зав исит от х а ра кте рист и к пог р а н ичного слоя . Очевидно, что п р и п лохо обр аботан ной пове р хности с бол ьшой ше роховатостью вел ичина до по л н ител ьного раз реже н и я бол ьше . Она воз растает та кже н а р е жи ма х работы с п л о х и м обтекан ием лопастей п р и нал ичии з н а чител ьных градиентов скоростей . Пр и бол ьших числа х Рей­ нольдса , т. е . в нату р н ы х услов и я х , допол н ител ьное раз режение, п о -видимому, меньше, чем при малых числ а х Рей нол ьдса , т . е. в модел ьных услов и я х . Дл я х а р а кте ристи ки начала кавитаци и с учетом допол н ител ь­ ного раз реже н и я можно ввести пон ятие о кавитационном коэф ­ фициенте турбины н ачала кавитации (рис. 1 1 1 . 5) :

О'турб . нач Очевидно , что

В_

( P mi n у

_

Н

др у

О'т урб. н ач > О'т у р б•

)

_

Н5

( I I I . 76) ( I I I . 77)

Дл я модел и и натуры вел и ч и н ы кавитационного коэффициента О' т урб. нач могут существенно разл ичатьс я , п р ичем, как п равило, О'турб . н ач . н < О'тур б . н ач . м· ( I I I . 78 ) 5 . Особенно сильно масштабн ы й эффект п роявл яетс я в кав и ­ тацион но й эроз и и . Многочислен н ые исследован и я показывают , что п р и п ра кт ическ и подобн ы х (оди н а ковые ч исла кав итаци и k или кавитацион н ые коэффи циенты уста нов к и О' у с т в подобн ы х с истемах) кавитацион н ы х тече н и я х и нтенсивность кавитацион­ но й эроз и и сильно зависит от абсолютной вел и ч и н ы скорости обтекающего потока . По дан ным тех н ической л ите рату р ы , и нтен ­ с ивность эроз и и ( 1 1 1 . 79)

где показател ь n имеет з н аче н и я от 4 до 10 по различным источн и ­ ка м [ 7 ] . З начен ие показател я n зависит от того, как оце н ивать и нтен ­ с и внос ть эроз и и , о т мате р и а л а , подвергающегося кавитацион ной Э !J оз и и , от формы воз н икающей кавитаци и , от степен и ее развит и я , от п родолжител ьности кавитацион ного воздействия и степен и уже n ро и зведенны х разрушен и й . Известно, что дл я каждого матер иала существует та к н азы­ вае мая порогова я скорость , п р и скор остя х н и же которой данны й м атер иал п ра ктически не р аз р ушаетс я от кавитаци и . }\,\еханизм эроз и и п р и р азных формах кавитаци и р азличен . П о да н ным экспер иментал ьных исследован и й , п р и третьей фор ме 8*

1 1 '5

ка вита ци и и достаточ ной степени ее р а звити я n � 9 . Пр и втор ой фор ме , а та кже при мен ьшей степен и р азви ти я тр етьей фор м ы к ав итации n Влияние с корости н а форму кавитации и л о к а ­ л изаци ю э р оз и и мало изучено . 6 . Дл я масштабного эффекта кавитацион ной эр ози и бол ьш о е з н ачение и меют абсолютные р азмеры обтекаемого тел а . К . К . Шальнев создал методику учета масштабного эффекта кавитацион ной эр озии п р и с рывной кавитаци и . В основу мето­ дики положено р авенство дл я модел и и натуры «энер гетичес кого пар аметр а» , т. е. удел ьн ого объема эр озии - потер и о бъема об­ р азца , отнесенной к еди н и це р аботы силы ве которой ч асти кави­ та цион ного сопротивле н и я модели , идущей , по утверждению автор а , н а производство кавитационных разрушений [ 7 1 ] . В р е­ зул ьтате рекомендова н а следующая формула масштабного эф­ фекта кавитационной эроз и и

< 9.

бvн бvм

=

( �lм ) 3 ( .5!..См ) 5 '

( 1 1 1 . 80)

где 11 vн и 11 vм - потери объема н атур ного и модел ьного образ­ цов ; lн и lм - хара ктерные р азмер ы н атуры и модел и ; с" и см ­ ха р а ктер ные скорости натур ы и модел и . Фор мула ( 1 1 1 . 80) достаточ но хорошо п одтверждается экспе ­ р и ментально [ 69 ] . Она утвер ждает, в ч астности , что объем или и нтенсивность эрозии пропор циональны кубу ли нейного р азмер а . Следует подчер кнуть, что н астоящая фор мула пол учен а дл я слу­ чая фи ксированной относител ьной дл и н ы кавер ны , что ограничи­ вает зону ее п р именимости . Пр и и зогональных режимах подобных тур б и н с оди на ковыми кавитаци онными коэффи циентами уста­ новки относител ьная протяженность зоны действ и я р астя гиваю­ щи х напр я жени й оди накова , н о абсолютна я протяжен ность р аз­ лична , что п р иводит, как было показано выше, к бол ьшей относи­ тельной степени р азвити я кавитаци и в н атур н ы х услов и я х , че м в модельных . Поэтому и нтенсивность эрозии в услов и я х нату р ной гидротурбины должна быть больше , чем получается по фор ­ муле ( 1 1 1 . 80) . Однако п роведеиные н а ЛМЗ ориентировочные сопо ­ ставлени я объема эрози и н а н атур ных · турби н а х и н а соответст­ вующи х модел я х пр иблизител ьно согласуются с дан ными фор ­ мулы ( 1 1 1 . 80) . Вопрос о масштабном эффекте кавитационной эрози и будет более подробно р ассмотре н в п . 2 6 . 7 . Дл я пр облемы масштабного эффекта проявлен и й кавитаци и важную р ол ь игр ает воздухосодержа н и е . В первом пун кте насто­ я щего пар а гр афа у же говор илось о вл и я н и и воздухасодержан и я н а момент воз н и кновени я кавитаци и . Этим вопр ос н е исчер пы· ваетс я . Общепризнано вл и я н и е газасодержан и я н а интенсивность эр озион ного воздейств и я кавитаци и . Ч ем бол ьше газа в жи д­ к ости , тем мене е интенсивн о р азр ушается повер хность . Однак о п р и р азны х ф ор мах и степени р азвити я кавитаци и вли я ние возду 1 16

х ос одер жа н и я на эрозию неодинаково . Дл я кол ичествен н ых оце­ но к пока недостаточ но экспер иментал ьных да н н ы х . Л . С. Шмугл я ков в свое в ремя пр овел кавита цион н ые исп ыта­ н ия э нер гетическим методом одной и з быстр оходны х пов/Jротно­ л опа стных турбин при р аз н ы х общи х воздухосодер жан и я х [ 76 ] . П о ег о да нным, кавитацион н ы й коэффи циент турбины О'т ур б воз­ р ос пр и мер но н а 25 % п р и увеличен и и общего воздухосадержа­ н ия а от 0 , 25 до 1 ,50 % . Л . С. Шмугл яков , используя формулу Л . А . Эпш тей н а и опыт­ н ы е да н ные Ф. Нумач и , предложил даже формулу дл я определе­ н и я поправки н а кавитационный коэффи циент турби н ы в зависи ­ мости от общего воздухасодерж а н и я

� 0'1, 2 =

8 ,48 ---н-

c:t1 - tJr-) ct2 < v-

•

( 1 1 1 .8 1 )

Здесь напор Н в м . Следует отметить , однако, что Л . А . Эпштей н и Ф . Н умачи исследовали вли я н и е воздухосадер жан и я н а момент возни кнове­ ния кавитаци и , а Л. С . Шмугл я ков п р и менил их дан ные дл я р аз­ витой стади и кавитаци и , соответствующей моменту изменени я энер ­ гетических пар аметров . По в л и я н и ю воздухасодер жан и я н а развитые стади и кавитации и звестны и другие результаты и сследо­ ваний . По опытам, п роводившимся н а ЛМЗ , в л и я н и е тоже обна ­ р ужено, но знач ител ьно мен ьш е . В опыта х , описа н н ы х в р аботе [ 2 ] , замечено в л и я н ие возду хосадержа н и я на дл и н у кавер ны р а звитой пленоч ной кавитаци и . В то же время при испыта н и я х н а кавита­ ционном стенде не обна р ужено вли я н и я возду хасодер жани я н а вел и ч и н у кавита цион ного коэффи циента турбины . 8. Н аиболее надежным показателем масштаб ного эффекта я в­ ляется ср авнение р езул ьтатов модел ьных испыта н и й с данными экс плуатации и нату р н ы х испыта н и й . Но так и х данных пока очень мал о . Кроме того , сложность пр оведения нату р н ы х испыта н и й и весьм а н изкая и х точ ность и надежность не позвол яют на и х основе делать уверенные заключен и я . При выбор е высоты отсасывани я н атур ной тур б и н ы , по данным модельных испыта н и й , ка к уже отмечалос ь , обязател ьно бер утся запасы . Поэтому турбины р або­ тают , как п р авило, п р и кавитацион ных коэффи циента х уста новки О'у ст .

н

)) О'т ур б .

м

( 1 1 1 . 82)

и п о тому факту , что в н атур ных услови я х обыч но не замечается су ществен ного снижен и я мощности и з-за кавитаци и , нельзя де­ лать в ывод о том, что О'т ур б .

н

<:': О'т у р б . м ·

( 1 1 1 .83)

Тем более , что два случ а я р езкого сн ижени я мощности по ср авне­ II и ю с р асчетной и з-за кавитации все-таки были зафиксированы ll a отечественных гидр оста н ци я х : н а диагональных турбина х Б у хтар ми иекай ГЭС и н а повор отнолопастны х тур б и н а х Ир кут­ с к ой гэс . 117

Г Л А В А IV

И С С ЛЕДОВАНИ Я Г ИД Р ОДИНАМ И К И КАВИТАЦИ И

1 7. РАСЧЕТН ЫЕ И СС Л Е Д О В А Н И Я

Основное вл и я н и е н а характер и параметр ы гидроди н амической кавита ци и оказывает р аспределение давле н и я по обтекаемой повер �ности и за ней . Причем кавитация п р и достаточ ной степен и р азвити я сама существен но вли яет н а р аспределение давлен и я , что очень огр а н и ч и вает возможности теор етического , р асчетного иссле ­ дова н и я кав итационных течени й . В п р а ктике гидратурбостр оени я теоретические исследова н и я пока сводятся к анализу вли я н и я н а кавитацию р асчетного распределен и я давлен и я бескавитацио н ­ ного потока идеал ьной жидкости . Современные методы р асчета позвол яют п р огнози р овать р ас­ пр еделение давлен и я в проточ ной ч асти и , в ч астности , по лопасти р абочего колеса тур бины в зависимости от режима р аботы . Зная р аспределение давлен и я по лопасти , можно зар анее р асчетн ым путем определ ить теор етическое з н ачение кавитационного коэф­ фициента турбины сr � у б по фор муле ( 1 1 . 1 4) . Таким обр азом от­ р кр ываются возможности р асчетного исследован и я вл и я н и я р аз­ л и ч н ы х констр уктивных параметров тур бины н а ее кав итацион · н ы е качества, характер изуемые теоретическим кав и тационн ым коэффи циентом турбины сr � ур б ' В ( 1 1 . 7) было получено выр ажени е дл я кавита цион ного коэффи циента турбины ( 1 1 . 6) ·

,

О'ту р б

=

(w�-u�) - (w�-u�) + c� 2gH

-

�к - 2

-

"

�2 - 3 •

Потер и н а участке лопасти от точ ки минимального давлен и я до выходной кр омки � к -2 малы и ими можно п ренебреч ь . Поте р и в отсасывающей тр убе �2- 3 можно выр азить ч ерез коэффи циен т восста новлен и я энер гии в отсасывающей тр убе 1'J от с

�2-3

=

с2

�

( 1 - УJот с ) 2g

•

(I V. l )

Квадр ат абсол ютной скорости н а вы ходе и з р абочего кол е са осевой тур б и н ы можно представить как сумму квадр атов ее осево й , 1 18

о к р у жной и р адиальной составл я ющи х 2 2 � 2 С2 = Cz, + Cu, + Cr , ·

( 1\1 . 2)

в бол ее общем случ ае, включающем р адиально-осевые и диаго­ на л ь ные турбины , вместо осевой н адо бр ать мер идиональную составл яющую ско рости C m и вместо р адиальной - поперечную с оставл яющую , пер пенди кул яр ную к C m и р асположенную в мер и ­ д иональной плоскости с1,

( I V. З)

Тогда

2

си. . + с;., О'турб = 'УJотс 2gH + 'У)отс �2gH � �::1

Cm.

•

ry

+

( I V . 4)

Таким обр азом , кавитацион н ы й коэффи циент турби ны можно п редста вить как сумму нескол ьких ч астных кавита цион ных коэф­ ф ициентов. Сумма

nредставл яет собой отнесен ное к напору ди намическое р азреже­ ние под р абочим колесом , а трети й коэффи циент О"з =

( � w

�) ( �

- и

-

2gн

w

�)

- и

( I V.б)

выр ажает отнесен ное к напору допол нител ьное р азрежен ие н а л о пасти . Кавитационный коэффициент

0'1 = 'УJо тс

с2

2;�

( IV. 7 )

соответствует ч асти р азреже н и я под р абоч и м колесом , создаваемой р асходной составл яющей выходной скорости . Очевидно , что всегда Вел и ч и н ы коэффи­ cr 1 > О и возрастает с увел ичением р асхода . ц и ентов cr 2 и cr 3 зависят от профиля лопастей р абочего колеса и и зменяются с изменением режима р аботы турби ны . Коэффи циент ( IV. 8)

м о же т быть р авен нулю, когда с р абочего колеса сходит совер шенно р а в но мер ный поток - без закр утки и попереч н ы х с кор остей . Од на к о в действительности это н и когда не имеет места . Поток з а р абоч и м колесом неизбежно и меет ту или и н у ю , но всегда я р к о выр а, женн ую неравно мер ность . Поэтом , есл и в ка ких-то у \ 1 \}

сечен и я х потока иногда бывает, что си 2 = О и с1 2 = О, то в др у ги х сечен и ях эти скорости обязател ьно бол ьше н ул я и а 2 > О . Опыт пр оекти рова н и я лопастных систем показывает, что с оз­ дать ч исто конфузор ный поток на повер хности лопасти та к , чтобы точ ка k с минима.тrьным давлен ием совпала с точ кой 2 н а выходн о й кромке , дл я реальных турби н н е удается . Поэтому всегда Рк < Р 2 ·

( IV .9)

Тогда и з уравнения Бер н улл и следует, что

( w� - и �) > ( w� - и �)

и

(IV. l O)

U 3 !> 0 .

Есл и представить себе ги потетический случ а й , когда Cu 2 = О и с1 2 О во всем потоке за р абоч и м колесом и точ ка ми н и мального давлени я смещена к выходной кромке , то тогда =

а2 = О

а

'

И

cr 3 = О ,

Uту р б = Ut • Таким обр азом , коэффициент а 1 может р ассматр иваться как физи ­ ч ески п р едел ьное з н ачение кавитационного коэффи циента турб и н ы . Это предел ьное значение всегда можно оценить по фор мул е ( IV . 7 ) , з н а я среднее значение скорости Ст 2 и полагая в первом пр ибл и же ­ н и и коэффициент восстановле н и я отсасывающей трубы 'll oтc = 1 . Расходная составляюща я скорости Q (IV. l l ) =

ст,

т·

где F - площадь попереч ного сечен и я проточ ной ч асти в зоне выхода с р а бочего колеса . В осевой п оворотнолопастной турбине площадь F пра ктически р авна площади проходиого сечени я в зоне оси поворота лопастей рабочего колеса ( р и с . 1 1 . 2 , а)

F

=

Л

( Di - d;т ) 4

(I V . l 2)

•

Подставл я я Ст 2 и F по формулам ( IV. l l ) и ( IV. l 2) в фор мулу ( IV . 7 ) , получ и м [ 95 ] 2gH

[ Т ( D l - dвт )] 2 л

2

2

,.

0 ,0825Q 1

= ( 1 - d� т )2 •

( IV. l З)

Таким образом, величина кавитацион ного коэффи циента а 1 в поворотнолопастной турбине предопредел яется втулоч ным отно шением. -

·

в р ади ал ьно-осевы х турби нах в ыходн ая кромка обыч но и меет

бол ее к р иволи нейную с еч е н и е удобно п р и нять

форму и за хар актер ное попереч ное сечение горлов и ны отсасыв ающей т р убы ( ри с . 1 1 . 2 , в). . Если диаметр горлови н ы отсасывающей трубы Dг, то а налогично ( IV . I З) получим .. ' 0 , 08 2 Q l = где

:

crl

·Dг -

(IV . 1 4)

Dг

Dг

v1

_

•

В ди агонал ьных турби н а х ( р и с . 1 1 . 2, 6) за площадь F следует п ри нимать площадь конической поверх ности , перп енди кул я р ной ст 2 в зоне в ыходной кромки , ограни ченной поверхностями камеры и /���� вту л к и р абочего колеса ( р и с . IV. l ) F

=

nl

(

Dв х + d вт . вы х ; 2

D вых _2 = где / _

_

вы х d вт ._ 2

)

,

(IV _ 1 5 )

_

s in 6

- дл и н а о б -

разующей усеченного конуса; е угол между осью р абочего колеса и осью поворота лоп астей ; D вых и dвт. в ы х - ди аметры камеры и втул ки р абочего колеса в зоне выходно й кромки . Таким образом, дл я ди агональ­ ной турбины

Рис.

IV. 1

. Схема п роточной части диагональной турбин ы

(IV . l 5 ')

Если D вых = D 1 - I!.D и, следов ательно , dвт .-вых = dвт ­ ( р и с . IV . l ) , то выр ажени е ( IV. l 5' ) можно п р ивести к сле­ дующем у удобному дл я р асчетов в иду :

-

I!.D

F=

4

nD�

s in 6

-

_

( 1 - dвт) ( 1 + dв т -

2 1!.D) , _

( IV . 1 5 ")

где dвт dв т iD 1 - втулочное отношение и I!.D = D1 - относител ьное смещение выходной кромки от оси поворота лоп асти в р ади альном н ап р авлении . Тогда п р едел ьный кави тацион ны й коэффи циент -

I:!D

=

0"1 =

0,0825

sin2

6 Q�·

( 1 - d8т)2 ( 1 + dвт - 2 I:!D)2

( IV . 1 6 )

П оследней формулой можно пользоваться до тех п о р , пока D вых > > Dг ( р и с. IV. l ) . Если D вых � Dг. то формула ( IV. 1 6 ) тер яет 121

с мысл и дл я оценки предел ьного кавитацион ного коэффициента п равил ьнее воспол ьзоваться формулой ( IV. 1 4) , получен ной дл я р а ­ диально -осевых тур би н . Следует обра тить внимание н а то , что пр и увеличен и и угла установки лопастей вследств ие и зменен и я режи ма р аботы диагональной турб и ны величина D вых уменьш аетс я . Поэтому , есл и п р и малых р асхода х , как пр авило , Dвых > D" то п р и увел ичении р асхода может быть Dвых < D г . Проточ н а я ч асть турбины профил и р уется таким образо м , чтобы п о выходе с р абочего колеса и до вы хода и з отсасывающей тр убы кинетическа я энер гия потока монотонно уменьшалась , а давление соответствен н о возр астало до атмосфер ного . Одн им из основных услови й такого движен и я является моното н ное увели ­ чение площади попереч ного сечен и я потока . На это особенно н адо обращать внимание пр и пр офил ирован и и зоны з а р абочим колесом диагонал ьной турб и н ы . В этом смысле нел ьзя п р и данном втулочном отношен и и произвольно выбирать горлов и н у отсасы ­ вающей тр убы . Это может п р и вести к конфузар ному течению за р абоч и м колесом и допол н ител ьному р азрежени ю . Предел ьный кавитацион н ы й коэффи циент возр астет и будет определ яться сече­ нием горлов и н ы отсасывающей трубы . Тогда даже п р и D вых > D г следует пол ьзоваться дл я оценки предел ьного кавита цион ного коэффициента фор мулой ( IV. 1 4) . Можно п р едставить себе следующую схему р азвити я кавита ­ ци и в зоне р абочего колеса гидротурбины по мере снижения кави ­ тационного коэффи циента уста новки . Сначала кавитационны й коэффи циент уста новки О' у с т дости гает значения теор етического кавитационного коэффи циента турбины а ; ур б = а 1 + а 2 + а з • что соответствует р а венству м и нимал ьного давлен и я на лопасти давлен и ю пар ообр азова ни я . На лопасти появл яется кавитаци я , и нтенсивность которой постепенно у вел ичи вается . Пр и достаточ ­ н ы х с коростях и соответствующи х хар а ктер исти ках матер иалов возн и кает и р азви вается кавита ционная эрози я . Когда в пр оцессе уменьше н и я О' у ст дости гает з начен и я а 1 + а 2 , создаются услови я дл я кавитаци и за р абочим колесом, которая «приводит к р азр уше­ н и ю ядр а потока и сн ижению к . п . д . и мощности турбины» [ 25 ] . Иногда та кое пер ер аспр еделение скоростей за р абоч и м колесом оказывается благопр и ятным и даже нескол ько увел ичи вает к . п . д. агр егата . Момент н ачала в л и я н и я кавита ци и н а энер гетические пар аметр ы соответствует кавитационному коэффи циенту тур ­ б и н ы О' турб • определ яемому н а кавитацион ных стенда х энер гети ­ ческим методом . Та ким обр азом, ( IV . 1 7) ат урб = 0'1 + 0'2 . Отсюда с.1едует, что х а р а ктер обтека н и я лопастной систем ы вл и я ет н а велич и н у О'т урб л и ш ь косвенно,_ поскол ьку о н сказ ы ­ вается н а р аспределении пар аметров потока за р абоч и м колесом . Действительно, р аспределен ие давления начинает мен яться п о лопасти п р и О' у с т > О' турб · С др угой сторон ы , все попытки свя1 22

з а ть в ел ич и н у О'.!У Р б с тем , что п роисходит н а лопасти , не увенча ­ 1 ь успе хом . l lp и визуальных наблюдени я х в момент н ачала ,1 1 ис н и я кавитаци и на энер гетические пар аметр ы , как п р авило , 6 ,1 я 11 е об н аружи ваются ка кие-л ибо качественные изменен и я хар актера об те к а н и я лопастей . Для некоторых поворотнолопастных и диаго­ J{ ал ь ны х турби н определ ялась р асчетна я площадь зоны р азреже­ J{ !I Я на лопасти в момент начала в л и я н и я н а энер гетические пара­ rJ етр ы . Н а р и с . IV . 2 представлена схема лопасти р абочего колеса д и а гонал ьной турбины D - 1 043 , на которую н анесены р асчетные г ра ни цы зоны действи я р астя гивающи х !lа пр яжен и й н а одном из р ежимов р а ­ боты п р и кавитационном коэффи циенте у с тан овки , р а вном кавитационному ко­ эффициенту турбины . Граница опреде­ л ялась как геометр ическое место точек 11ачал и концов зон р азрежени я ( 1 1 1 . 3) отдел ьных профилей решето к , соста в ­ л яющи х лопастную систему . Расчет по­ казывает, что в момент н ачала вл и я н и я кавитаци и на энер гетичес кие пар а метр ы О'ту р б) площадь зоны действ и я (О' уст растягивающих напр яжен ий составляет в дан ном случае п р ибл изительно 30 % о т всей площади тыл ьной повер х ности Рис. I V . 2 . Зон а действия л о п асти . Оказалось , что эта величина р астягивающих н апряже н и й в зависимости от р ежима р аботы дл я н а лоп асти диагонально й разных р абоч и х колес меняется в очень турби н ы D - 1 043 п р и О"уст = широки х п р еделах (от 8 до 30 % в р ас­ О"турб = О, 1 1 ; S p = 30% S ло п с матр и ва ющи хся вариантах) и ее не удается связать с величи ной О'уст = О'ту р б · Если исходить из того , что об нар ужен ное визуал ьно начало кавитаци и н а лопасти соответ1 дл я р а б очего с твует О' уст = О'ту р б . то отношение О'ту р б / О' ту р б 1 08 2 , 25 , а для р абочего колеса к олеса ПЛ587 составляет : =

*

o ro

•

0 48

=

·

ПЛ646 - · = 2 , 92 . Дл я р абоч и х колес ПЛ642 , ПЛ 1 063 , ПЛ 1 075 0 24 (без учета узкой зоны кавитаци и на входной кромке) это отноше­ н ие р авно соответствен но 1 , 4 ; 1 , 65 ; 1 ,55. Таким образом , и велич и н а от ношен и я а:у р 6/О'ту р б мен яется в очен ь ш ироких п р едела х и с ее помощью не удается п рогнозировать величину О'ту р б· В то же время известно, ч то услови я схода потока с р абочего к о леса р ешающи м образом влияют на вел ич и н у О'ту р б· Можно n р и вести в качестве пр имер а р езул ьтаты испыта н и й диагонал ьного Р або чего колеса D45- 1 038 с р азными камерами [ 74 ] . Н а р и с . IV . 3 n р едставлены кривые измене н и я О'т ур б в зависимости от п р и ведеи ­ н о го р асхода Qi одного и того же р абочего колеса п р и двух р аз­ .'Нi чн ы х камер а х . П р и уменьще1:1ии диаметр а гор лов ины с Dг =

1 23

0 , 875D 1 кавитационный коэффициент в о з . 0, 9 80D 1 до D ,. 1 000 л/с н а 0, 07-0 , 08, т . е. н а 40-50 % . О че­ р астает п р и Qi в идно, что р асп ределение давлени я п о лоп асти (тем более тео р е. тическое, р асчетное) н е мен яется п р и б изменени и ди аметр а горлови ны камер ы р абочего колеса. Модифи ци рование ло­ п астной системы одного и того же р а­ бочего колеса влияет з н ачительно мен ь­ ше н а кавитационный коэффициент тур­ бины. П р и дал ьнейшем уменьшени и кави ­ тационного коэффициента установки ка­ витаци я за р абочим колесом р азвивается еще больше, энергетические п а р аметры (и п р ежде всего к . п . д . ) п адают . Когда з н ачение а у ст п р иближается к в еличи не о, о5 500 500 700 800 900f000 а 1 , п роисходит отр ыв всего п отока за Q;, л;с р абочи м колесом . Это п р иводит к мощ­ I V. З . 'Зависимости Рис. н ым п ул ьсациям потока. Дальнейшее сr у f (Q /) п ри п; const снижение кавитационного коэффициента т рб для диагонал ьного рабочего установки становится невозможным. колеса 045- 1 038 с разными Н а р ис. IV. 4 п р едставлены р асчет­ камерами : н а я кривая а 1 и кривые атурб по ис' _ пг о 980; 2 Бг 0 , 875 п ытани я м для номенклатур ного р абочего колеса - ПЛ20/66 1 ( 1 1 .4) . А н алогичные кривые были п остроены и для други х номенкл атур н ы х р абоч и х колес . А н ализ п одобных г р а­ фиков п о к азыв ает, что р асчетные и экспериментальные кривые для ==

=

=

==

=

=

.

_

=

6

{, 0

n;=fбO

0,8

n;= fJ�v

0, 6

.. 'О

бm!J.!l���

0,4 0,2 -

-- �

�

!-'""

f,2

�

�

{,б

1,8

/

/

./ г--

v

?,0

./

, 2,2 2/1 Q1, м.Ус

Р и с . I V . 4 . Зависимости сrтурб = f (Q i) п о ис п ытаниям и а 1 = f (Qi) по расчету дл я рабочего колеса ПЛ20/66 1

н е очень быстроходны х р абоч и х колес идут п риблизительно экв и ­ дистантн о . Следов ательно, степень неравномер ности п отока з а р абочи м колесом и соответственно величи н а а 2 не очень зависят 1 24

п р иведеи ного р асхода . Одн ако в поворотнолоп астных р абоч и х к олес ах особенно большой быстроходности , как в идно н а р и с . IV. 5 , велич и н а о 2 существенно меняется с р асходом. Это след­ ств и е диффузор нога течени я , х а р а ктерного для редких решеток. Зд есь уместно п ровести а н алогич ный а н ализ числа кавитаци и п ри исследов а н и я х решеток п рофилей (рис. 1 1 1 . 1 ) . При

от

k = kкр = -Pm!n

=

Р оо

в

- Pd w2,

w�a x

--- -2

w,

=

Рт

1

( IV. 1 8)

со ответствии с формулой ( 1 1 1 . 4 1 ) н а п рофиле н ач и н ается кави­ т аци я . Дальнейшее уменьшение числа кавитации k п р иведет б f, б

f,Ч

��

f, 2

бтуро

-

-

�о ka.

1. 0

(j2

0, 8

.

0, 6

о,ч -

0, 0 0,8

f--

f, O

��

1, 2

f, Ч

f, B

f, б

/

Рис . I V . 5 . , Зависимости О'турб

и

0'1

Оо5jмин

--

=

f (Q1 )

/

/

/

J 2. 0 2,2 2,'1 Ql, м(c

f (Q; )

no исnытани ям

no р асчету для рабочего колеса =

ПЛ I О/592

к в озр астанию р асчетных р астягив ающи х н а п р яжени й и р азви­ ти ю кавитаци и . Н о возможность уменьшени я числа k н е безгра­ ни ч н а . В какой-то момент давлени е з а р ешеткой р 2 дости гнет величи н ы P d • п оток з а р ешеткой н ачнет кавити ровать. Обр а­ з уется п ул ьси р ующи й , пер иодически отр ыв ающи йся п оток . Даль­ не йшее снижение числа кавитации становится невозможным. И з у р авнени я Б ер н улли дл я точек 1 н а в ходной к р омке и 2 на в ыходной 2

w2

w .Е!_ + ' = 12 + � 2 2g g у у

и меем п р и услови и р 2 = P d

1 25

и предел ьное значение числа ка витаци и k пред -

_

Р1

- Pd 2 w 1

-

_

2 2 W2 - w i � w 1

Ру

_

( -- ) W2 wl

2

-

1

2 - Л _

- 1 ' ( IV. l 9)

где Л w21w1 - отношение модулей вы ходной и входной с коро­ стей . Пр и исследова н и и изол и р ован ного профил я скор ости до и после профил я оди н а ковы : w 1 = w 2 w и , следовател ьно, по формуле ( IV . 1 9) kпред = О . В турби н н ы х конфузо р н ы х решет­ ка х профилей всегда w 2 > w 1 и , следовател ьно, k nreд > О . И з сравнен и я формул ( IV. 1 8) и ( IV . l 9) ясно, что и нтер вал ч исел к а ­ витаци и , в котором существует и может быть исследован а кави­ таци я =

=

!:J.k - kкр _

_

k пред

=

2 2 w w max 2 2 w 1

=

(

Wmax w1

)

2 _Л2

·

( I V. 20)

Воспол ьзуемся фор мулой ( I l l . 37) и с помощью формулы ( I V . 20) свяжем предел ьное ч исло кавитаци и с кавитационным коэффи­ циентом установки

( I V. 2 1 ) Пр и выводе были учте н ы зависимость ( I I I . 39) и формула ( IV . 5) п р и предположе н и и 'I'J o т c = 1 . Расп ределение давлен и я по ло­ пасти , не вл и я я на вел и ч и н у <J турб • предопредел яет з н ачение коэффи циента <J 3 и , следовательно, коэффициента <J �у р б · Интен ­ с и вность и локализаци я эрозион ного воздейств и я кавитации зав и­ сят гла вным образом от эпюры р аспределен и я давле н и я по ло · пасти . До последнего време н и сч италось, что л учшей является выр авнен ная эпюр а р азреже н и я н а тыльной стороне лопас ти . Пр и этом я кобы имеет место н а и меньшее значение <У турб · В де й­ ств ител ьности , как было показано выше, р асп ределение давле ния н а вел и ч и н у а т у р б пра ктически не вл и яет. В то же время при р а в­ номерной эпюре р азр ежен и я генер и р уется н аиболее эр озион н о · опасная пузыр ькова я форма кавитации и кавитацио н н а я эроз и я р аспростр а н я ется н а бол ьшую часть тыльной повер хности л о · пасти . Считалос ь , что п и к разрежен и я и л и вообще не оказыв а е т вл и я н и я н а кавитацию, или увел ичи вает ее эрозион н ую спо соб · ность. В действител ьности о казалось , что п р и некоторы х па р а · метр а х п и к позво.r� яет переводить эрозион ноопасную пузырькову\0 1 26

ф о р му кав итаци и в менее опасную - плено ч ную с гладкой по­

вер хн ост ью . О тсюда следуют определенные рекоменда ци и при п рофил иро­ ван и и лопастей : 1 . Ма кс имум эпюры р а зрежен и я на тыл ьной поверх ности быть смещен как можно бол ьше к вы ходной кромке . жен л до 2 . Пик р азреже н и я н а входной кромке должен быть та ким, что бы за н и м создавалась пленоч н а я кавитаци я с гладкой повер х бt f, о

0, 9

.---..---,--

0, 7

О, б

0, 5 �--+-- �-� -�������74��

0, '1 �--+--+

0,3

о, 2

о, 1

l-- --+---7'f-�.-f--....

1--"���.,..--:;;;>!-""-:::J�':+--+ О, 7

f,Y 2, 1 ' 2,J 2,5 2,7 Q1 ' м Jjc Рис. IV . 6- Расчетн ые зависимости cr l = f ( Q I ) 0,9 1,f

f,J

f,б

f, 7

ностью. Есл и п и к сильно р азвит, и меет знач ительную протяжен­ нос ть, то воз н и кнет более эрозионноопасная пленоч н а я кавита ­ ци я с шероховатой кавер ной . Вел и ч и н а и протяжен ность п и ка р азрежен и я з з висят от у гл а ата ки и кр ивизны зоны входной к р омки . На р ис . IV . 6 предст авлены к р и вые зависимости велич и н ы а 1 о т пр иведеи ного р асхода , втулочного отношения (для поворотно­ лоп астных турбин) и относител ьного диаметр а горловины камеры р аб очего колеса (дл я р адиально-осевых и диагонал ьных турбин) . Н ал ичи е стесняющей пото к втул ки р абочего колеса в поворотно­ л оп астной турбине является одной из пр ич и н более высоки х к ав и тацион ных коэффи циентов, чем у р адиально-осевых турби н . дл я улучшения кавитационных качеств по вор тнолопастных тур ­ би н необходимо п р и н и мать втул ки с минимально возможным по У с л о виям р азмеще н и я механ изма поворота лопасте й диаметром . Одн и м и з средств повышения кав итационных качеств поворотно1 27

лоп астных турби н явля ется п ереход к tхеме ди агонал ьной ту р . би н ы [ 25 ] , у которой втулка меньше стесняет поток . П р и бол ьшом р азнообразии решеток п рофилей , составляющих лоп астн у ю систему р абочего колеса, их можно кл ассифициров ать п о некоторым х а р а ктер ным п а р аметрам: по густоте - отношен ию дл и н ы хорды п рофи л я к шагу l / t ; п о относительной максимально й толщи н е - отношен ию максимальной толщи н ы к дли н е п рофи ля бшахl l ; п о относител ьному п оложе н и ю максимал ьной толщи ны н а п рофиле. Расчетные исследо в а н и я п озвол яют оценить в л и я н ие эти х п а р аметров н а теоретический кавитационный коэффициен т т у р б и н ы [83 ] . В л и я н и е густоты решетки н а гл ядно демонстр и р уется совмещен­ ными эпюр ами давлени я на р и с . IV . 7 . Одна эп юр а соответствует густоте l l t 1 , 0 , вто р а я l l t = 1 , 6 . Площади эпюр и , следо­ в ательно, велич и н ы п одъемной силы оди н аков ы . Но эпю р а п р и большей густоте в ытянута вдоль оси абсцисс и х а р а ктер изуется меньшими п о абсолютной в ел ич и н е орди н атами . В ч астности , минимальное относител ьное давлен и е h:i п п о этой эпюре суще­ ственно больше, чем п о другой и , следов ательно, в соответствии с формулой ( 1 1 1 . 48) , теоретически й кавитационный коэффициент турби н ы а; ур б б удет меньше. Изменение густоты р ешетки является в ажным средством влия­ н и я н а кавитаци о н ные качеств а р абочего колес а . П р и увеличении густоты в конечном счете увеличив ается сумм а р н а я площадь лоп астей и соответственно уменьшается удельная н агрузка н а лоп асть . П р а ктически увеличив ать густоту можно дв умя п утями : уве­ л ичивать поверхность лоп асти п р и неизмен ном ч исле лоп астей или увеличивать ч исло лоп астей . Однако возможности увеличе­ н и я густоты р ешеток лоn астной системы не безгр а н и ч н ы . Во-пер· вых, с ростом густоты с нижаются п ропускная способность турбины, ее быстроходность, во-вторы х , возр астают потер и в язкого трен и я , с н ижается к . п . д. П р и з н ачительном увеличени и р азмеров лап а· стей поворотно-лоп астной турби н ы существенн о возр астают объем· ные п отери ч ерез зазоры лоп асть - камер а и лоп асть - втулка, снижается жесткость лоп астей . Последнее ухудшает п рочностны е характер и сти к и турби н ы , с н ижает в ибр аци о н н ую н адежность лоп астей . Кроме того, снижение жесткости лоп астей может по· влечь з а собой вторичные кавитационные явлен и я . При обтекани и лоп астей в о в р емя р аботы турби н ы могут воз н и к н уть г идрауп р у ­ гие автоколеб а н и я , которые сами п о себе nриведут к кав итацион· ному отрыву жидкости от nовер х ности лоп асти . При большем числе лоп астей требуется больший ди аметр втул к и . Ув ели чени е ди амет р а вту.'lки п р иводит, как уже говорилось, к росту кавита· циан нога коэффи ци ент а . Поэтому с ростом н апор а п оворотно­ лоп астные турбины тер яют свои п р еи муществ а п еред р ади альн о­ осевыми турби н ами по сумме техн и ко-экономических показателей . =

1 28

-

� --::: :::: :::;._"":.- - -o- - - -r- - - -r 1 ..::t.: 1lll: 1 1 -- 1

!

li* �5 �'+

o, J O, Z

�� о

- 0, 1

- 0, 2

- O, J

-O,'f

-0, 5

- О, б - 0, 7

-�в Рис.

ii/

:

1

-

11

1 --

'

1 1

-т- - - -t-- - - -4 - - -

1 1

1 l/t= f,OI

1 vr --r 1 1

х

1

,

�

t Т\.

't

1\

1 1

1

1

"i. 1

г----

0, 2 O, f

о -O,f - �2

- 0,3 -О,'+ - 0,5

- О, б - 0, 7 -0,8

- 0,9

Рис. 9

/

1

1

:

· 'f· 1

11

11 1

1 1

1

,/

1

..J�

!l

1

1

11

1

1 1

11

1

:1 il

1

1

1

11

1 1

1

1

1

1

/ •

:

1

11

� xiJI

1

1

1

"l

:1

1

il

Эпюры р асп ределения давления н а профилях реше­ то к р азличной густоты (по И . Э. Этинбергу)

-

г

/

---

11 max = 0

-

-�

�х

'/

:

1

'1'

1

1

1/

0, 7

�б 0, 5 0, '+ 0, 3

11

1

fl .... 1 -- - - х- - / 1 1

IV.7.

.....

1

1

1

'

:

1

1

1

1 1 1

- f "Г ' 11

11 1 _� 1---f 1 l/t = {, 5 + : 11 1 _l___ll

:

1

1

1

1

1

1

1

1

1

- -Jf-

1

1

1

_, - - -,�

-+- -

-�-\... - �

1

1

1

,

1 1

��-

-:Х- --

1

I V 1

1

1

1

1

1

1

!1 1

_ _

"

z

-

--

) 05

г '-_j1-

l- - - - ·� - - - � l _l: . х х-�� 1 �--.;:- � 1

'O,f5

0. 10

IJf"

J

�'\� '\'

Н. И. П ылаев

�j_L1m� � ? -�

- -� - - - -

\\

IV.8.

ь

- -�-- - - �---jf.,i

.у

//",/

�'

------""--:

/// �/.;"'

/ //, /

�---

--<

. .....У //

��/ _ _х

1

1

i

�

т� т 1

,..J_ i 1

R '

Эпюры р асп ределения давления н а п рофил я х раз­ л ичной толщины (по И . Э. Этинбергу)

1 29

У современ ных повор отнолопастных тур б и н число лопасте й б р а очего кол е са дости гает восьми , у диагональных - десят и , у р адиал ьно-осевых - двадцаr и . Густота р ешетки у поворот н о ­ лопастных тур б и н дос ти гает в н астоящее время ll t = 2 , 0 . Расчеты показывают, что н а велич и н у теоретического кавита­ цион ного коэффициента заметно вл и яет толщи на профил я . Че м толще п рофи л ь , тем больше кавитационный коэффи циент. Н а р и с . IV.8 п редставлены эпюры давлен и й пр и трех значени я х отно­ сительной максимальной толщи ны профил я - 0 , 05 ; 0 , 1 0 и 0 , 1 5 и одинаковых коэффи циента х подъемной силы . Площади эпюр оди на ковы , но п р и уменьшен и и толщины вся эпюр а к а к бы под­ н и маетс я квер х у . Соответственно увелич ивается минимальный коэффи циент давлен и я и у мен ьшается теоретический кавитацион­ ный коэффициент. Утонение лопасти желател ьно и с точки зрения энергетических качеств р абочего колеса , однако услови я проч­ ности о гр а н ичивают эту тенденцию.

1 8. Э Н ЕРГЕТИ Ч ЕС К И Е И С С Л Е ДО В А Н И Я

Основным способом исследован и я кавитаци и в г идратурбо­ строени и является экспериментал ьный . Наибольшее р аспростра ­ нение получил · та к называемый энер гетический метод . Кавита­ цион ные испыта н и я моделей гидротурбин энер гетическ и м методом п роводятся в л аборатор ных услови я х на _специальных кавита­ цио н н ы х стендах . Кавитационный стенд должен и меть возможность менять в ши­ роких предел а х уровень абсолютного давления в проточном тр а кте модел ьной турби н ы . Это можно осуществить по схеме обычного энер гетического стенда , но тогда необходимо п р едусмотреть кон­ стр у ктивные возможности изменять в п роцессе испыта н и й уровни н и жнего и соответственно вер х него бьефов в и нтервале 1 0-20 м . Т а к и е кавитационные стенды н азываются открытыми . О н и очень громоздки , сложны в эксплуатации . Более удобны полуоткрытые стенды , у которых герметична н а пор ная часть , что позволяет регулировать напор , не мен я я геометр ического положени я вер х· него б ьефа . Одна ко в н астоящее вр емя откр ытые и полуоткрытые стенды встречаются очень р едко . Все фун кционир ующие кавита­ цион ные стенды выпол нены по закрытой с хеме , когда р абоча я жидкость (вода) цир кули р ует в полностью гер метичной си­ стеме . Замкнутые стенды более удобны и мобил ьны . Недостатки их связаны с тем, что во время испыта н и й в н и х цир кулир ует оди н и тот же огр а н ичен ный объем воды . Из-за этого темпер атура воды непрер ывно меняется и надо пр инимать мер ы , чтобы о н а н е была сли шком высокой . Проходя зону кавитации в модел ьной турбин е , вода измен яет свою хар а ктер исти ку по воздухасодержанию (о б­ щему и особенно дисперсному составу свободного воздуха) . П о · этому мен я ются со временем свойства поступающей н а модел ь воды . Надо учитывать возможность р аспростр анения з о н ы кав и· 1 30

таци и за модел ьной турби ной в др угие элементы стенда , что может n о вл ия ть на стабил ьность и качество работы уста новки и и змере­ н и я . Загр язнение воды п р и месями , в частности п р одуктами кор ­ ро зи и , тоже может исказить процесс кавитаци и и у величить по­ гр е ш ности измерени й . Поэтому рекомендуется вдол ь проточ ного т р а кта стенда и особенно перед модел ью и р асходомером делать n ро з р ач ные окна со стробоскоп ическим освещением дл я в и з уаль­ ного контроля воды . Первый в Советском Союзе кавитацион ный стенд был сооружен в 1 932 г . в МВТУ под р у ководством И . И . Куколевского . Еще через два года стенды появились н а ЛМЗ и во В Н ИИгидромаше , з атем в Ленинградском и Х а р ьковскт.r политехн ических и нсти ­ т утах . В н астоящее время кавитационные стенды и меются во всех ор ганизаци я х , занимающи хс я э кспер и ментальным исследован ием гидротурби н . Это , как п р авило, более мощные и совершенные у с тановки , чем «ветераны» 30-х годов . В последн ие годы получили р аспростр анение высоконапорные кавитационные стенды . В п. 16 было показано, что при моделиро­ в а н и и кавитаци и и особенно ее эрозионной способности существен ­ ное з н ачение и меют не тол ько без р азмер ные коэффициенты подо­ би я , но и абсолютные з начени я скорости и давлени я . Модел иро­ вание с учетом этого обстоятел ьства удобнее осуществл ять п р и высо ки х , бл и з ки х к натур ным напорах . Первый в Советском Союзе высоконапор н ы й кавитационный стенд был соор ужен в ЛПИ и м . М . И . Кал и н и н а [ 60 ] . Позднее стенды н а высокие напоры были созданы н а ЛМЗ и м . X X I I съезда КПСС [ 37 ] , на Х ТГЗ им. С. М . Кир ова [ 1 2 ] и во В НИИГ и м . Б . Е . Веде­ неева [ 1 ] . Рассмотри м более подробно схему одного и з существующи х кавитационны х стендов (р и с . IV.9) . Представленный стенд пред­ назначен для экспер и ментал ьных исследова н ий моделей р еактив­ ных турбин , включая обрати мые гидромашины . Поток получает энер гию по данной схеме от дву х главных осевых цир куляцион­ ных насосов 13 и 1 4 (р и с . IV. 9) . Широкие возможности регул иро­ ва н и я по напор у и р асходу обеспечиваются поворотом лопастей р абочего колеса насоса , изменением ч исла оборотов н асоса . Кроме того , с истема трубопроводов и з адви жек с электропр иводам и поз­ вол яет включать н асосы параллел ьна или последовател ьно или вооб ще от кл ючать оди н и з них. Поворот лопастей р абочего колеса осу ществляется специальным механизмом с помощью реверсив­ н ого электродви гателя . Пр иводам и главных насосов служат дви гатели постоянного тока . Для стабилизации р аботы насосов и обеспечен и я возможно­ ст и р егул ирова н и я числа оборотов п р иводной дви гатель каж­ дого и з н и х снабжен своей системой Леон ардо с электромаш и н ­ ным усил ителем . Кр оме главных насосов в с хеме предусмотрен вспомогате.11 ь­ н ый осевой цир куляционный н асос , который предназначен дл я 9*

131

регул и рова н и я со п ротивлен и я сети стенда п р и истыта н и я х обр а ­ тимы х гидрома ш и н в н асосном режиме . Насос р асположен н а ветке трубо п ровода 15, обводящей главные насосы . Направлен и е п одач и н асоса п р оти воположно направлен ию подач и главн ых насосо в . Таким образом , стенд позволяет снять полную хар акте ­ р истику Q- H гидромашины . Дл я р егулирования давления над 8

f} fO

2

f Р ис.

IV.9 .

Схема кавитационного стенда

нижн и м б ьефом модел ьной турбины стенд оборудован вакуум­ ными н асосами . Дл я того чтобы пр и знач ител ьных р азрежени я х на выходе из турби н ы н асосы н е попадал и в тяжелые кавитацион ные условия , о н и р асполагаются н а 1 0- 1 5 м н и же экспери ментальной турбины , так , чтобы статический подпор полностью компенсировал вакуум в зоне турбины . Напор н а я ветка между насосами и турбино й включает в себя гор изонтал ь н ы й подводящий трубо п ровод 1 , р есорбер 2, верти кал ьный тр убопровод 3 , напор ный ба к 5 и кон ­ фузорный п ереход н и к б к_модел и турб и н ы . 1 32

В процессе кавитации происходит выделение газа и з р аствор а , nо э то му в замкнуты х кавитационных установках во время опытов н е п р е рывно возр астает содержание в воде пер астворенного воз­ д у ха . Дл я того чтобы этот п роцесс компенсировать, в круг цир­ к у л я ции многи х установок включен ы бол ьшие емкости (ресор ­ беры) , которые поток проходит с малыми скоростями и под знач и ­ т ел ь ными давлениями . В р есорбер а х происходит р астворение в ыдел ившегася в р абочей зоне газа . К сожалению , р есорбер тоже н е решает полностью проблем у . Спектр альный состав п узыр ьков га за вы ходящей из ресорбера воды отличается от спектр ального состава реальной воды , поступающей в гидроту р б и н у в эксплу­ а та цио н н ы х условиях . Напор ный ба к должен и меть достаточ но бол ьшую площадь попереч ного сечени я , ч тобы обеспеч ить воз­ мо ж ность выравн иван и я потока н а входе в модел ьную турбину с п омощью конфузориого переходн ика со значител ьным поджа­ т ием . Отводящая ветка от турбины до н асосов включ ает в себя ва куумны й ба к 9 с допол нительной емкостью 8, колено 1 0 , вер ­ т икальный тр убопровод 1 1 . Цили ндр ический вакуумный ба к 9 коленом 1 0 соеди н я ется с отводящим трубопроводом 1 1 . Над вакуумным ба ком преду­ смотрена допол нительная емкость в виде цили ндр ического бака 8, который трубами 7 сообщается с основным ба ком . Допол нитель­ ная емкость и меет цел ью предотвр атить захват воздуха прохо­ дящим потоком из зоны н ад нижним бьефом при бол ьш и х р асходах. Напорный и ва куумные баки снабжаются смотровыми окнами для наблюдений за состо я н ием воды и ее повер х ности в вер хнем и ни жнем бьефа х . В н ижней ч асти отводящи й тр убопровод 1 1 р азветвл яется н а тр и н итки 12, подводящие поток к трем н асоса м . Пр и кавитацион н ы х и сследов а н и я х важное п р а ктическое з н а ­ чен ие и меет степень п розрач ности воды . Поэтому п р и н и маются спе ци ал ьные мер ы для оч и стки воды : или внутренние повер х ­ но сти стенда защищаются от кор р озии специальными покрыти ями , и ли трубопроводы изготовл яются и з нержавеющей стал и . Прежде чем н ач и н ать кавитационные и сследован и я , н а стенде сн имается обыч ная энер гетическа я хар актер исти ка п р и заведо­ м ом отсутствии кавитаци и . Определ яется к . п . д . в функции от п р и ведеиных р асхода и ч исл а оборото в . К. п . д. подсчи тывается п о фор муле Mro nl Pn ( IV . 22) 11 = yQH = ЗОу QH- ' ·

где М lP - момент на валу турби н ы . Плечо рычага тор моз­ н ого устройства l явл яется хар а ктер исти кой данной установки lf не мен яется в пр оцессе опытов . Т аким обр азом , п р и испыта н и я х н а каждом установившемся Р е жим е р аботы турбины определ я ются четыре велич и н ы : р асход Q, на n ор Н , ч исло оборотов n и н а гр узка Р . Р асход замер я ется =

133

с помо щью рас ходомер а Вентур и 4 (р и с . IV.9) . Расходо м е р р а сnол о же н в средней части вертикал ьного на пор н ого тр у бо ­ провода н а р ассто я н и и более десяти диаметров трубопровода о т ресорбер а с н изу и от колена свер х у . Перепад давлен и я н а р асходо­ мер е замер яется дифференциал ьным манометром . Чтобы охват ить весь бол ьшой диапазон измене н и я р асходов , в манометре испо л ь ­ зуются р азные жидкости с р азными удел ьными весами : р туть Hg, тетрабромэта н C 2H 2 B r4 и четыреххлор истый у глерод СС\ 4 • Напор н а р ассматр иваемом стенде определяется ка к перепад давле н и я между на пор ным и вакуумным баками и замер яется с помощью дифференциального чашечного р тутио-водяного мано­ метра . Пр и проведе н и и сер и и испыта н и й н а пор обычно поддер­ жи вается постоянным. Скорость вр ащени я модел и измер яется стрелоч ным тахометро м или суммир у ющим счетч и ком. Кр утящи й момент на валу модел ьной турбины определ яется весовым способом с помощью балансир н ого генер атора постоян­ ного тока п утем измере н и я тор мозного момента н а одноплечном р ычаге. В систему измере н и я момента может быть допол н ител ьно встроен сил ьфон с подключенным к нему U-образным р тутным манометром, позвол яющим производить отсчеты момента п р и иену­ левом положе н и и р ыча га . Недостающи й или и зл и ш н и й п р и этом гр уз н а чаше весов определ яется по предвар ител ьно ти р и раван­ ному сил ьфон иому манометр у . В результате испытаний �получаются семейства рабоч и х кри­ вых и л и н и й открытия , представляющих собой зависи мости '11 = f ( n /) и п; = f ( Q i) п р и постоян н ы х угле установ ки лопасти ер = const и открытии н а п равляющего аппарата а 0 = const . По рабоч и м кривым и л и н и я м открытия строится в дальнейшем энергетическая универсал ьная х а р а ктеристи ка ( р и с . I I . З - I I . 5) . По полученной энергетической х а р а ктер и сти ке в ыби раются режимы работы , подлежащие кавитационным и сследова н и ям. Н а каждом и з в ыбранных режи мов , характеризуемом открыти ем н а правляющего аппарата , углом устан ов ки лопастей р абочег о колеса и п риведеи ным ч и слом оборотов , снимается срывная кавитационная х а р а ктеристи ка (рис. I I I . 5) - зависи мость ка­ кого-либо энергетического п а р а метр а от кавитацион н ого коэф­ фи циента установки

(IV.2 3) В формуле ( IV . 23) В * - напор , соответств ующи й давлен и ю в в а куумном баке и оп р еделяемый п о формуле

(IV.24) где В - н а пор, соотв етств ующи й атмосферному давлени ю ; Hv ­ напор, соответств ующи й в а к ууму н ад н ижни м бьефом турби н ьi. 1 34

А тмосферное давление измеряется б а р ометром , вакуум - ртутио­ в од я н ым чашеч ным дифференциал ьным манометром , чашка ко­ тор ого соеди нена с атм о сферой . Давление п а ра о бразова н и я бе­ р ется п о табл . I I I . 1 в со о тветстви и с замеряем о й температу рой в оды . Полное в оздухосадержание в оды стенда оп ределяется с по­ м ощ ью п рибора ти п а В а н -Слайка [ 1 8 ] . При испыта н и я х с п омощью в акуумных н асосов н ад н и жним бь ефом создается пониженвое давление, которое затем дискретно и зl\lен я ется . Обычно снимается 1 0- 1 2 режи мных точек. При исп ы­ т ан ия х п оддерживается п остоя нным п р иведеиное число о борот о в n j ( или п р и в еденный момент M j ) и фи кси р уются другие энергети ­ че ски е п а раметры - к . п . д. 'У) , п р иведенный расход Q ; , п риведен ­ н ый момент м ; (или п р иведеи ное число оборотов nj ) . Строятся зависи мости 'У) , Qj , M j , п; от О" уст · В некото р ы й момент энергети ­ ч ески е п а раметры начинают меняться . Если срыв н а я х а р а кте­ р и сти ка п олучается п одобной той , которая п редставлена н а ри с. I I I . 5 , т о крайнее з н ачение кавитационного коэффи ци ента установки О"уст• п р и котором п ри умен ьшен и и давлени я н ад н и ж­ ним бьефом еще н е и змен яются энергетические п а раметры, п ри ­ нимается з а критическое значение, равное кавитационному коэф­ фи циенту турби н ы сr турб · Таким образом, п осле испыта н и й н а мн о ги х режи мах п олучается з ависимость кавитаци он н ого коэффи ­ циента турби н ы от режи ма р аботы турби н ы . По дан н ы м испыта­ н и й , строятся кривые кавитационных разрезов сr турб = f ( Q i) при п; const . Н а р и с . IV. I O п редставлено семейство таки х к ривых для разных углов установ к и лопастей поворотнолапаст­ но га р абочего к о леса . Там же нанесены соответств ующие энерге­ тические х а р а ктеристи ки с огибающей кривой. Точки каса н и я огибающей крив о й являются к о мби н аторными . Пр оекти руя и х н а л и ни и сrт урб f ( Q i) п р и каждом значени и <р , определ яются к о мби н аторные значен и я кав итационного коэффи циента и з ав и ­ с им ость О"1 урб = f ( Qi ) для комби н аторных режимов . Далее н а э нергет ическую универсальную х а р а ктеристику н а н осятся л и н и и сr т у рб const (рис. I I . З, I I . 4) . К авитация оказывает существенное вли яние н а разгонное число обо ротов . При разгоне сильно возрастает неравномер ность потока з а р абоч и м колесом, что обусловливает и нтенсивную кавитацию . П оэто му р азгонные х а р а ктеристи ки турби н ы необх оди мо оп ре­ деля ть н а кавитаци он н ых стендах в зависи мости от кавитацион­ н о г о коэффи циента [ 7 ]. Испыта н и я н а энергетическом стенде да ют завышен н ые значен и я р азгонных чисел обор о-rов . � опо ставление р,?зличных схем и конструктивны х особенно­ сте н о течественных и зарубежных турби нных кавитационны х стен­ до в п роведен о в р аботе [ 4 1 ] . Та кие четкие срывные кривые, как п редставлено н а рис. 1 1 1 . 5 , В с т ре ч аются � д алеко не в сегда . Ч асто п о срывным кривым затруд­ ни т ел ь н о достаточн о точ но определить момент начала в л и я н и я R а в и та ци и н а энергетические п а р аметры. =

=

=

1 35

"" О>

1

�

�

,о

'IJ, "�<)

.�

�

во,

8

�

•

75 t--__jL-1- ,: 70 55

J

f6

IJЬI

1;00

___J

500

А� � ·- .

fD 'у, . n\

V:7 lo

•• у.

12

�

в

1 /fO

600

1

700

1/

800

"

/ 12

900

"

,

fOOO

�v

. .___

ь

fB I ...К fB

... ; � ,&- _...1'7 � ,

ffOO

1

1200

fJOO

•

бтуро 0, 8

0, 7

/

/ ,в

. ��:z�-�J�ns�t_l J.SВ / ' l r--11--1---t---�� '� tr i U-_j --�-5J±\:;\'-i 16 {8�/ .,t. �""t��� � � · � 1 ' � 1 fO v?"+" ' ��--",. i _...v-- ) " 1 , V l r'f'. ljto rlf� l( '6 ,10' "" 1 22 1 � " .( (в' � / f--i�1t '

90 85

�

1

1 ��1 22

��� !

О. б

___

, 6

1'100

...... rв zK

1500

1500

Рис. IV. I O . Построен ие комбинаторно й зависимости атурб = f (Q])

l�

пои

х

O,lf

-

q; , л/с

0, 5

O,J

1

0, ?

l 0, 1 1

1

'

Н а р и с . IV. 1 1 п редставлен ы различные ти п ы срывных х а р а к­ т ер исти к , встречающиеся н а п р акти ке [ 74 ] . Т и п 1 можно н азвать клас сическим . Здесь так же, как и н а п р и мере р и с . 1 1 1 . 5 , энерге­ т ически й параметр (в дан ном случае п риведеиное число оборотов) п р и ак р начин ает резко уменьшатьс я . Т и п 11 тоже дов ольно ча сто встречается . Он ха р а ктерен тем, что н а векотором участке к р ивой , до начала паден и я энергетического п а р аметра, и меет место п одъем кривой . П р и Ти п 1 1 кривой типа 111 изменени е п ' энергетического параметра 1 n� = cons t бхр п роисходит н е резко, а п остепенн о . Момент начала и зменен и я трудно устано; �--------------------------� вить . 6 ус 1 Тип !1 Анализ эксперимен- , тальн ых данных показы- rь1 t б хр вает, что тот и л и и ной тип " , срыв н о й характеристи кР св язан с исследуемой п р о точной ч астью и режимом 1 ' работы . Н ап ри мер , п р и и с­ пыта н и я х моделей ди аго­ б у ст Ти п Ш нальных турби н на кав и - ",; тэционном стенде [ 74 ] Охр п; = сощt -:::� ::.было получено , что в об­ -- ласти р ежимов работы с ма­ / лыми расходами п ра кти 9ески в сегда и меют место бусm первы й и второй ти п ы , в то в ремя как третий тип Рис . I V . l l . Основные типы срывных кав и ­ в основ н ом характерен дл я тационных хар актер истик режимов больших п риве­ деиных р асходов и в ысоки х п р иведеиных чисел оборотов . Ока­ залось, что н а ти п срывной х а р а ктери сти ки в л и я ет форма камеры р абочего колеса ди агональной турби н ы . Н а п р и мер , дл я рабочего колеса Д45- 1 038 в камере с ди а метром горлов и н ы D г = = 0 , 980 D 1 в зоне больших р асходов подавл я ющему бол ь ш и н ств у режи мов соответствовал трети й ти п срывной х а р а кте р и сти ки , в то в ремя как в камере с D г 0 ,875D 1 в этой же зоне расходов были только х а р а ктеристи ки первого и второго ти пов . Если п р и первом типе кривых определен и е вел и ч и н ы ак р н е в ызыв ает затруднени й , т о п ри втором и т р етьем ти пах возмо жны р азличные решен и я задач и . Н а п р и ме р , в п р оекте между народ­ н ого кода модельных испытани й гидротурби н [42 ] , п р и а н ализе кр ивых ти па 11, где за х а р а ктерный энергетически й п а р а мет р п р и н ят к . п . д. , доп ускается п ри н ятие нескол ь ки х з н ачен и й к р и ­ ти ческого кавитационного коэффи циента установ ки (рис. I V . l 2) : u i - начало подъема кривой; а о - макси мум кривой ; u ' - п аде -

r ---�7--------....-..:.. -­ �

� !Jh; =-fo§jм� u ! - - -

-

- -

-- - - -

=

137

н и е к . п . д. н а 1 % о т м а к с и м у м а и л и о т величи ны 0"5 ; 0"5 - пе р е ­ con st . с е ч е н и е л и н и и сп ада с л и н и е й fJ н и й о том , какое и з эти х з н а ­ не указа де м т дн ко а н о р о в l\lежду ч ен и й с л едует п р и н и мать. Предлагается решать этот воп рос в ка ж ­ д ом ко н к р етн ом случае п у тем договоренности между за казч и ком и п о с т а вщ и к ом . В п ракти ке ЛМЗ обычно п р и н и маются величи н ы а . l =

о и ли а как наи б олее четко в ы р аже н н ые и хорошо повто р я ющи еся п р и экспери менте. Мнение о том, что н ад о в ыби р ать в еличин ы а . и J1 и а ' н а то м основани и , что он и я к обы обе спечив ают работ у турби н ы п р и повыше н н ом к . п . д. , является з аблужден и е м . Во ­ первых , как было показа но в ыше, услов и я модел и р ован и я 1J п р и кавитаци и не соблюдаются и , следовательно, нет гаранти и , что х а р а ктер кривой , получен­ но й н а модели , будет та ким же в н атурных услов и я х . Во-вто­ р ы х , совершенно н еизбежные запасы по кавитаци о н ному ко­ эффи циенту все равно переведут работу н атурной турби ны в зон у с к . п . д . бескавитационного режима. б gст При третьем ти п е кривых Ри с . I V . l 2 . Разл ичные вари анты н а з наче н и я вел ичины кр итического кави- в отечествен ной п р а кти ке рекотацион ноrо коэффициента мендуется выби рать величину акр при снижен и и к. п. д. н а 0 , 5 % и л и умен ьшени и п риведеиног о числа оборотов n i н а 1 обjми н дл я п оворотн олопастн ых турби н и н а 0 , 5 об/мин для р адиально­ осевых . П р и сн яти и срывных кривых мощ н ость и расход могут умен ь­ шаться однов ремен н о и в оди н аковой степени . В этом случае к. п . д. , сох р анится н еизменн ы м даже п р и з начительном срыве мощ н ости [ 5 1 ] . Такая н еоп ределен н ость кривых 'YJ = f (аус т) п ри вела к том у , что для определен и я зн ачен и я ату р б ч аще пол ь­ зовались кривой ni f ( ауст) · Обе кривые снимаются однов ре­ мен н о . Опыт показывает, что р асхожден и я между величи н ами Uт у р б . оп ределенными по кривым 'YJ = f (ауст) и n i = f (ау ст) , невел и ки и н осят сл учайн ый х а р а ктер - разност ь между эти ми вел и ч и нами быв ает равновероятн о положитель н ой и отр и цательн ой [62 ] . Одн ако в последнее в р емя рекомендуется з а определя ющие п ри ­ нимать зависи мости 'YJ = f ( ауст) и М i = f ( ауст) , п ричем есл и по эти м к р и в ы м получается р асхождение в величин а х акр то за и стин н ое п р и н и мается бодьшее из н и х . П р и снятии срывной кривой технически удобнее идти от больш их в а к у умов к мен ьшим, хотя в реальных услов и я х дей­ ств ующей турби ны важнее з н ать момент н ачала изменени я энерг е­ тических п а р а метров п р и увеличени и в а ку у ма. С п ециал ь н ы е =

1 38

н сс ледов а н и я показали , что гистерезис п роя вл яется в редки х с л у­ и величина его незначител ьна . Гистерезисом обыч н о п рене­ б р е га ют . Но замечено, что п р и повышенном возду х асодержании р оль гистерезиса возрастает. Поэтому в отечествен ной п ракти ке н е рекомендуется п роводить испыта н и я п р и в оздухосодержани ях , бrльших чем а = 1 , 0 -;- 1 , 2 % . В оздухасодержание мен ьше , чем а = 0 , 2 % , тоже не рекомендуется , так как в этом случае свойства в оды начин ают заметно отл ичаться от свойств воды в натурных услов и я х . Получен ные значен и я кавитационного коэффициента т урб и н ы кор ректи р уются п р и построени и экспери ментальных к р ив ых . Таким образом, экспери ментал ьное опр еделен и е кав итацион· наго коэффи циента турби н ы в некоторой степени неоп ределенно. С рав н и в а я турби н ы , и х модифи кации по величинам кавитацион ­ ного коэффи циента , необходимо знать, как в ыби рались эти ве· лич и н ы п о срывным кривым. Если это не п ри н и мать в о в н и мание, т о можно п р и йти к ошибоч н ым в ыводам. Действ ительно, при п р и н ятой методи ке различным типам срыв н ых х а р а ктеристи к соответств ует различная в еличина и з ме­ нен и я в критическом режиме ак р энергетического п а р аметра. При первом типе значение п а р а метр а совпадает с его з н ачение м п ри бескавитационном режиме, п р и втором типе оно больше, а при третьем типе мен ьше, чем п р и бескавитационном режи ме (рис. IV. 1 1 ) . Иногда , чтобы выйти из этого п р отиворечи я , п р ед­ лагают п р и всех ти пах срывных характеристи к п р и н и мать з н а ­ чен и я ак р соответств ующи ми один аковому изменени ю энергети­ ческ ого п а ра метра . В р аботе [ 74 ] обработан ы одн и и те же резуль­ таты экспериментальных и сследований четырех модифи каци й диаг онал ьной турби ны сперва обычным способом (ри с . IV. 1 3 , а), а п отом , назначая критические кавитационные режимы в точ ках , соответств ующи х началу изменени я п р иведеиных оборотов L\n( О ( р и с . IV. 1 3, в) и его п адению на 1 об/мин (L\ n( = - 1 ) ( р и с . IV. 1 3, 6) . И з г рафи ков в идно, что в зависи мости от способа н аз н ачен и я ак р мен яются не тол ько его величи н ы , но и относи ­ тел ьное расположени е кривых и , следовательно , относител ь­ н ая оцен ка кавитационных качеств сравниваемых в а р и а нтов т ур би н . Действительно, согласно рис. IV. 1 3, а, лучши м по кавитацион­ н ым качествам является рабочее колесо Д45- 1 038 , испытанное в кам ере с ди аметром горлов и н ы D г 0, 980D 1 ; п о р и с. IV. 1 3 , 6 лу чши м оказыв ается рабочее колесо Д45- 1 4 , а п р и бол ьших рас ­ х одах (более 1 000 л/с) - р абочее колесо Д45- 1 038а (с девятью л о п астями в место десяти , как у рабочего кол�а Д45- 1 038) . Н а ко­ н ец, п о р и с . IV. 1 3 , в р ассматриваемые в а р и анты п р а ктически р ав ноцен н ы . Дл я более обоснованного а н а л и з а экспери ментальных резул ь­ тат ов целесообразно обычные кав итационные ха р а ктеристи к и д о п олн ять кривыми , соответств ующими началу и зменени я чая х

=

=

=

1 39

/ vv/7 /

0, 20

/

а)

о, f5 O, fO

��

,. О, !О

� �

lf) f-- · -

/1

1

)'

�/ � "/// //

/ "'

- � � _... v ... ...

0, 20

1

/�� ��

-- / --

...

/ //

�

�(/ ;::....----

�/ /�� /1

8)

�

О)О

�

..;:;: / /

� �

/

700

600

800

900

fOOO

Q[,л/с

Рис. I V . l З . Зависимости а т у р б = f ( Q /) п р и ni coпst и р аз­ .1 ичных способах назначения величины кр итического кавита· цианнога коэффициента =

--

1 40

- 0 4 5 · 1 038;

Dг

- · - - 04 5· 1 0 38а ; D r

=

- - - - 0 1 5 · 1 0 3 8 ; Dr = 0 , 8 7 5 ; 0 , 9 80; 0 , 9 80 ; - О - - 0 4 5· 1 1 ; D r = 0 , 9 8 0

=

э н ергетичесtюго hараметра и наперед зада н н ой в ел ичине его n аден и я (наn р и мер , на 1 % ) . Совокупность этих трех х а р а ктеристи к позволит получить более обоснованное п р едставлени е о характере в оздействи я кав и ­ та ци и н а энергетическ и й п а р аметр и умен ьшить степень субъек­ т ивн ости п ри н азначени и кавитационного коэффи циента турби н ы . Иную методи ку оп ределен и я к ритического значен и я кавита­ ци онного коэффи циента установки предложил А. Д . Пер н и к [48 ] . По этой методи ке следует сни мать обычные энергетические харак­ те р и стики модельной турби н ы ( рабоч и е кривые, л и н и и откр ыти я) n ри различных , наперед заданных значен и я х вакуума над нижним бьефом Hv . При малых нагрузках (при больших з н ачен и я х nl) кривые, сн ятые при различных з н ачен и я х в а куума , совп адают с к р и в ыми , п ол ученн ыми п ри п редварительных энергетически х и сп ыта н и я х п р и заведомом отсутстви и кавитаци и . Затем п р и н екото р ом значен и и п; кривые ni f (Qi , Ht, ) и fJ = f (ni , Ht,) н а ч и н ают трансформи ров аться . Предложенная методи ка дает дополн и тельн ую и нтересную и нформацию о кавитационных каче­ ств а х и сследуемых в а р и антов модельных турби н . Однако по тех­ н и ч ески м п ричинам пока не удалось более детально ее отработать и испол ьзовать п р и и сследов а н и я х турбин разных быстроходно­ стей . Работы в этом н а п р авлени и предполагается п р одолжить . Проблемы масштабного эффекта кавитаци и требуют допол­ н ять в той или иной степени лабораторные и сследова н и я испыта­ н и я ми в натуре. Технические возможности н атурных исследова­ ний зн ачительно более ограничены, чем лабораторных, и требуют специ альных методов . Энергетический метод в н атурных усло­ в и я х можно п р и менять в очень редких случаях и только в сильно трансформи р ованном виде. Испытания п р оводятся в несколько эта п ов в течение более года . Каждый этап испыта н и й связан с оп ределенным значением в ысоты отсасывани я , и мев шей место в дан н ы й период на ГЭС. При испытани я х сни мается зависимость к. п . д. и л и относительного к. п . д. от мощности п р и разных зна­ чен и я х в ысоты отсасыва н и я с доведением этой зависимости по возможности до кавитаци онного срыв а . По месту отхода кривой fJ = f (N ) п р и кавитаци и от той же кривой без кавитации опре­ деля ется кавитационный коэффи циент турби н ы сr ту р б • который можно сопоставить с коэффи циентом, полученн ым п р и модел ьных и спыта н и я х . Однов ремен н о уточ н я ются п р еделы режи мов р аботы данной турбин ы без снижен и я к . п . д. из-за кавитаци и . Рассмотренный здесь энергетически й метод и сследов ани я кав и ­ тации является основным в гидротурбостроени и . Н о к роме того, что он обладает р ядом недостатков , о которых говорилось в ыше, этот метод не указыв ает конкретных п утей совершенство вани я п роточной части , не дает н и каких сведен и й о качестве п р оточной части в отношени и разрушающей способности кавитаци и . Энергетически й метод, являющи йся п о существу и нтегральным, дол жен быть дополнен дифференци альными методами и ссле=

141

дов а н и я 1 1 ронес сов заро жден и я и развития кав итаци и н а п рофи ле , п озв о л я ю щи ми и з учать формы кавитаци и , е е локализацию , степ ень р азвити я , разр ушующую способность в зависи l'lю сти от п а р а 1'1Iетров обтекани я . Для успешного совершенствов а н и я п р о­ точ ной части необ х одимо знать, п р и каких формах , локал изаци и , степени развити я кавитаци и и меет м есто то и л и и н ое изменен и е энер гетических параметров , п оявляется и существен н о воз р а ­ стает кав итационная эроз и я . В связи с этим в последн ие годы обыч н ые испыта н и я на кав итационном стенде дополняются в и з уаль­ ными стробоскопическими наблюдени ями через п роз р ач н ые ка­ мер ы , фото- и скоростной киносъемкой, эрозионн ыми исследова­ н и я м и с п омощью легкораз р у шаемых материалов . Однако та кие исследова н и я удобнее п роводить н а гидродина­ мической трубе, которая п р едоставляет дл я этого значительно б <'-льшие в озможности . Поэтому в Советском Союзе и за р убежом получают в се большее расп р остранение гидроди н амические ме­ тоды и сследова н и я кавитаци и п ри мен ительно к гидроту рбинам. 1 9 . ГИДРОДИ Н А М ИЧ ЕС КИЕ ИС С Л Е Д О В А Н И Я

Гидроди н амическая труба позволяет проводить и сследов а н и я плоского течени я , п риближая услов и я эксперимента к р а счетной схеме п рофи л и рова н и я лоп астной системы . В кав итаци о н н ой гидроди намической трубе и сследуются кавитацион н ые и беска­ витационные обтекания изол ированных п рофилей, п рофил ей в ре­ шетке, составляющих лопастн ую систему р абочего колеса , р азлич ­ ных упрощен ных тел дл я изучени я п роцесса кавитаци и . Н а в х оде в рабочий участок трубы обеспечивается равномерное плоско ­ параллельное течение с возмож ностью изменен и я в ши роки х п ределах скорости и давлен и я потока . Кавитационная гидроди намическая труба, предн азн ачен н а я специ ально для исследования гидротурби н н ых решеток п р офилей , уже с н ачала 50-х годов фун кцион и рует в Токийском университете у п рофессора Ф. Н умачи [97 ]. Скорость и давление п отока до и после изол и р ован ного п рофил я или и ного тела оди н а ков ы . Скорость и давление д о и после бесконечной решетки п р офи лей различны, п ричем степень различи я зависит от п а раметров ре­ шетки . Чтобы п р и и сследова н и я х решеток с огран иченным число м п рофилей создать услов и я , п риближающиеся к услов и я м беско­ нечной решетки , Ф . Н умачи п редусмотрел за рабоч и м участ ком диффузор с п одв и жн ыми стен ками . Для и сследов а н и я кавитационного обтекани я решеток п рофилей была переоборудована в ысокоскоростна я гидроди н амическа я труба Калифорни йского технологического и н ститута [63 ] . На выходе и з р ешетки , как и у Ф . Н умачи , п редусмотрен ы п одв и жн ые стен ки . Одн а и з стенок рабочего участка поз р ачн а я . В Советском Союзе дл я и сследов а н и я решеток п р офилей гидро ­ турби н н ого класса п редназн ачен а кавитационная гидроди н ами­ ческая труба ЦКТИ [8 1 ]. схема которой п р едставлена на 1 42

8

/

4 '

i?

lt 11

1

1

1

�

�

1 1

......

� 1 1 t

i

4

{� /

�J

'V O, f;. u l/!11//r 1

1

/ 1 // // /f,

1/

!

i

1

/INI

L''

JL

-f>

12 �

/ и

/1/• ///f///1 //f/ '

!

) /

1

1

1

1

11

.,.#!

1

1

�

/ , / /1///f

t-

� �

/•

Рис. IV. l 4 . Кавитационная г идродинамическая труб а :

комnрессор; 2 в а куумн ы й н асос; 3 - р едуктор; 4 - электродв и гатель; 5 - nри ­ бо р дл я оnределения воздухосодержан и я ; б - бачок регул и ровани я давлен и я; 7 де ­ а э рат ор; 8 - конфуэор; 9 р абоч и й участок ; 1 0 - диффузор ; / / осево 1"1 н асос; 1 2 ресорбер; 13 - н асос деаэр атора; 14 в и хрево11 насос; 15 - фильтр nесч а н ы й -

-

-

-

-

-

1 43

р н с . I V . l 4 . Эк сп е р и м е нт а л ь н ы й р абоч и й участок р асполагает ся в в е р х н е й ч ас ти т р у бы . Ци ркуляция п отока обеспечи вается сп е­

1 1 , п ривода м кот ор о г о служит дв игатель постоя н н ого тока . Питание двигате л я о существл я ется через трехмаши н н ы й агрегат Леон а рдо . В н и жней части т р убы распол агается развитый ресорбер 12, обеспечив ающи й р астворение бол ьшой части в оздушных п узырей, в ыделившихся и з в оды при кавитации в р абочем участке. Все трубоп р оводы и ресорбер выполнены и з нержавеющей стали , чтобы в максималь­ н ой степени ограничить загрязнение в оды п р одуктами коррозии . Для обеспечен и я равномерного потока перед р абоч и м участком устан овлены специ ально спрофили р ованный конфузор 8 со сте­ пен ью п оджати я около дев яти и сотовы й выпрямител ь . З а р абоч и м участком п редусмотрен диффузор 1 0 с малым углом конусности и п одв и жн ыми стен ками . В се колен а трубы и меют н а п р ав ляющие л опатки . Уровен ь давлени я в трубе регул и руется с п омощью в а к у умного н асоса 2 и компрессо р а 1 . Общее воздухосадержание мен яется с п омощью вакуумного деаэратора 7, снабжен ного цен ­ т робежн ым н асосом. Д л я измерен и я в оздухосадержа н и я и споль­ зуется усовершенствованный п р и бор В а н -Слайка 5. С его помощью оп редел я ется общее количество газа ( растворенного и дисперс­ ного) в п р обе в оды, вз ятой и з л юбого места устан ов ки . Расп ространено мнение о том, что з н ачени е и меет н е столько общее газосодержание, сколько содержание перастворенного газа и· даже спектрал ьный состав газовых пузырьков . В оз можно , эти м объясняется р асхожден ие некоторых экспери ментальных дан ных по вл и я н и ю общего в оздухосодержани я . В связи с этим в п ослед­ н и е годы в едутся работы п о созданию соответствующей аппара­ туры. Разработан ул ьтр азвуковой п рибор [ 1 3 ], п озволяющи й оп ре­ дел ять общее содержание перастворенного газа в п р оходящем потоке (экспресс-ан ализ) . Создан а аппаратура для оп р еделени я спектрал ьного состав а пузырьков газа в неподв и жной в оде [ 1 4 ] . В н астоящее в ремя осуществляются дальнейшее совершенствова­ н и е и доведение этой аппаратуры до п р а ктического п р и менени я п р и кавитационных и спытани я х [ 1 0 ] . Н ачаты также р аботы п о внедрен и ю оптических методов оп ределени я свободного газо ­ содержа н и я с помощью лазерной техники (гологр афи и ) . Т р уба позво л яет создавать скорости течени я н а входе в рабо ­ ч и й участок до 1 5-35 м/с, в зависи мости от объекта и сследов а­ н и я , и давления от п р а ктически п олного в акуума до �5 ат избыточ­ н ого давлен и я , что п озволяет изменять коэффици ент кавита ции [ 1 .4 ] ( IV. 24) ц и а .тi ьн ы м осев ым н асосом с поворотн ыми лопатками

в очен ь широких п ределах. При и спыта н и я х фи кси р уются ультра­ звуковые и зл учени я кавитаци и . Проз р ачные стен ки р абоч его 1 44

у ч аст ка обеспечивают в озможность виз уал ьных н аблюдени й , фото­ ск оростн ой кин осъемки в сех п р офилей решетки . И сследов а н и я п р офилей как изоли рован ных, так и в р ешетке, соп р овождаютс я , кроме того, замером гидроди намически х х а р а к­ те р исти к в статике и ди н ами ке с помощью специ ального малога­ б а р итного и малои нерцион н ого ди намометра н а тензометрах . К о эффи циент кавитации k п р и и сп ытани я х н а кавитационной т р у бе и з мен яется п утем регули р ов а н и я давлени я Pro и л и ско­ р о ст и Voo перед решеткой или изоли рованным п рофилем, п одобно т ому как для изменения кав итационного коэффи циента устан овки О'у ст н а кавитационном стенде изменяются в ысота отсасЬJВания н. (да вление н ад нижним бьефом В*) или н а пор Н. Св язь между ко эффи циентом кав итаци и k и кав итационным коэффи циентом уст а новки аус т была показа н а в п . 5 . Кавитационная труба п р едоставляет хорошие в озможности дл я и сследова н и я относительной и нтенсивности и локализации эрозионного в оздействи я кавитаци и при различных ее форма х . Для экспериментальной оцен ки и нтенсивности кавитацион ного воздействи я испол ьз уются различные легкоразр ушаемые мате­ риалы, в ч астности , дв ухслойное л а ковое покрытие [ 1 1 ] . Эроз и я на поверхности лака наблюдается в в иде отдел ьных я зв и н , р а з­ личных п о глуби не и диа мет р у , если п р одолжительность оп ыта не сли ш ком в елика . При длительных испыта н и я х л а к п олностью раз р ушается в зоне кавитации и площадь р а з р ушен и я растет со в р еменем з а счет подмыва к раев и смывается даже там, где навер н я ка нет кав итаци и . Поэтому и нтенсивность кавитацион­ ного в оздействи я обычно оцен ивается плотностью эрозии i, п ред­ ставл яющей число язвин , возни кающих н а еди н и це п лощади обтекаемой п оверхности в един и цу в ремен и , и л и и н ы м п а раметром, учитыв ающим н е только число, н о и размеры я зв и н . Н а р и с . IV. 1 5 [20 1 п р едставлено в качестве п р и ме р а распреде­ лени е плотности эрозии вдоль хорды п р офил я п р и кавитации в форме 1 1 и в форме I Z /. Из рис. IV. 1 5 в идно, что и нтенсивность к ави тационного в оздейств и я , оцениваемая п а р а метром i, п р и кав итации в форме / / / в два с л и ш н и м р а з а больше, ч е м п р и форме I Z . Зона п р офиля , п одвержен н а я эрозии , п р и форме I Z I то же з нач ительно больше. Максимальная и нтенсивность кавита­ ц ио нного в оздействи я локализуется в зоне хвоста кав е р н ы Uкав дли на каверны) . При форме ///, к роме того, и меется зон а и нтен­ си я ной эрози и н а входно й к ромке п р офил я . Удобно также х а рак­ те ри зовать и нтенсивность кавита ционного в оздействи я отноше­ н и ем общего числа язвин н а п рофиле к продолжительности испы­ тани я s. Н а р и с . IV. 1 6 п р едставлена зависимость велич и н ы s от ч ис.'Iа кавитаци и k п р и форме /// кавитаци и . Из графика в идн о, что и нтенсивность кавитационного воздействи я с уще­ с твен н о зависит от степени р азвития кавитаци и . С уменьшен ием Ч и с ла кавитаци и и нтенсивность s быстро возрастает, достигает М а кс имума , а далее начинает умен ьшаться , хотя , как показ ы и

-

!О

Н. /1 .

П ьtл а е Q

! 45

вают наблюдени я , хвост кавитационной каверны еще не выходи т з а п р еделы п р офил я . Графи к н а р и с . IV. l 6 дает также в озмо ж. н ость оценить в л и я н и е скорости и воздухасодержа н и я н а инт е н . сивность эрози и . Х а рактер зависи мости s = f ( k ) н е мен яет ся , н о вел и ч и н а s с ростом скорости резко возрастает, а увеличе н ие содержа н и я в оздуха в Форм а l/ воде снижает и нтенси в­ t, fjмин · см 2 ность эрозии . J O .---.---.---...----, В решетках п роф и ­ лей, как и н а изол и р о­ ванном п рофиле, наи­ большая и нтенсивность эроз и и и меет место п р и о 20 пузырьковой кавитации . Наличие н а поверхно­ сти п р офил я к роме пу­ зырьков факелов суще­ Форма 1!1 ственно уменьшает и н­ i, f/!tluн· см 2 тенсивность эрозии и размер эрозионных яз­ 60 в и н . Факельная форм а ( р и с . I . 9) и особенно форма 11 ( р и с . I .4) ка­ 40 витации обладают наи ­ мен ьшей эроз и онной JO способностью . Интен­ сивность эроз и и суще ­ ственно зависит от сте­ пени развити я кавита­ ци и , характеризуемой , о в ч астности , коэффи­ циентом кавитаци и . Пр и кавитации в форме 1 Рис. I V . l 5 . Распределение плотности эрози и зона эроз и и р аспол а­ гается в ра йоне выход­ вдоль хорды п рофиля п р и р азл ичных формах кавитаци и ной кромки . С увели чен и�м п р отяжен ности зо· н ы п рофи л я , зан ятой п узырьками , ч и сла И размеров п узырь ков и нтенсивность эрозии быстро растет, а затем резко п адает, когда п узырьки н ач и нают замыкаться за п ределами п рофи л я . Исследуя обте к а н и е каждой и з бесконеч ных плоских решеток п р офил ей , составл я ющи х лоп астн ую систему осевого рабочего колеса, мо ж н о пол учить п р едставлен ие об услов и я х р азвити я кавитаци и и к а в и ­ таци онной эроз и и н а лопасти рабочего колеса в целом. Т а ким образом, открывается воз l\ ю жность н а стадии п роекти рова н ия рабочего коле с а экспери ментально установить его кавит аци ­ онно-эрозионные характери сти ки в ши роком ди апазоне р е · жи мов . 1 46

l-' а спределение давлен и я н а п р офиле в да нной решетке, кото ­ е о р в конечном итоге и определяет услов и я развити я кавитаци и , з ав и с ит от геометри и п рофи л я и услови й обтека н и я решетки . в сво ю очередь , услов и я обтека н и я решетки i-го сечен и я рабочего к олеса определя ются режимом работы турби н ы . А нализ режи мов работы п оворотполоп аетной гидротурби н ы n о казывает, что в п оле универсальной характеристи ки различные с еч ения лопасти р аботают в ши роком диапазоне углов атаки а в х и от носител ь н ых скоростей w 1 . Н а р и с . IV. 1 7 п редставлены для n р и мера л и н и и п остоя нных s 1;с значен и й авх и w 1 для 111 1бо г---,-----т---;::т--,·---.---, с еч ени я лопастной систе­ м ы рабочего колеса ПЛ646. Отсюда в идно, что угол 120 1----+-�'---+-----'1�--+---1 ата ки авх существенно уве­ личивается с уменьшением --t---+-��1-___:ld----1 nj , а велич и н а скорости w 1 8 0 t--+бу м ен ьшается с уменьше­ нием Qi и ni . Ан алогичн ы й " о 1----+--'--+-"7""-'+---'""""'.,__-+-� х а рактер з ависи мости авх и w 1 от режи ма р аботы ___L ..J.._ ___! _,_ __, о L.,_..J.._ имеет место и на други х f, O f,'l 1,8 2, 2 2, 6 J, O k с ечен и я х лопасти . Причем п р и переходе от втулоч ных Рис . I V . l б . Зависимость и нтенсивности эро ­ з и и от ч исл а кавитации п р и кавитации к перифери й ны м сечен и я м форме 111 п р и р азл ичных скоростя х поугол ата ки авх уменьшает- в тока V 00 и воздухосодерж а н и я х воды сх : w с я, а скорость 1 увеличи 2 - v00 = 1 5 м/с; 1 - v00 = 1 5 м/с; а. = 0, 8 % ; в а етс я . а.= 1 , 6 % ; 3 - v00 = 1 3 м/с ; а. = 0, 8 % Указанн ое разнообра­ з ие в режимах обтекан и я о бусл овлив ает существование н а р азличных сече н и я х лопасти н а одном и том ж е р абочем режиме различных эп юр р асп ределения да в лен и я и, как следств ие , различных услов и й в оз н и кн ов ен и я и р азв ити я кавитаци и . В ид эпюр н а различных сечени я х лопасти дол жен существенно зависеть и от режима работы турби н ы . Испыта н и я н а кавитаци он н ой тр убе [ 1 9 ] показал и , что п ри п лен оч ных формах кавитаци и дли н а каверн ы растет п о мере умен ь­ ш е ни я числа кавитаци и k , но абсолютн ые з н ачен и я скорости о бт ек ающего п отока и общего в оздухасодержа н и я н е в л и я ют н а х ар а ктер этой зависи мости . Ш и р и н а з о н ы эроз и и увеличивается с р а зв итием кавитаци и и соответств ует области п ул ьсаци и каверны , Фи к с и р уемой с п омощью скоростной киносъемки . Гр а н и ца н ачала зоны эроз и и п р и форме кавитаци и 111 п роходит с р азу з а оконча н ием уча с тка действ и я растя гивающи х н а п ря же­ н и й l Это особенно заметно п р и начальных стади я х р азвити я . к ав итPаци и , когда дли н а кавер н ы мал а . В этом ж е месте п ро­ И с х одит периодически й отрыв кавер н ы . Ш и р и н а зон ы эрози и п р и Ф о р ме 1 1 1 увеличивается с р остом скорости , в т о в ремя как _

__

_

__

_

1 47

п оло ж е н ие ма кси м ума эроз и и остается неизмен н ь1м и расп олагаетс и в р а й о н е в иди м о г о х в оста кавер н ы . При форме кавитаци и 1 1 ш и р и н а з о н ы эроз и и существенно мен ьше и е е границы не и з м е. н я ют с я с изменен ием скорости . Местоположен и е макси м у ма эрози и смещено в н и з по п отоку п о отн ошени ю к види мому хвост у каве р н ы . И нтен си в н ость кав итацион н ого ш у м а дл я кавитаци и в фор м а х 1 1 и / / / увеличивается с увеличением степени е е разв ити я и с уве. личени ем скорости , но если дл я формы /// шум увеличивается

100

D'>6x=fб

L.l::I:=.L.-.f.+-==f�==-t�#""::::.._�;...:з:

оо ��--�����Т7�� · во

бОО 700 800 900 fOOO 1100 fZOO ЫОО 1'+00 1500 qf Рис. IV. 1 7 . Л и н и и посто я н ных з н ачен и й углов атаки tХ в х и относи­ тел ьных скоростей w 1 в поле у ниверсал ьной характер истики дл я 1 1 1 сече н и я лоп астной системы р абочего колеса ПЛ646

с уменьшен ием в оздухосодержа н ия , то для формы 1 1 в л и я н и е воздухасодержа н и я н а шум н е обна р уживается . А налогично влияние скорости и в оздухасодержа н и я н а и нтенсив н ость эро ­ з ии п р и пленочных формах кавитаци и . Но зависи мость и нтенсив ­ н о сти эроз и и от степени развити я кав итаци и п р и форме /// не монотон н а (как зависимость шума) , а и меет макси мум. Умен ьше­ н и е и нтенсивности эрозии п роисходит з адолго до выхода пульси ­ рующего хвоста каверны з а п ределы п рофил я и не может бы ть объяснено эти м обстоятельством. Сопоставление экспери ментальных данных с расчетными эп ю ­ рами распределен и я давлени я п оказыв ает, что место в оз н и кнов е ­ н и я кавитаци и н а п р офиле п р и в сех формах кавитаци и близ ко к зоне максимального разрежен и я . Кроме того, видно, что п р и формах кавитации факельной и 1 число kн ач удовлетворитель но согласуется с м и н и мальным коэффи циентом давлен и я на п р офи л е P m ir. , а п р и пленочной кавитации k нач < 1 Pmln [ . Ка к показывает эксперимент, п р и формах кавитаци и факе л ь­ ной и особен н о 1 ее развитие (с умен ьшением числа k ) п рои сходи т 1 48

оче н ь быстро, та к что число kнач и число k, п р и котором кавита­ ц и он н ые п устоты замыкаются за п ределами п р офил я , мало отли­ чаются друг от друга . Причем , чем бл и же к вых одной кромке р асполагается зон а ма кси мального разрежен и я , те м быстрее к аверна выходит з а п ределы п рофи л я . В решетках отмечено существов ание кавитации в в иде переход­ ной формы от 111 ко 11 форме. При этом кавитаци я возни кала в виде гладкой каверны с з амутненной поверхностью, характер р а звития которой был аналогичен развитию кавитаци и в фор1\tах 1 1 и 111. Эрозионные п роявления этой формы кавитации та кже мен ьше, чем при форме 111 . Кавитаци онная эроз и я п р и кавитации в срывной форме I V воз­ ни кала п осле сформи ров а н и я еди ной каверны с п ри бл и жением ее к п оверхности п рофи л я и с возни кновен ием п ул ьсаци й . Так же, к ак и п р и кавитации в форме 11/ , и нтенсивность эрозии дости­ г а ла макси мума п р и стади я х р азвити я , п редшеств ующи х пере­ рождени ю каверны в струйную. Кавитаци я - сугубо п р остранственный п роцесс . Поэтому до­ пусти мость и сследовани я кавитации п ространствеиной лопастной системы по схеме плоского течен и я н а решетках п р офилей н еоче­ видн а . С целью сопоставлен и я процессов кавитаци и в плоски х решетках п р офилей и н а лоп астях рабочего колеса были п роведены испытан и я соответств ующего модельного рабочего колеса ди а­ метром 350 мм н а соответств ующем режи ме работы . Испытан и я показали , ч т о п р и развитых стади я х кавитации дли н ы каверн в средней части лопасти и н а п рофиле в решетке близк�;� друг другу . В начальных стади я х н а лоп асти кавитаци я развивается интенсивнее, в иди мо, из-за в л и я н и я соседни х сечени й с несколько отличными эпюрами распределени я давлен и я . Н а корневом и пе­ рифери йном сечени я х лопасти кавитаци я существенно и н аче развиваетс я , чем н а соответств ующи х решетках п рофилей . Это объясняется близостью стенок камеры и втул ки рабочег9 колеса, а также в л и я нием зазоров лопасть - камера и лоп асть - втул к а . Та ким образом , кавитацион н ое обтекание плоски х решеток х орошо с оответств ует обтеканию только средней , удаленной от торцовых кр омок ч асти лопасти .

Г Л А В А V

ИС СЛ ЕДОВА Н И Я КАВИТА ЦИО Н Н О Й Э РОЗИ И

Эрозионные и сследов а н и я сводятся к решени ю следующи х основных п р облем: 1) определен и е зон и и нтенсивности кавитационных р а з руше­ н и й п р и различных режимах р аботы турби н ; 2 ) и сследование кавитационной стойкости материал ов ; 3 ) и з учение физической п р и роды и основных закономер ностей кави тационной эроз и и . Работы п о эти м нап равлен и я м в едутся как в лабораторных у слов и я х , та к и н а действ ующи х ГЭС. 20. И С С Л ЕД О В А Н И Е Э Р О З И И Н А М О ДЕЛ Я Х Т У Р Б И Н

В настоя щее в ремя п р и разработке новых рабочих колес все более ш и рокое расп ространение получает и сследова н и е кавита­ цио н н о й эрозии н а модел я х . Исследование эроз и и на модел я х позволяет н а стади и п роектиров а н и я оценить и нтенсив н ость кав и ­ та ци онн ого в оздейств и я н а рабочее колесо, а также определить, какие участки лоп астей н а и более подвержен ы разрушен и я м и требуют покрыти я кав итаци онн остойкими материалами . Н а и более п ростым способом обн аружен и я зон , подв ерженных кавитаци о н н ы м разрушен и я м , являются визуальные н а б людени я за развити ем п роцесса кавитаци и н а лопастях п р и стр обоскоп и ­ ческом осв ещен и и . Стробоскопически й эффект основан н а том , что есл и освещать в ращающуюся детал ь периодически п овторяю­ щ и миен и м п ульсами света , то п р и совп адении ч и сл а вспыш е к с числом обор отов детали благода р я инерционности з р ител ьного ощущен и я и зображение кажется н еподвижным. Интервалы между вспышками должны быть н е более О , 1 с . В качестве и сточн и к а света в стробоскопических установ ках и спользуются неонов ые лампы , и меющие ма.1ую и н е р цион ность. При хорошей оптической п роз рачности воды в стенде , доста­ точ н о мощной стробоскопической вспышке и больших р азмера х п р оточной ч асти модел ьной турби н ы , у которой стенки камер ы выполнены и з орг а н иче ского стекл а , можно п роследить, п р и каки х ус.1ов и я х начин ается п роцесс кав итаци и в р абочем колесе , ! 50

ка к он развив ается и на каком участке образ уются кавитационн ые к аве р н ы . Визуал ьные н аблюден и я могут соп ровождаться фотографи ро­ в ан ием. Стробоскопические н аблюдени я обычно сов мещаются п о в р е­ м ен и с опытами по определен и ю 0'1 у р б · Интересные результаты п ол учен ы п р и исследов а н и и стробо­ с к опическим методом п оворотнолопастных турби н , п роточ н а я ч а сть которых полностью доступ н а для н аблюден и я . Испыта н и я позвол и л и установить , что с увеличением разрежен и я за рабоч и м к олесом первые кавитационные каверны появляются в зазоре л о пасть-камера и лопасть-втулка рабочего колеса . Затем ка­ верны возни кают н а пере лопасти . Полное подавление кавитаци и происходит п р и зн ачительном п р отиводавлен и и за р абоч и м коле­ сом . Т а к , н а п р и ме р , на колесе ПЛ587 кавитационные каверны исчезают п р и О'уст 1 ,08 ( а ту р б = 0 , 48) [57 ] , н а колесе ПЛ6460 , 70 ( ату р б = 0 , 24) . при О'уст Стробоскопически й способ и сследов ания кавитаци и , отличаясь своей п р остотой , и меет ряд н едостатков , во-первы х , далеко н е все участки лопастей, особенно в радиально-осевых турби н а х , доступны для н аблюдени я , во-вторых, неизвестно, в какой степени образо­ вавшаяся кавитационная каверн а того и ли и ного ти п а опасна для лопасти . В связи с эти м, кроме стробоскопического н аблюде ­ ни я , п р и и сследова н и и кавитационной эроз и и н а модел я х ту рби н , так ж е как н а п р офи л я х в кавитацион н ой трубе ( п . 1 9) , п р и ме­ няется метод легкораз рушаемых покрыти й . Такой метод более точен и н адежен , так как позвол я ет в ыявить и менно те места , где покрытие раз р ушается в первую очередь и , следовательно, кав и ­ таци я н а иболее опасн а . Исп ыта н и я с п омощью метода легкоразрушаемых покрыти й вес ьма п родолжительны и совместить и х с обычными кавитаци он­ ными испытани я ми п о определению ату р б невозможно . Испытани я по этому методу ведутся в оп ределенной последов ательности . Модел ь р абочего колеса с нанесен ным покрытием испытыв ается определен ное в ремя (в ремя устанавливается в зависи мости от м атериала покрыти я , напора установ к и , р азмеров модели ) п р и одном режиме, характеризующем ся п остоя нными з н ачен и ями Q l , п; , О'уст · После этого турби н а разби р ается, обмеряется зона раз­ рушения , восстанавливает ся покрытие и затем задается следующи й режи м . В качестве легкораз р ушаемых покрыти й обычн о используются лаки и свинец. Н а ЛМЗ и сследования ведутся с лаковыми покрыти я ми . Метод тр ебует стр огого соблюден и я технологи и п р и готовлен и я и н а н е­ се н и я покрыти й . Лаки должны обладать хорошей адгезией как к мета ллу р абочего колеса , так и между собо й . В п р отив н ом слу­ ча е будет п роисходить не эрозионное разрушен и е ла кового покры­ т и я в в иде отдельных язвин , воз н и кающи х п ри к а в итационн ых =

=

151

уд а р а х , а с к ал ы в а н и е покрытия целыми кусками . Методи ка ра. б оты с л а ка ми раз работан а ВН ИИгидромашем ] . Рекоме нд0• в а н о дв ух слойное лаковое покрыти е .

[11

Н иж н и й слой - лак ЭЦ- 1 06, состоящий из раствора смол ы 106 в этилцел.1озол ьве из расчета 1 г смолы на 1 мл этилцеллозол ьв а с добавлен ием я р ко-к расного к расител я . В е р х н и й слой - л а к ЭГ К, состоящий из раство р а га р п иус а в ксилоле из расчета 1 , 5 г эфи ра на 1 мл ксилола с добавлен ием зеленого к расителя . а) Разл ичная ок раска слоев лака выбрана для удобства н аблюдения . Особое в н имание с ле ­ дует уделять подготовк е поверхности под лакок р асочное покрытие . Поверхность должна быть отпескоструена с испол ьзован ием очен ь мел кого песка и тща­ тел ьно обезжи рена . Лак наносится н а по ­ верхность детал и при комнатной температуре. После нанесения каж­ дого слоя лака п роизво­ дится сушка в течение одного часа ·п р и темпе­ Рис. V . l . Зоны воз н икновения кавитационных рату ре 80- 1 00° С. кавер н (а) и места р азрушения лакового по­ Дл я удобства заме­ крытия (б) на лоп асти р абочего колеса ПЛ646 ров п лощадей эрозии н а лопасти рабочего колеса наносится координатная сетка . В п роцессе эксперимента п роизводится нескол ько п ромежу­ точн ы х осмот ров рабочего колеса . Во в ремя осмотров фикси руется в ремя начала разрушен и я каждого слоя лака и оп редел яется скорость роста площади раз рушен и я . В е р х н и й слой лака ЭГ К менее стое к , о н разрушается в 4-5 ра з быстрее лака ЭЦ- 1 06 . По степен и разрушен и я верхнего и н и ж ­ него слоев лака можно судить не тол ько о местах раз р ушени я , но и сравн ивать в известной степени и нтенсивность кавитационног о воздейств и я н а разных режимах работы . Н а р и с . V . 1 показаны зоны воз н и кновен и я кавитацион ных ка ­ верн н а лопаст и р абочего ко.т1еса ПЛ646, зафиксированные n ри стробоскоп ическом освещен и и , и места разрушен и я лаково г о покрыти я . Испыта н и я был и п роведены на стенде с рабочим ко ле­ сом диаметром 250 мм , п родолжител ьность испытан и й 1 0 ч, напор 1 6 м . Режим испыта н и й : Q/ = 840 л/с; nj = 1 00 об/м и н ; (Jуст = 0 ,24; (Jтурб = 0 , 1 9 . ! 52

i3 ла б орато р и и гидромашин Лен ингрsщского пол итехн ического u н ст итута в качестве легкоразрушаемого покрытия п р и менялея св uнец [8 ] . Свинец н аносился н а стальные лоп асти рабочего ко ­ л е са электрол итическим способом. Толщина покрытия 0 ,080 , 1 мм . В связи с тем, что рабочее колесо радиально-осевой турбины nел и ком покрыть при помощи электрол итического способа не­ возм ожно , была создана разбо р н а я конструкция колеса с выем­ ны м и лопастям и . Испыта н и я п роводились п р и н а поре 30-70 м , диаметр мо­ дел ьного колеса 250 мм. При испытан и я х н а осви н цованных лопастях фиксируются зона эроз и и и косвенно и нтенсивность, характеризуема я в идом разру­ шен ного покр ытия , - помутнение, губчатое раз рушение, п ол ное удаление покрыти я . После снятия формул я ра и фотографирова­ н ия лопасть очищается от поврежден ного покрыт и я и покрывается сви н цом заново . Повтор яемость результатов п р и эти х испыта н и я х достаточно хороша я - изменен ие площадей эроз и и п р и один а ковых режимах не п ревышает 5 % . Исследование вл и я н и я п родолжительности испыта н и й н а эро­ зию, п роводившееся при напоре 55-70 м, показала, что зона эроз и и , выявившаяся з а первые 6 ч испыта н и й , в дальнейшем увел и чивается незначител ьно, измен яется л и ш ь характер раз­ рушен и я - от помутне н и я к полному удалению пок рыти я . Зона эроз и и н е зависит также от напора , с увел ичением напора меняется л ишь и нтенсивность кавитационного воздействи я : за 6 ч испытан и й п р и Н 32 м - помутнение пове рхност и ; п ри Н 42 + 52 м - губчатое разрушение; Н 62 - п ол ное удаление пок р ытия . Дл я серийных испытан и й п о определен и ю вл и я н и я услов ий работы ( Q I , n i, О'ус т ) н а эроз и ю были выбраны : п родолжитель­ ност ь одного режима 6 ч , напор 50-60 м . В качестве п римера н а р и с . V . 2 п р и ведены резул ьтаты испы­ та н и й рабочего колеса РО697в . Н а рисунке показавы ун иверсаль­ на я характер истика колеса с н анесенными н а ней режимами исп ы ­ та н ц й 1 , 2, . . . , б и соответствующие этИм режимам формул я ры к авитационной эроз и и лопасте й . Испытан » я н а каждом режиме п роводились с разными з н ачениями кавит а ционного зап аса, ха р а ктеризуемого коэффициентом ka = О'уст/оту р б · Изменение ka п роизводилось от 0 , 75 , п р и котором кавитаuия п р иводит к срыву к . п. д. , до ka 2 , 5 , когда кавитаци я пол ностью подавлена . Испытан и я н а рабочем колесе РО697в выявил и две зоны эро­ з и и : за входной к ромкой и около выходной к ромки лопастей . Зон а эроз и и н а выходной к ромке появ.1 яется m1 шь п р и ka 1 , 25 . П р и увел ичен и и и уменьшен и и ka эта зона н а основных режи м ах (3, 4) исчезает . Лишь н а поиижеиных нагрузках она сохран яется и п р и ka = 1 ,0 . =

=

=

=

=

=

153

расположенна я з а Ос н о в н а я :i O H a кав итационн о й эроз и и , в ход н о й к р о м к о й лопаст и , с увеличением кав ита цион ного запас а

2 , 5 п ра ктически исчеза ет . п остепен но уыен ьшается и п р и ka В оптимал ьной зоне характер истики и на малых расхода х эта зона исчезает уже п р и ka = 2 , 0 . =

Режимы f

2

90 ,

v

J

Тыл ь н а я

v

4

б

5

сторона

�

� 0. 12 _.. ....... ...... __.. ?' �о.......-

ь..

б

Ли ц е б ая стор она

5.

90

1 i\\ 80 /rilt:..Vv .... ;1?" / � 1\' .«i � 1 / .- 1/ ) � 70 L .0, 09 70 f �O.Dl. 11 1 lfJ \ � v 1 f 1'\.. -r;-: V! v во б О О 700Q; 800 воо 1000 ffOO qJ,л;c 80 v v'1.1

ni

�

�

'

Рис . V . 2 . Зо ны и и нтенсивность кавитационной эроз и и н а р а­ бочем колесе РО697в п р и разл ичных режимах р аботы

О -

п омут н е н и е п о ве р х н ости ;

-

- губчато е р а з ру ше н и е;

111:::1 - с кв оз н о е ра з р у ш е н и е п окр ыти я

Р ассматр ив ая зав исимость э рози и от мощност и и л и от расхода , можно отметить , что н аименьшие разрушен и я наблюдаются на режиме 1 , где Qi = 50 % Q/ m a x · С увел и чением Q i эроз и я воз ­ растает, достигая максимума н а режиме 4 (Qi m a x ) . Н а рабочем колесе РО697в разр ушен и я м подвергается в основ ­ ном тьшь ная сторона лопаст и , одна ко н а нерасчетных режим ах , п р и больших п; (малые напоры) разрушен и я в озн и кают и н а ра ­ бочей стороне лопасти (режим б, ni = 95 об/мин) . 1 54

Исследова н и я кавитационной эроз и и на модел я х методом легко ­ р а з р у ш аемых покрытий позвол яют выя в ить зоны кавитацион ного во здей стви я и оценить вл и я н ие режимов работы на и нтенсивность р азр уше н и й . Исп ытан и я нагл ядно показывают, что эрозия начи ­ н ается задолго до кавитацион ного срыва к . п . д . Т а к , н а п р имер , д.!J Я р абочего колеса РО697в эроз и я возни кает п р и О'ус т • в 2-2 ,5 р а за п ревышающей О'ту р б · Эти резул ьтаты согласуются с и мею ­ w. и мся опытом экспл уатации гидротурби н . 21 . И С С Л Е Д О В А Н И Е Э Р О З И И Н АТ УР Н Ы Х ТУР Б И Н

Исследован ие кавитационной эроз и и н а нату р н ы х турби н а х к р оме выяснения основн ы х закономерностей развития кавита­ цион н ы х п роцессов в услов и я х действующих ГЭС, позвол яет каче­ ств енно оценить масштабный эффект и уточн ит ь методы пересчета р езул ьтатов эрозионных испыта н и й моделей турбин . Н ужно отме­ т ить сложность и бол ьшую тр удоемкость исследова н и я эроз и и в нату р н ы х услов и я х , однако без эти х испытан и й нет уверенности в п равиль иости методов пересчета результатов, пол ученных в ла­ борато р и и . Н ату р н ые испыта н и я имеют также бол ьшое з наче н ие дл я выяс­ нени я влияния нагруз к и , действующего напора и загл ублен и я турбин ы н а и нтенсивность кавитационной эроз и и дл я конкрет­ ной гэс. Первые публикации по исследова нию кавитационной эрозии турбин в нату рных услови я х появил ись в 1 958 г . [90, 91 ]. Кав и ­ тационная эроз и я фикси ровалась п р и помощи легкоразр ушаемых покрытий . В р аботе Р . Г . Кнаппа [ 9 1 ] излагаются результаты испытан и й радиально-осевой турбины N = 3 0 МВт, Н = 24 , 4 м . В качестве легкоразрушаемого покрытия использовался ч исты й алюми н и й . Алюминиевая пластинка , изогнутая п о форме лопаст и , устанавл и ­ валась н а в ходной кромке о коло н и жнего обода к а к с о сторо н ы низкого, так и в ысокого давлени я . Крепление пластинки осуще­ ствлялось болтами, расположенными по ее краям. Испытывался режим полной нагрузки и холостого хода . В ремя испыта н и й 5 , 1 0, 20 мин . Н а каждый опыт ставил ись новые алюми­ н иевые пластин к и . Интенсивность эроз и и оцен ивалась по кол и­ честву кавитационн ы х вмятин н а един ицу площади в един и цу в ре­ мен и . Испытан и я показал и , что н а холостом ходу разрушения отсут­ ствовал и . На полной н аг рузке кол ичество вмятин на 1 см2 за 1 с составляло 0 , 5- 1 , 1 . Средни й диаметр вмят и н 0 ,06-0 , 1 мм . К недостаткам экспер и мента следует отнести неудовлетва р и ­ тел ьное к репление алюмин иевых пластин , кото рое п ривело к и х отгибу н а стороне низкого давлен и я д о 1 8 м м . В работе С . Керра и К . Розенберга [ 90 ] интенсивность кавита­ ци онной эроз и и оценивалась с помощью радиоизотопов . 1 55

И с п ы т а н и я п р оводились н а ГЭС Вамма в Норвеги и . Испыты.

р ади а л ьно-осевая турбина двухколесного типа N = Н = 26 м , Hs = 5 , 5 м . Н а рабочем колесе в зон е эроз и и на носилось пок рытие, соде ржащее радиоактивный мышь я к . И нтенсивность эроз и и оп редел ялась по уменьшению р адиоакти в . ности покрыт и я за определенный пер иод испыта н и й . П р и и з мерен и и нап равл яющий аппа рат за_100 в р ащала сь к р ывалея и турбина � н х ронного и с режиме в генератором � <:::: компенсатора в сухои камере. с чет� 80 ч и к устававливалея в к рышке смот·� рового люка . Резул ьтаты испытан и й � редставлены на рис. V . З . п �� 50 В СССР дл я исследов а н и я эроз и и н а нату рных турбинах выбран метод легкоразрушаемых покрыт и й . Иссле;е: lfO дован и я п роводил ись научно-иссле:" довател ьски м сектором (Н ИС) Гидрап роекта и ЛМЗ . В качестве легко� разрушаемого материала испол ьзо20 вался отожженный алюм и н и й марки � АД l М (НВ 20) . Толщина алюминие� ., вых пластин 1-2 м м . В отл ичие от 8N, МВт 10 методик и Р . Кнаппа , к репление алю5 4 м и н иевых пласт и н осуществлялось Рис. V . З . Зависимость эроз ии от клеевым способом. Это обеспечивало мощности агрегата по опытам монол итное соединение пласт и н ы с осС . Кер р а и К . Розенберга новным металлом и исключало всп у­ чивание и отгиб пласти н . П р и клеиван не алюм и н иевых пластин п роизводилось ка рбинольным и л и эпоксидным клеем N!! 1 53 .

валас ь

=

8 , 3 М Вт ,

u

�

�

�

Состав карбинол ьного кле я (в весовых частях ) · 1 00 Стабилизированн ый карбинольный сироп . . . . . . 2,5-3 , 0 . Перекись бензоила 70 Тальк . . . . . . . . . . . . . . . . . .

.

.

Состав эпоксидного клея комПолиэфирно-эпок сидно-тиоколовы й 1 00 паунд К 1 53 . . . 1 5- 1 7 Полиэтиленп олиаы и н 50 Тальк . . . . . . . . . . . . . .

Дл я получе н и я н ужной вяз кости п р и готовленный клей в ыдер ­ живался в течение нескол ь к и х часов п р и комнатной температур е . Повер хность алюм и н иевы х пласт и н , подлежаща я склей ке , п редвар ител ьно пескост р у илась, а непос редственно перед нане се ­ н ием клея обезжиривала сь . Пласт и н ы уста нав.1 и в ались и п р ижимались к лопаст и р абоч ег о колеса с помощью специального п р испособ.11ен и я . Дл я быстр е й 1 56

!ll e гo схватыва н и я клея осуществл ялся подог рев участков склей ки п р и 40-60° С. После отверде н и я клея п р испособление снималось 11 п р оизводилась зач истка и задел ка уступов и не ровносте й . В р емя выде ржки одного режима в зависимости о т и нтенсивно­ ст и кав итации н а г идроэлект ростанции выби ралось 1 0- 1 20 мин . З а это в ремя п роисходила пл астическа я деформация пове р хности а лю мин иевых пласти н кавитацион ными уда рами без уноса мате­ р иа л а . Пр и испыта ниях , проводимых Н ИС Гидропроекта , оценка и нтенсив ности эрозии производилась по кол ичеству кавитацион­ н ы х вмяти н на еди ницу площади или по отношению площади э р о зи и к общей площади лопасти . Подсчет кол ичества вмятин и площади эроз и и п р о изводился после каждого р ежима испытан и й без сняти я пластин с лопастей . Перед новым р ежимом зона эрозии зачищалась. Так и м обр азом , одни и те же пластины использовались дл я нескол ьких р ежимов . Однако п р и большой и нтенсив ности кавитации даже з а 1 0 мин ис пыта н ий на алюми н иевых пласти нах появляются вмяти ны , котор ые тр удно зач истить . К тому же , матер иал в процессе дефор ­ м ации мен яет свои свойства за счет наклепа и условия испытани й становятся несопоставимыми . В связи с этим испытан и я , п рово­ димые ЛМЗ , предусматр ивали после каждого режима испытани й сн ятие пластин и наклей ку новы х . Следует та кже отметить , что для оценки эрози и показател ь кол ичества кавитационных вмяти н н а един ицу площади недо­ статочен . Бол ьшое значение и меет и сила кавитационного удар а , оцениваема я глуб иной вмятины . Можно представить массу слабы х удар ов , которые оставят лиш ь следы на алюми н и и , в то вр емя как несколько сильных уда ­ р ов вызовут его р азрушение . Интенсивность кавитационного воздейств и я н а иболее пр а­ вильно определяется количеством унесенного металла , и змер яе­ мого глуби ной и площадью р азр ушенной повер хности . В связи с этим в качестве показателя интенсивности кавитации н а ЛМЗ выбр аны средня я глуби н а и площадь эрози и . Учитыва я , что п р и и спыта н и я х алюминиевые пластины не доводились до р азр ушени я , св язанного с весовыми потер ями , средн я я глубина эр озии под­ счит ывалась как средня я глубин а деформированного металла . Этот показател ь учитывает как количество , так и силу кавита­ ци он ных ударов . Поскол ьку на повер хности лопасти и нтенсив­ н ост ь кавитацион ного воздействи я неоди накова , вся зона эрози и Р азбивалась н а отдел ьные участк и , дл я которых определ ялас ь глуб ина деформации hд и площадь эрозии sэi • Дл я определени я гл уб ины деформации из каждого участка повр ежден ной повер х ­ н о ст и вырезалея обр азец р азмером 1 5 Х 1 5 мм и дл я элемента n о вер х ности 5 Х 5 мм. р асположенного в центре обр азца , стро и ­ л ись п р офилагр аммы шести срезов длиной по 5 мм . Профило­ г р а мм ы строились с помощью микроскопа ( Х 320) с микр ометр и -

1 57

ческим переме щением стола и тубуса . Глубина деформации onpc:. дел ял ась как отношение суммар ной площади выступов и вп ад и н относител ьн о л и н и и исходной повер хности к дл и не р ассматр и в а е. моrо участка Sвыст + Sв п h _

д -

l

.

(У . ! )

Осредненная по шести срезам глубина деформа ци и служи л а характер и стикой кавитационной эроз и и н а р ассматр иваемом у ч а . стке . Суммар ный объем дефор маци и всей площади эрозии мо жн о определить суммированием объемов по отдельным участкам (V . 2 ) В СССР метод исследова н и я кавитационной эрозии турби н с помощью легкор азр ушаемых матер иалов получи л название метода скоростной эроз и и . Этим методом ЛМЗ п роведены испы­ тан и я одной поворотнолопастной турби ны - Вер хне-Туломекой ГЭС и трех р адиально-осевы х - Б а ксанской , ГЭС Нива- 1 1 1 и Б ратской . Н а В е р х н е - Т у л о м с к о й ГЭС исследовано четыре нагр узоч ных р ежима (табл . V . l ) . Т а б л и ц а V. 1 "'

� .

е>. :; > <11 = . " о:S Q)JE Б,

:r: "- 1

2

3

4

Р ежимы и с пытан и й т ур би н ы Верхне- Тул ом е кой ГЭС ... "'

� "'

::; "'

:Е

"'

"( "' "'" ... "'

:с;

:з::

"' :з::

&

38 48 57 62

58, 1 58,4 58,4 58,2

-4,6 -4,4 -4 ,4 -4,6

-3,0 + 1 ,8 + 5, 1 + 7 ,2

П р и м е ч а н и е: nравля ющего аппара т а.

!р -

:Е :Е

"' <jc

1 70 208 228 243

...

.} 0,25 0,25 0,25 0,25

=

.

= :Е

..... \С) о

r:- .,

1 03 1 03 1 03 1 03

угол разворот а лоnас тей;

". .... .. "'

\С) "'" >-

· r;

ь

ь ..,

550 690 825 900

0,13 0,16 0,19 0,23

1 ,92 1 ,56 1 ,32 1 ,09

а0 -

о т крытие на-

Время одного р ежима - 30 мин. Алюмин иевые пласти н ЬI наклеивал ись н а две лопасти . Это обеспечивало дубл ирова ни е и контрол ь р езул ьтатов . Нужно отметить , что существенных р асхожде н и й в эроз и и каждой лопасти не обнар ужено . Н а р и с . V . 4 показаны зоны эр о ­ з и и н а алюмин иевых пласти н а х одной и з лопастей . По рез у л ь ­ татам этих опытов можно уста новить в.rш яние нагрузки тур би н ЬI н а и нтенсивность кавитационной эроз и и . 1 58

Сл едует отметить , что п р и испыта н и я х велич и н а Н5 оставаласЬ n р а к тически постоян ной и с и зменением мощности мен ялось з н аче ние k 0, при этом максимальной мощности соответст в о в а ло �т н им а л ьное з н ачение ka = 1 ,09 , а мин имальной мощности ­ � 1 а к симал ьное значение ka = 1 ,92 .

Рис. V . 4 . Зоны эрозии на алюмин иевых пластинах лоп асти р абочего колеса Верхне-Туломекой ГЭС; 1, 2, 3 , 4 - номера режимов (табл . V. l )

О

=

-

3 +10

глу б и н а деформации

М КМ;

m

hд

=

О +3

мкм;

�

- ГЛу б ина деформаЦИИ hД ;;. н иевых пластин

10

-

MI<M;

глу б ина деформации

-

hд

=

- - - Граница ЗЛЮМ И •

В процессе обработки р езультатов испыта н и й дл я каждой з оны эрозии , показаи ной н а р ис . V . 4 , подеч итывались глуби н а д еформаци и и площадь . И нтересно отметить, что н аибольшая глуби н а дефор мации на участке з а входной кромкой лопасти н аб л юдалась на р ежиме 2 ( N 48 МВт) . И меющийся. максимум глуб и н ы дефор мации н е может быть объяснен вли я н ием величины скорости обтека н и я . Как показали n р оведеи ные р асчеты , относительная скорость при и меющи х место n p eдe.'la x измене н и я нагрузки меняется незначител ьно . Наличие =

! 59

максимума связано с ди намикой смыка н и я кавитационной к а ­ вер ны п р и изменен и и ее р азмеров . Площадь эрози и за входной кромкой с увел ичением мощно сти возр астает, при этом происходит удаление области макси мал ь н ых поврежден и й от л и н и и кромки . На пер ифер и йном участке лопа с ти зона эрози и также возр астает с увел ичением мощности . Интегр альная и нтенсивность кавитационного воздейств и я , ха . р актер и зуема я суммарным объемом дефор маци и Vд , п р и увел и . чен и и мощности от 38 до 58 МВт р астет (р ис . V . 5) . Дал ьнейшее увеличение v-�нагрузки п р и водит к н е ­ / которому снижени ю вели­ ч и н ы Vд . Така я зависи ­ 50 мость хар а ктер на как для ...... , участка эрозии за в ходной J' кромкой , так и дл я пери­ v фер и и лопасти . / И нтер есно сопоставить 25 р езул ьтаты н атур ных ис­ v пыта н и й с модельными . / / Оди н и з р ежимов лабора­ "" тор ных испыта н и й р абоче...,.._ 50 N, МВт го колеса ПЛ646 на стенде 50 диаметром 250 мм пред­ Рис. V . S . Зависимость и нтегральной инте н ­ ставлен н а р и с . V . l . Этот сивности кавитационного воздействи я от мощ­ р ежим соответствует режи ­ ности турби н ы Верхне-Туломекой ГЭС : му 3 на Верхне-Туломекой н 1 - зона эрозии за вход ой кромкой лопасти; 2 - зо н а эрозии н а n ериферийной кромке ГЭС (р и с. V . 4) . Сопоставл я я эти р езул ьтаты , можно отметить л и ш ь качественное совпадение: как в лаборатор ных , та к и в н атурных услов и я х р азрушение н аблюдается вбл из и входно й кромки тыл ьной стороны лопасти . В то же время имеется сущест­ венное несоответствие в локали заци и зон эрозии между модел ь ю и н атурой . На модел ьной турбине р азрушение лакового покрыти я ло­ пасти происходит в виде небольшага п ятна диаметром около 1 0 % дл ины в ходной кромки . Увеличение продолжител ьности и спы­ та ний с 1 0 до 30 ч не п р и води т к увел ичен ию р азмер ов п ятна . На нату р ной турбине зон а р а зр у шений зани мает широк ую полосу, вытя нутую вдол ь входной кромки . Протяжен ность зон ы максимал ьной и нтенсивности составл яет п р имерно 50 % дл ин ы входной кромки . Относител ьна я площадь поврежде н и я н а натурной турбин е во много р аз бо .1 ьше , чем н а модел и ,

1

[\

1

/

S н э • S мз 2 ' Dl н Diм •

1 60

_ -

30

•

С ущественно выше в нату р н ы х услови ях и и нтенсивность ка ­ в и та ционной эрози и . Есл и н а модел ьной лопасти ла ковое покры­ ти е р азрушается путем выкала мел ьчайш и х ч астичек диа метром м е н ь ше О, 1 мм, то н а н атур ной лопасти поврежде н и я на а .1 ю м н ­ н и ев ы х пластин а х и меют хар а ктер вмятин с диаметром до 1 l\l l\1 и глу биной до О , 1 мм. Дл я ср авнен и я стой кости л а кового покрыти я и адю l\ш н и я был и п р оведены испыта н и я в гидродинамической тр убе с и нтен ­ сив ностью кавитацион ного воздейств и я , бл из кой к турби н ам В ер хне-Туломекой ГЭС. Пр и этом было обнар ужено , что р а зр у ­ wен ие л а кового покрыти я происходит в первые ж е секунды опыта . Л ак скалывается в в иде п ятен диаметром до 2 мм . Пол ное р аз р у ­ w ен и е покрытия п роисходит через 20-40 с . Уч итыва я , ч то н а модел ьной турби н е сквозные р азр ушени я л акового покр ыти я появ ились через 1 0 ч испыта н и й , можно заключить , что и нтен ­ с ивность кавитационной эрозии н а н атурной турбин е в сотни ра з выше , чем н а модел и . Это вызвано бол ьшими л и нейными р аз ­ мерами (D 1 н/D 1 м 1 6 , 8) , более высокими значени ям и скоростей 1 ,9) , а также связанным с этим и зменением х ар актера ( vj vм к авитационного течения . Н а модел ьной лопасти кавитацион н а я кавер н а в основном имеет гладкую повер хность и л и ш ь в местах сильной турбулизации потока , р асположенных бл и же к пер ифе­ рийной к ромке , гладкая повер хность кавер ны н ар ушается и происходит вынос за пределы кавер ны отдел ьных пар овы х пустот. Н а н атур ной турбине степень тур б у лентности выше (Rej Reм 32) и р езкие возмуще н и я кавер н ы , .сопровождаемые отры вом и выносом пар овых пустот, могут и меть место по всей дл ине хво­ стовой ч асти кавер ны, что и вызывает р азрушен и я , расположен­ ные вдол ь всей входной кромки лопасти . Рассмотр и м р езул ьтаты испыта н и й н а эрозию р адиал ьно-осе­ вых турбин . Н а Б а к с а н с к о й ГЭС исследовалось р абочее колесо Р0697а опытной турби ны. Кавитационные р азр ушени я на этом колесе в услов и я х Баксанекой ГЭС н аблюдаются с тыл ьной сто­ р оны лопастей вдоль всего н и жнего обода . Н аибол ьша я и нтенсив· н ость эрози и - в р ай о не выходных кромок лопастей . В этом месте и были н а клеены алюмин и евые пласти н ы . Размер пласти н 1 55 х 1 20 мм. На Б а ксанекой ГЭС, кроме вли я н и я мощности , было исследо­ вано вли яние высоты отсасыван и я на кавитацион ную эрозию . И зменение высоты отсасыван и я производилось путем уста новки щ итов в отводящей камере . Продол жител ьность одного режима б ыла выбрана 2 ч . Х ар актер истика исследованных режимов п р и веден а в табл . V . 2 . Резул ьтаты испытан и й представлены н а р ис . V . 6 , где по оси а бсцисс отложены мощность и ka , а по оси орди нат - объем дефор мации алюми ни я . =

=

=-=

=

11

Н.

И . П ы.1 а с в

161

Табл и ца

..

Р е ж и м ы испыт ан и й тур бин ы Баксан е кой ГЭС

....::;: .

са

:0::

:t:

:t:

1 2 3 4 5

5 7 9 9 9

89,87 89, 5 1 89,27 91 , 1 6 87,91

- 1 ,48 -1 ,60 -1 ,84

::;:

1

"' "'

"'

"'

о" :С о.

....с;u .

;

::;:

::;:

" о. :; " = � :Е

"'

10 о

' О'

' r:.- с

63, 5 63,5 63,5 63,5 63,5

о -3 ,0

466 652 840 1 820 862

i

..

10 о. :»

V.2

�

�:�'"

1:>

1:> ""

0,09 0,09 0,09 0,09 0,09

0 , 1 22 0 , 1 25 0 , 1 27 0 , 1 04 0 , 1 43

1 ,39 1 ,38 1 ,4 1 1 , 15 1 ,59

Максималь н ый nриведе нн ый расход для колеса РО697(а) -

1 160

! 1

л/с.

Из р ис . V . 6 следует, что с увел ичением мощности эрозия в зоне выходной к р омки лопасти возр астает, дости гая максимума в опти­ мальной зоне хар а ктер исти ки (дл я Р0697 Q; о n т = 950 л/с ) . oJ

V0, мм J 15 10

1

5

7

l

9 N, МВт

f, 2

Рис. V . 6 . Зависимость кавита ц ионной эрози и от мощности (а) и з аглубления (б) турбины Баксан­ еко й ГЭС

Площадь эрозии с увеличением мощности смещается к выходно й кромке . Можно предположить , что п р и дал ьнейшем р осте мощно­ сти область замыкани я кавитационных кавер н сместитс я за пре· делы лопасти . Интересно п роследить за состоян ием агрегата с набором на · грузк и . Самый неспокойный р ежим р аботы турбины, хар а ктер и1 62

з уе мы й бол ьш ими вибр аци я м и , качанием мощности , глухи ми уд а р а ми в отсасывающей трубе, н абл юдается при 5 МВт, где к ави та цион н а я эр оз и я н а лопастя х минимал ьная . Пр и нагр узке g МВт агрегат р аботает спокойно, а эрози я ма ксимал ьна я . Это с видетел ьствует о том , что кавитацион ная эрози я на лопастя х н е связана с в ибр ацион ными х а р а ктер исти ками агр егата . Интересна я зависимость получена п р и оценке вл и я н и я за­ глубле н и я н а кавитационную эрозию, р асположенную в зоне вы ходной кромки лопасти . С увел ичением ka от 1 , 1 5 до 1 ,4 1 п ро­ и сходит возраста н ие эроз и и , а затем · при дал ьнейшем увеличе­ н и и k 0 эрози я падает. Такой характер изменен и я эрози и с заглуб­ лением п р едставляется впол н е закономер н ы м . Действител ьно , пр и у мен ьшен и и загл ублен и я турбины кавитационная кавер на настол ько возрастает, что отрывается от лопасти и ее замыкание происходит за лопастной системой (режим супер кавитаци и ) . В этом случае эроз и и вообще н е будет. Увел ичивая заглубление турбины , можно достичь такого р ежима , когда кавитация будет полностью подавлена и эр озия исчезнет. Между этими к р ай н и ми точ ками естественно предположить существова н и е режима с ма­ ксимал ьной эрозией , когда услови я образован и я и последующего смы к а н и я кавитацион н ы х п устот будут н а иболее бл а гоп р и ятны дл я создан и я жестки х р а з р ушающи х ударов. Полученные резул ьтаты натур н ы х испыта н и й р абочего колеса Р0697 согласуются с модел ьными испытани ями (р и с . V . 2) , где эрози я н а вы ходной кромке лопасти также максимал ьна п р и ka � 1 ,4 . Н а Г Э С Н и в а - I I I исследовалось вл и я н ие н а кавита ­ ционную эрозию мощности турб и н ы , заглублени я и впуска воз­ духа через центральное отверстие вала турби н ы и через кл апаны ср ыва ва кумма . Основные п а р аметры тур б и н ы и тип р а бочего колеса п р иведены в табл . ! 1 . 5 . Изменен ие заглублен и я турбины обеспеч ивалось за сче1 п р и ­ л и вов и отл ивов (нижний бьеф ГЭС связан с Белым морем) . Алюм и н иевые пласти н ы ваклеивались н а тыл ьную сторону лопасти со стороны входной и выходной кромо к . Пр одолжител ь­ ность одного р ежима испыта н и й , так же как н а Б а ксанекой ГЭС 2 ч. Х а р а ктер исти ка р ежимов испытаний п р и веден а в табл . V . З . Испыта н и я показал и , что и н тенсивность эрози и н а участке за входной кромкой весьма сл аба я . За 2 ч испыта н и й глубина и количество кавитацион н ы х вмятин н астол ько незначител ь н ы , что сопоставить р ежимы по и нтенсивности эрозии на этом участке не удалось . Пласти н ы в зоне входной кромк и оставал ись без замены в течен и е всех р ежимов и несмотря на это не получили существенных поврежден и й . Объем дефор маци и н а алюми н и и за весь пер иод испыта н и й составил всего 1 4 мм 3 • Оценка и нтенсивности кавитацион ного воздейств и я произво­ дилась по пласти нам, р асположенным н а участке выходной кромк и . ·

1 1*

1 63

Таблица " с.. ::: " ::

:;: :.;:: о "� - "-

1

1

.... "'" ;;:: "' <

1 2 3

9 19 19

4

5 6 7 8 9

Ре жимы испытан ий турбины ГЭС Н и ва- 1 1 1

1

1

2

:: -

2

"'

::r:;"'

"'

u --...

� --... \0 о "' "'

'о -

t;

"'

.... u »

о

\0

о. » '" о

o. :t

t: � -

73 ,98 76,00 76,20

0 , 09 1 ,7 1 2 ,03

64 ,4 63 , 5 63,4

293 418 415

0 , 1 39 0 ,06 О , 1 1 3 0 ,07 0 , 1 09 0 , 07

2 ,30 1 ,6 1 1 ,56

19

76 ,50

1 ,99

63, 1

415

0 , 1 09 0,07

1 ,56

29 29 38 38 38

74 ,96 74 ,00 76 ,00 73 , 63 69,80

0 , 98 0 , 03 1 ,77 0,01 --1 , 1 5

64 , 0 64,3 63 , 5 64, 5 66,3

596 600 740 779 885

0 , 1 24 0 , 1 39 0, 1 12 0 , 1 39 0 , 1 64

1 , 57 1 ,76 1 ,23 1 ,42 1 ,49

0,079 0,079 0,09 1 0,098 0, 1 10

"' :Е <:> "' ::

..,

о

V.з

-

В п уск воздуха через вал В п уск воздуха через клапаны срыва вакуум а -

-

-

На этом участке пластины после 2 ч испытаний получали заметные повр еждени я и после каждого р ежима менял ись. Резул ьтаты испыта н и й п р едставлены н а р ис . V . 7 . Зависимость эр озии о т мощности турб и ны дл я р абочего колеса РО82 хар а ктер изуется максимумом в оптимал ьной п о к. п. д . зоне х а рактер исти к и . Пр и умен ьшении и л и увел ичени и н а гр узки по отношен и ю к оптимальной эроз и я падает. Такая зависимость хар а ктер н а дл я эрозии , р асположенной вблизи выходно й кромки лопасти . Действительно, с увеличением мощности р астет отно ­ сител ь н а я скорость потока и эроз и я увеличивается . Этому пе ­ р иоду соответствует участок к р и вой изменени я мощности от 9 до 29 МВт (р и с . V . 7 , а) . Дальнейшее увеличение мощности , сопро­ вождающееся р остом скоростей и снижением давлени я , смещает зону замы ка н и я кавитационных кавер н за лопастную систему, и эроз и я умен ьшается (участок кривой с изменением мощнос ти от 29 до 38 МВт) . Зависимость эрозии от заглублен и я исследована н а дву х на ­ груз ках : 29 и 38 МВт (р и с . V . 7 , 6) . Штр и ховыми л и н и ями н а это м р исун ке показан предположител ьный ход кр и вы х , построен ны х по а н алоги и с р ис . V . 6 . Максимальна я эрозия наблюдалась п р и ka 1 , 5 --;.-- 1 , 6 . На н агрузке 29 М Вт с у мен ьшением заглубле ­ н и я (ka шмен яется от 1 , 76 до 1 ,57) площадь эрози и , нескол ь ко смеща ясь к вы ходной кромке лопасти , остается посто я н н о й , а г.rrуби на эрози и возр астает. Режим с N = 29 МВт и ka 1 ,5 7 =

=

1 64

х ар а ктеризуется на ибол ьшей интенсивностью эрозий - глубина отдел ьн ы х вмятин н а алюмин иевых пл астинах дости гает О , 17 мм, а диаме тр до 1 мм. Уменьшение подтопления пр и на грузке 38 МВт п р иводит к су щественному сокраще н и ю площади эрози и . Пр и этом зона э р ози и смещается к самой выходной кромке лопасти (р ис. V . 8) . См ещение зоны эрози и объясняется пон ижен н ем давлени я в по­ то к е и перемещением смыка н и я кавитационных кавер н за лопаст­ ную систем у . а) Vu, м м .J 50

50

1

/

1

....х

30 20 10 О fXQ:-� 2-':0 --::':�---' lf 0 JO N, м в т

\

\29 \

МВ т

\

1' -..

38'18! 'j

х�

f,б

Рис. V . 7 . Зависимость кавитацион ной эрозии от мощности (а) и заглубления (б) турбины ГЭС Нива-1 1 1

Дл я исследова н и я вл и я н и я впуска воздуха в зону р абочего ко леса на эрозию был выбр а н р ежим с N 19 МВт. На этом р ежиме засасывается максимал ьный объем воздуха . Одна ко даже максимальный объем воздуха , всасываемого через центр ал ьное от верстие вала и через клапаны срыва вакуума , не о казывает з аметного вл и я н и я на кавитационную эрозию лопастей . Объяс­ н яется это тем , что воздух засасывается в центр альный в и х р евой жгут, обр азующийся за колесом, и выносится с потоком и з тур ­ б ины . Попада я в вихревой жгут, возду х снижает пульсации по­ тока , вызванные уда р а м и при смыкании парагазовы х пустот жгута н а стенках отсасывающей тр убы . В зоны образован и я и см ыкан и я кавитацион ных кавер н н а лопастя х воздух не попадает и , следовател ьно, не может оказать какого-либо вли я н и я н а эр озию . Испыта н и я н а турбине Б р а т с к о й Г Э С были проведены на р ежимах 65, 80 и 1 00 % Nmax · =

165

Р абочее колесо Р 0662 в услов и я х Б ратской ГЭС подвер гаетс я эрозии в зон а х за входной к ромко й , а также бл иже к выходн о й кромке лоп асти (р ис. 1 1 . 1 8, Vl) . Ввиду некоторой разницы в и зг о ­ товле н и и лопастей зона эрозии занимает полосу ш и р иной --- 600 мм , расположенную вдоль всего н и жнего обода . В этом месте и бы л и fl а клеены алюминиевые пласти н ы . Н а клейка п роизводилась на двух лопастях . На каждой ло­ пасти наклеивалось по п ять от­ дел ьных пл астин . Испыта н и я был и проведены на турбине, которая ко времен и испытаний прор аботал а 63 400 ч и неоднократно подвер галась "" восстановительным н аплавкам . ::::: , Нужно отметить больш ие � трудности в п роведении таких и спытаний . Пер воначал ьно вы­ бранная п р одол жител ьность од ­ ного р ежима 30 м и н оказалась слишком вел и ка . Большинство пластин было сорвано. В дал ь ­ нейшем продолжител ьность ис­ пыта н ий н а одном режиме была сокращена до 1 0 м и н . Одна ко и за это время н абл юдался от­ рыв отдельных участков пла­ Рис. V.8. Вл и я н ие заглубления н а сти н . площадь эроз и и турбины ГЭС Нива- 1 1 1 Х а р а ктер истика испытанных при N 38 МВт р ежимов п р иведена в табл . V . 4 . з он а эроз и и пр и Н 5 = - 1 , 1 5 м ; В связи с тем , что отметка k = 1 , 4 9 ; - - - - зон а эроз и и п р и Н5= 0 0 , 0 1 м ; k0 = 1 , 4 2 ; - · - - зона эроз и и н и жнего бьефа во время и спыта­ при Н 5 = 1 , 7 7 м ; k0 = 1 , 2 3 ний менялась незнач ительно, вел и ч ина ka изменялась в п р едела х 1 ,25-- 1 , 60 . Мен ьшему значению ka соответствовала бол ьшая мощ· ность . Та ким образом, н а зависимость эрозии от мощности н а кла ­ дывалось вли я н и е вел ичины k0 • Т а б л и ц а V. 4 =

=

;;;

"' . о. :. > Cll = . :Е ;Е [;! O CII C>. :I:: o. -

1

2

3

1 66

Реж имы испыта ни й турби н ы Бр атской ГЭС .. �

� ..

:Е ..

:Е ..

:.::

::r:

:з::"'

1 60 200 240

1 02,0 1 02 , 5 1 0 1 ,5

- 1 ,50 -0,95 -1 ,10

= = :Е ...... "'' о

.. �- 1%:1

68,0 68,0 68,0

1

1

и ...... с; ..

"' С>. >-

' еу -

>::>'"

590 710 880

0,070 0, 074 0, 085

..

.} 0, 1 10 0 , 1 04 0 , 1 06

t::> ...

1 ,60 1 ,40 1 ,25

N

�

f6'U М В т

Рис .

� (J') -..)

f

V.9.

J

2

N ; 2 00 МВ т

N ; 2 Ч О МВ т

й ГЭС п р и различ ной мощно сти : Зо ны кавита цио н ной эрозии лоп асти турбин ы Б р атско

- объ е м деформ а ци и ( м м 3 jсм 2 ) 0 , 4 - 2 , 0;

�

-

0,08 -0,40;

!!}}::]

- о . о 2 - о . о8:

о

-

<0.02

Табл и ца

"'

"' " 1 1

Характ е ри с т ик и к авитационно й эрозии турби н ы Братской ГЭ С

а;-

"' . ." :.; > "' "' .

::; :E u

<:

.c J5

g' g � � .. .,

o Q) E.,

1

:r; ." _

1

"'

р, " � u ::; о "'

"' '" о сУ)

5

1 2 3

:r: �

1 60 12 -

1 2 3

5 2

1 2 3

. ��

"'

6� :.:: u �

t s :о ;: :; � :О: :::Е - :!! t:! ., -"

-

-

Cil ;!! u .. ., � ..... "'

-

7

-

22

о -

..

::; ::;

,о

:;., с; '-

..._,

..:

-

-

0 ,95

0 , 050

-

::;:
"'

о

-

"{ :f :!! -

-

§ ;; с

t:: 8. �

i:: O> JJ

0 ,295

-

-

0 , 040

0 ,022

о

о

о

-

..0

"{ " "' "' :!!

0,010

0 ,90

-

V.5

-

1 ,920

-

-

32

1,1

0 ,075

0 , 094

0 , 270

1 0 ,605

200

3

12

1 2 3

37 52 10

1 ,9 1,1 1,1

0,280 0 ,055 0 , 030

1 ,200 0, 1 10 0,0 1 2

0 , 570

5

1 2 3

41 62 52

2 , 25 1 ,3 1 ,8

0,300 0,095 0 , 1 70

1 ,990 0 ,320 0 ,9 1 6

0 , 745

1 2 3

36 62 12

1 ,6 1 ,2 1 ,0

0 , 1 80 0 , 088 0 , 036

0 , 528 0 ,250 0,0 1 4

0 , 730

240 12 1 2

2

Объем деформации оп ределе н пересчетом с лоп асти Ч асти ч н ый отры в передн е й пл астин ы .

N•

1 2.

Испыта н и я выявил и тр и зоны эрозии (р и с . V . 9) . Зона 1 р ас· положена за входной кромкой лопасти , зона 2 - между зоной 1 и нижним ободом, зона 3 - вбл изи выходной кромки . В каждо й зоне и меются участки с р азличной и нтенсивностью кавитацион· нога воздейств и я . Учитыва я бол ьшие площади и разнообразие в интенсивности зон эрози и , подсчет общего объема деформаци и весьма трудоемо к и сопр я жен с бол ьшими погреш ностями . Поэтому в качеств е хар а к тер истики и нтенсивности кавитационного воздействия был а 1 68

n р и н ята величина объема деформации 1 см2 площади в центре ка ждой зоны . Поскол ьку п р одолжител ьность опыта относител ьно н е вел ика и кавитацион ные удар ы не перекрывал и др уг др уга , объем дефор мации подсч итывался как сумма объемов всех вмятин н а выбр а н ном участке площади . Уноса материала п р и испыта н и я х н е было . Пол а га я вмяти ны кон иче­ с ки м и с диаметром основан и я ---Sz d i и высотой h i , объем дефор " 0, 6 маци и может быть определен по формуле (V . З)

O,lf

0, 2

1

v

/

/

v-

N, МВ т ч исло вмятин . v0 , мм J З а мер объема каждой вмя­ 2,0 .... тины даже н а 1 см 2 nлощади "". "" явл яется оче н ь тр удоемким, 1,6 / nоэтому замер ял ие:ь диа метр 80110 f � / и глуб и на десяти н а иболее круnных вмяти н и по н и м оn­ f, 2 редел ялась средн я я вмяти н а , у которой диаметр р авен nо­ 0, 8 лов и н е осреднен ного диамет­ Jона J р а максимал ьных вмяти н и глуби н а равна nоловине глу­ O,lf б ины ма ксимал ьных вмяти н . Объем дефор маци и оnреде­ ,.... - - - -:;;.:::::. лялся как произведение ч и­ 160 18 0 200 220 N. МВт сл а вмятин н а объем средней Рис. V . ! O . Площадь S:r. и и нтенсивность вмяти н ы . Кроме того , дл я каждого кавитационной эрози и V лопасти .N'2 5 режима замер ялась суммар ­ Б р атской ГЭС в зависимо �ти от мощности н а я nлощадь всех зон эрозии S'2. . Резул ьтаты замеров п р и ведены в табл . V . 5 и на р и с . V . 1 0 . Как следует и з п р и ведеиных р и с . V. 9 и V . 1 0 , nлощадь и и нтен ­ сивность эрози и р астут с увеличением нагр узки . З о н ы 1 и 2 n р и изменении р ежима перемещаются по дл ине профил я . Пр и н а ­ гр узке N = 200 МВт з о н а 1 максимально удалена от в ходной кромк и . Пр и увел иче н и и н агрузки до 240 МВт и п р и уме н ьшении до 1 60 МВт зона 1 смещается к входной кромке . Расnоложен ие зоны 3 nри всех режимах исnыта н и й остается неизмен н ы м . Результаты испыта н и й турбины Б ратской ГЭС был и сопо­ ставлены с р езул ьтатами модельных испыта н и й р абочего ко­ .'Iеса РО662 , выполненных на стенде диаметром 250 мм n р и Н = 56 м . В качестве легкор азрушаемого nокр ыти я н а модел ьном р а­ б очем колесе было испол ьзовано гальван ическое nокрытие свинца

где

z -

___

r7

� �:н:г -1

тол щиной 0 , 1 мм. Сопоставление показывает, что по зонам эроз и и и п о и х изменен ию с н агр узкой и меетс я качественное соответств и е . Однако интенсивность кавитационного воздействия в услови я х Б р атской ГЭС в сотни р а з выше , чем н а модел и . Так , нап р и мер , если н а модели слой свинца О , 1 м м р азрушалея за 4-6 ч , то в на­ тур ных услов и я х н а более твердом материале - алюм и н и и у глублен и я до 0 , 5 мм появил ись за 1 0 ми н . Един ичные вмяти ны н а модел ьном р абочем колесе и меют диаметр до О , 1 м м и глубин у н ескол ько микрон . В нату р н ы х услови я х максимальный диаметр вмяти н дости гает 2 , 5 мм, а глуб и н а - 0 , 5 м м . Интересно отме­ тить , что частота возникновен и я вмятин на р абочем колесе Б р ат­ ской ГЭС относител ьно невел и к а - на 1 см2 площади возни кает 62 = О , 1 вмят/с и л и 1 вмяти н а з а 1 0 с . Таким обр азом, в н атур 600

ных условиях и нтенсивность кавитационного воздейств и я дости ­ гается за счет бол ьш и х энер гий еди н ичных удар ов п р и относи­ тел ьно н ебол ьшой и х ч астоте . Повыше н н а я по сравнению с модел ью интенсивность эрозии тур б и н Б р атской ГЭС объясняется р азницей в л и ней н ы х р азмер ах (D 1./D 1 м = 22) , а также в скорости обтека н ия ( vнf vм = 1 , 34) . 22. И С П Ь\ТАН И Я К АВ И ТАЦИ О Н Н О Й С ТО Й К ОСТИ М АТЕР ИАЛОВ В УСЛ О В И Я Х Д Е Й СТВ У Ю Щ И Х ГЭС

Испыта н и я матер иалов в услови я х действующи х гидроэлек­ троста н ци й , кроме непосредствен ного определе н и я стой кости того и л и и ного матер иала в конкр етн ы х услов и я х эксплуатации , дают необходимые критер и и дл я р азр аботки методов л абор атор ных испыта н и й . Поэтому несмотр я на большую дл ительност ь и трудо­ емкость , испыта н и я матер иалов в натурных услов и я х п р оводятся на многих г идроэлектростанци я х . Н а Лен и н г р адском металлическом заводе и м . X X I I съезда КПСС матер иалы испытывались в виде : обр азцов , электр одных наплавок, штатны х деталей . Испыта н и я обр азцов проводил ись на поворотнолопастных тур би н а х Н ар вской и Волжской ГЭС и м . X X I I съезда КПСС (основные п ар аметры ГЭС п р иведен ы в табл . 1 1 . 3) . Обр азцы в в иде цил индров диаметром 30 м м уста навливались на специальной планке (р и с . V . 1 1 ) . Матер иал планки - стал ь 1 Х 1 8Н3Г3Д2Л . Планка в вар ивалась в камер у р абочего колеса в месте н аибол ьшей кавитационной эрози и . Обр азцы были изго· товлены и з нержавеющих сталей 20 Х 1 3Н Л , 1 Х 1 4НДЛ , 1 Х 1 8Н9Т , 1 Х 1 8Н3Г3Д2Л , 38Х 1 0Г 1 0, а также из у глеродистой ста л и Ст. 3 , упрочнен ной за счет цементации и термической обр аботки н а р азличную твердость (НВ 200-500) . Всего н а планке было уста ­ новлено 1 0 обр азцов . Турбины с установленными обр азцами н а· ходились в эксплуатации н а Нар вской ГЭС тр и года , а н а Волжско й ГЭС - два года . Турбины проработали в генератор ном р ежиме н а каждой гидроэлектростанции n р и мерно n o 1 5 000 ч . 1 70

(остоя н ие обр азцов былu следующим . Почти все углеродисты� о бразцы разрушились и выпал и из пл анок . Остался л и ш ь оди н о бразец с твердостью Н В 500 . Несмотр я н а высокую твердость , I:IQ

<::)' >(

�

2JO

Рис. V . l l . Планка с образцами для установки в камере р абочего колеса

обр азец был н астолько сильно р азр ушен , что через некоторое время он бы та кже выпал . Повер х ность обр азца и меет характер ную губчатую стр уктуру с глуби ной р азъеда н и я до 3,5 мм (р и с . V . l 2) .

Рис . V . 1 2 . Состояние образцов после двух лет эксплуатации в усло­ в и я х Во.1 жской ГЭС им. X X I I съезда КПСС : а - стал ь Ст. З с це­ ментацией и закал ко й ; б- стал ь 20 Х I ЗНЛ

Вес обр азца уменьшился на 9 , 6 г , что составляет lf 4 от первона ­ чал ьного веса . Нержавеющие обр азцы вне завиеймости от матер иала не полу: ч или существен н ы х поврежден и й . Потер и веса образцов п р а кти­ ч ески отсутствуют. На. повер х ности образцов имеются л иш ь о тдел ьные точеч ные вмяти ны с максимальной гл убиной д о 0 ,05 м м ( р и с . V . l З) . Ч исло заметны х простым гл азом вм яти н н а 1 с м 2 171

нлощади коле блется от 50 до сплош ной шероховатости . Пр и э том кол ичество вмятин определ яется н е матер иалом обр азца , а местом его р асположе н и я . Появление вмятин на образца х гово р и т о то м , что давление, возн икающее в резул ьтате кавита цио н н ы х гидр0. ударов , п р евышает предел текучести матер иала а т ;:;:, 30 кгс/мм2 • Гидраудар ы с бол ьшой интенсивностью весьма редк и . Есл и взят ь обр азец со средн им ч ислом заметн ых простым глазом вмят и н ( 1 00 н а 1 см2) , то получ и м , что оди н и нтенсивный удар н а 1 см2 п лощади появл яется за 1 5 000/ 1 00 1 50 ч . Н а основе этих испыта н и й можно сделать вывод о существен ­ ном преимуществе нер жавеющих сталей перед углеродистыми , ---..-

=

Рис. V. I З . Поверхност" образца из нержавеюще й стал и

судить же об относител ьной стой кости нер жавеющи х сталей между собой затрудн ител ьно из-за недостаточности времени испыта н и й . Испыта н и я кавитационной стой кости электродных наплавок проводились н а р адиал ьно-осевы х турбинах Б акса нской , Варзоб ­ · ской и Б ра тс кой гидроэлектростанци й . На ибол ьшее кол ичество опытов было поставлено н а Б а кса некой ГЭС, где последовател ьн о наплавлено и обследовано тр и р абоч и х колеса . Опытн а я наплавка производилась в места х наибол ьш и х кавитационных р азр ушени й . Электродами каждой мар ки н а пл авл ялись две-тр и лопасти . Элек ­ тродные наплавки был и выбраны с р азл ичной твердостью и р аз ­ л ичным х имическим составом наплавлен ного слоя . Х ар а ктер и­ сти ка наплавок п р и ведена в табл . V . б . Х имический состав на­ плавленного слоя и твердость определ ялись на обр азцах на глубине 1 м м . Н а Б а ксанекой ГЭС испытывал ись электроды ЦЛ- 1 1 ; ЦЛ- 9 ; ЭФ- 1 3 ; УПИ-2 ; Т-590 ; 1 2АН / ЛИИВТ; ЦМ-7 . Наплавка произ во172

Х им ичес кий состав и твердость наплавленного сло я

К оли ч ество слоев

М а р к а электродов

ЦЛ- 1 1

1 2

ЦЛ-9

1 2

ЭА-925

УПИ-2

1 1

ЭФ- 1 3 Т-590

(j

.....

П

р

и

м еч

н

и

0, 1 1 0,09

M

n

Cr

Ni

0,8 н/о

1 ,2 1 ,3

1 4, 2 17,6

6,2 7,7

0,9 0,9

1 ,5 1 ,5

18,0 20, 0

1 0, 4 1 1 ,5

s

Мо -

-

-

-

0,0 1 0 0,0 1 2 0, 009 0, 007

1

1 1

р

0,022 0,02 1

0,85

1 3, 1

3,0

1 ,4

0,0 1 0

2

0,36

н/о

0,9

18,7

3,8

2,3

0, 0 1 1

0,0 1 9

1 2

0,26 0,26

0,76 н/ о

6,30 7, 1 0

-

-

0,009 0, 0 1 1

0, 0 1 1 0,0 1 4

2 2

1 1

0, 1 0 3,0 1 ,0 0, 1 2

1 i

0 , 02

1 1

0, 7

1

1 1

5,4 1 0, 0 1 2, 0

11

1 1

1 1 1 1 2,2

0,9 0, 1 0

е : н/о - не оnределялось .

1 ,3

4,0 0,7

25

5,8 -

0, 4 -

-

1 1

-

-

-

-

-

1 1

0,02 н/о То

»

же

1 1

0,02 н/о То

»

же

НВ

Т вердость

П рочие элементы Nb

0,67 0,87 0,6 0, 7

Nb

Nb

Nb

0, 1 2 v 0, 033 Т i 0, 1 1 v 0,05 Тi

0, 023

0,8

1 1

1

0,0 1 8 0,020

0,30

1 а

0, 1 1 0, 1 2

1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 Si

1

2 2

1 2АН/ЛИИВТ ЦМ-7

1

с

Х и м и ческ ий сост а в н а n л а вленного слоя в %

1

460 - 500 300-400

-

---

-

1 70 - 1 80 1 70 - 200

260-300

-

I ,Б

380 - 430 200 - 380

430 - 500

-

1 1

1

В

1 1

400 600 500 1 80

1

1

дiмась в оди н слоИ , тол щ и н а н а н л а вле н н о t · о слоя 2-3 мм. Р а­ бочее колесо находилось в э ксплуатации один год (�6000 ч ) . Состо я н и е наплавок было следующее . 1 . Н а иболее сох р а н ились наплавки а устен итными электро­ да ми ЦЛ- 1 1 и ЦЛ-9. Наплавки блестящие без следов кавитаци и . 2 . Наплавки Э.'Iектрод ами ЭФ- 1 3 и УПИ-2 и меют отдел ьные кав итационные р азъеда н и я в в иде борозд, воз н и кш и х в местах между свар ными вал и к ам и . 3 . Твердый сплав Т -590 под действием кавитаци и выкр аши­ вается , п р ичем р азрушение идет по сетке трещи н , возника ющи х п р и наплавке . 4 . Наплавки электродами ЦМ-7 и 1 2АН/Л И И В Т сильно р аз­ р ушены кавитацией с обр азован ием характер ной губчатой стр ук­ тур ы . Глуб и н а р азрушени й до 5 м м . Во вр ем я р емонта лопасти , р аз р ушенные кавитацией ( н а ­ п л а в к и Т-590, ЦМ-7, 1 2АН/ЛИИ В Т) , был и восстановлены путем зава р к и электродам и ЦЛ-9, а лопасти с н а плавками ЭФ- 1 3 и УПИ-2 дополн ительно подварены в местах р азруше н и й теми же электродами . , После второго года эксплуатации наплавки ЦЛ- 1 1 и ЦЛ-9 по прежнему н е имели разр ушен и й . В хорошем состо я н и и оказа­ лись также наплавки ЭФ- 1 3 и УПИ-2, дополн ител ьно подварен­ ные во время пер вого р емо н та . В дал ьнейшем н а Б аксан е кой ГЭС испытано р абочее колесо с защитными наплавками тол ько а устен итными электродами ЦЛ- 1 1 и ЦЛ-9. Трехлетн я я эксплуатация такого колеса н е вы­ явила каких-л ибо кавитацио н н ы х р аз р ушений на н а плавка х . Н а Вар зоб е кой ГЭС лопасти был и н а пл авлены электродами ЦЛ- 1 1 , ЦЛ-9 и ЭФ- 1 3 в два сло п . После трех лет э кспл уата­ ции кавитационных р азр ушени й на наплавках н е было обнар у­ жен о . -На Б р атской ГЭС испытывались н а плавки электродами ЭА-925 , УПИ-2, ЦЛ-9 и ЦЛ- 1 1 . Н а плавка была выпол нена в два слоя . Испыта н и я показал и , что более высокой кавитацион ной стой­ костью обл адают н аплавки электродами ЭА-925 , УПИ-2 . Таким образом, пр оведеиные экспер и менты показывают, что есл и в наплавленном слое содержитс я бол ьше 1 0- 1 2 % C r , т . е . есл и слой нер жавеющий , то его кавитационная стой кость неизме­ р имо выше , чем у наплаво к , н е обл адающих антикоррозионными свойствами . В последнем случае твердость наплавленного слоя не игр ает существен ной рол и . Так, н а п р и мер , наплавка электро ­ дом 1 2АН/ЛИИ В Т , имеюща я высокую твердость, п р имер н о НВ 500 , р азрушается та к же , как и обыч ная углеродиста я , выполненна я электродом ЦМ-7 и имеюща я твердость НВ 1 80 . В то ж е время наплавки электродами ЦЛ-9 и ЦМ-7 , и меющие бл изкие меха н ические свойства и отл ичающиеся л и ш ь кор ро ­ зионной стой костью (ЦЛ-9 - н е р ж а веюща я , ЦМ-7 - обыч ная) , р азрушаются по-р азному : одна в ус.rюв и я х Б а ксанекой ГЭС не 1 74

Рис. V . l 4 . Кавитационные разрушения лоп астей р абочи х колес турбин Волжско й ГЭС и м . В . И . Лен и н а (а) и Цим­ л я нско й гэс (б) . Мате р и ал

""-! <::11 -

лопастс ii

1, 3, 6 Волжской ГЭС - стал ь 2 0 Х I З Н Л ; 2 , 4, 5 - сталь 1 8Д ГС Л ; м ат е р и ал лопаст е й 1, ГЭС - стал ь ЗОЛ; 2 , 5 - сталь З О Л с обл и цош<а ii I X 1 8 H 9 T; 4 , 6 - стал ь 2 5 Х 1 4 Н Л

3

Цимл янсi<оi!

р азрушилась за тр и года (ЦЛ-9) , а на др у гой (ЦМ-7) глуби на р азр ушен и й за год дости гл а 5 мм. О кав итационной стой кости нер жавеющих и у глеродист ы х сталей мож н о судить и по штатным деталям турби н . Н а иболе е н а гд ядно это видно н а допастя х поворотнолопастных тур би н , изготовденных из р азличных матер и алов . Пр иведем нескол ьк о п р и ыеров . Турб и н а N!! 1 4 Волжской ГЭС и мени В . И . Лен и н а была у ком­ плектова н а лопастями р абочего колеса и з нержавеющей стал и 20Х 1 З НЛ (З шт. ) и н и з колегированной стали 1 8ДГСЛ (З шт. ) . За тр и года эксплуатации (� 1 8 000 ч ) нержавеющие лопасти не и мел и повр ежден и й , а л опасти из стал и 1 8ДГСЛ р азр ушил ись по тыл ьной поверх ности пера до 5 мм, на пер ифер и й ной кромке ­ до 25 мм (рис . V . 1 4 , а) . Турбина N!! 2 Цимл я нской ГЭС была у комплектована лопа­ стя ми и з нержавеющей ста л и 25Х 1 4НЛ (2 шт. ) , и з у глеродистой стал и ЗОЛ (2 шт.) и из стал и ЗОЛ с обли цовкой стал ью 1 Х 1 8Н9Т (2 шт . ) . З а четыре года эксплуатаци и (� ЗО 000 ч ) р аз р ушения на лопастя х и з углеродистой ста л и ЗОЛ достигл и ЗО мм (р и с . V . 1 4 , б) . На обл и цова нных лопастя х наблюдаются отрыв обл и цовки и последующее разр ушение основного матер иала до 1 5 мм. На нержавеющих лопастя х кавитационные поврежде н и я отсутствуют. . Таким обр азом , испыта н и я штатны х деталей , изготовленных и з р азл и ч н ы х матер иалов , та кже убедител ьно св идетельствуют о значител ьно более высокой кавитационной стойкости нержаве ­ ющи х ста,11ей . 23. Л А Б О Р А ТО Р Н ЫЕ С ТЕ Н Д Ы ДЛ Я И СС Л Е Д О В А Н И Я К АВ И ТА ЦИ О Н Н О А ЭР О З И И

Кавитационная эрозия в л аборатор ных услови я х может соз· даваться в установках проточного типа з а местны м сужением канала или з а телами р азличной геометрической форм ы ; в уста· новках , где источ н и ком кавитаци и является в ибр и р ующи й с бол ь­ шой ч астотой обр азец , и в установка х , воспроизводящ и х заклю· чител ьную фазу эрозионного процесса - удар воды о nовер хность образца . В установка х п роточ ного типа н а иболее полно воспроизво· дятся естествен ные п роцессы кавитации , имеющие место в кана· л а х г идр авл ических маш и н . Одной и з первы х установок проточ ного т и п а (р и с . V . 1 5 , а) явл яется сопло Шрете р а ( 1 9З2 г . ) . Это сопло в несколько модер · н изи рава нном виде (оди н образец п ротив направляющего гребня заменен двумя боковыми) было использовано Мауссоном дл я исследова н и я кавитационной стой кости бол ьшой гр уппы мате­ р иал о в [ 95 ] . К стендам с естествен ной кавитацией можно отнести также уста новки с вращающимся диском, где кавитация возни кает за 1 71)

отв ерсти я м и , р асположен ными н а р азличном р асстояни и от оси вр а щен и я диска [ 98 ] . В ибрационный метод создан и я ка витаци и был впер вые пред­ ло жен Кенсом в 1 937 г . В последстви и этот метод был усовершен­ ство ван Шумсом и Петерсо м . Созда нный ими магнитостр и кцио н ны й в и бр атор получ ил ш ирокое р аспространение дл я исследова­ н и я кавитацион ной эроз и и матер и алов . Сущность магнитостр и к ­ ци и з аключается в том , что некотор ые матер иалы (н и кель , коа) ба л ьт) под действием магн ит-

���:� �:����i�i:�:OK;:r��!ii� t:t=;�r;:JJ-

. . Образец н я . и з готовлен ного и з матер и а к и магнитостр большой с лов о) цией , возбуждает соответствующ и е колебан и я обр азца . Пр и виб р а ц и и образца вбл и з и его повер х ности создается поле пе­ ременного давлен и q , бла года р я чему происходят возн и к новение и последующее сжатие кавита­ цио н н ы х кавер н . К р азновидности вибрацион­ ного метода можно отнести уль­ тр азвуковой метод, когда обра­ зец неподв иже н , а колеба н и я вызываются в самой жидкости . Колеба н и я , обыч но у льтразву­ ко вой ч астоты , возбуждаются в жидкости посредством электро­ Рис. V. 1 5 . Схемы эрозионных стендов : ; б- удар но -эро­ а кустического тр а нсформатор а . а сопло Шретера зионный стенд Повер хность обр азца , устан ав­ л иваемого на п ути следова н и я зву ковых вол н , испытывает з н а ко­ переменное изменение давлени я , вызывающее последовател ьное обр азова н и е и смыкание кавитационных кавер н . Способ р азр ушени я образца ударом воды был впервые п р едло­ жен Х о ннегером в 1 927 г . Сущность этого метода заключается в следующем. Н а диске , пр иводи мом во вр ащение электродви гателем , за­ крепл я ются обр азцы , которые пр и вр ащен и и диска пересекают стр ую воды (р и с . V . l 5 , б) . Пр и пер есечен и и обр азцом стр у и воды происходит г идроуда р , вызывающий р азрушени е повер х ности обр азца . Дл я исследова н и я кавитацион ной эрозии н а иболее ш и роко используются тр и типа стендо в : кавитацион но-эрозио н ны й про­ точного типа , где кавитаци я воз н и кает за местным сужением ка­ нал а ; магнитостр п кционный в ибр атор ; удар но-стр у й н ы й или удар но-эрозионный стенд.

t

-

1 2 fi . И .

П ыл а е n

1 77

У с та н овк а про точ ного типа , и л и кавитацион но-эроз ион ны й сте н д, испол ьз у етс я дл я исследов а н и я физической п р и р оды ка в и ­ тацио н ной эрози и , оценки вл и я н и я р азличных факторов н а и нте н­ сивность кавитацион ного процесса , а та кже дл я исследов а н и я кавитационной с той кости матер иалов в услов и я х , бл и з к и х к на­ тур н ы м . Ма гнитостр и кцион ный вибр атор и уда р но-эрозионный сте нд испол ьзуются в основном дл я определе н и я кавитацион ной стой­ кости матер иалов . Остановимся н а констр укции эти х стендов н а Лен инградском металлическом заводе и м . Х Х 1 1 съезда КПСС . К а в и т а ц и" о н н о - э р о з и о н н ы й с т е н д Л М 3 представлен н а р и с . V . l 6 . Рабочей ч астью стенда я вл яется кавитационное сопло 10, п р едставляющее собой конфузор но-диффузор н ы й канал п р ямо­ у гольного сечен и я . Угол конфуза р а н а в ходе в щел ь постоянного сече н и я составл яет 30° ; у гол диффузора н а выходе и з щел и 1 2° . Размеры щел и 6 Х 60 м м . Н а пор , необходи мы й дл я получен и я требуемой скорости по­ тока в кавитационном сопле , создается н асосом типа З КМ-6, п р и водимым во вращение электр одв и гателем перемен иого тока . Н асос и дви гател ь представл я ют собой единый а гр егат 1 5 , и ме­ ющи й общи й вал . Регул и р ование давлен и я воды н а входе и выходе кавитацион­ н ого сопла осуществл яется задвижками 8 и 14. В качестве основного р езер вуара дл я воды сл ужит б а к 3. В стенде п р едусмотрен непрерывный обмен воды з а счет сл ив а нагретой и насыщенной газовыми пузыр ьками воды и з вер х ней ч асти бака и наполнен и я его из системы тех н ического водоп ровода . Этим дости гается также постоянство воздухосадер жан и я в воде стенда . Расход обмениваемой воды и давление в ба ке р е гул ируютс я задвижкой от техн ического водопровода 4 и сл ивным вентилем 12. Б а к снабжен предохран ительным кл апаном 2. Давление воды в пр иемной тр убе перед ба ком , в баке, н а входе и выходе и з сопла и з меряется манометр ами 5, 7 , 9 . Скорость потока в кавитационном сопле и змер яется с помощь ю трубки Пито 16, устанавливаемой перед соплом, и водовоздушно го дифманометра 17. Дл я уменьшени я вибр ации кавитационного сопла и н а пор ного трубоп р овода п р едусмотрена специал ьная опор а 13. Предус мо ­ трено также охлаждение стенда , регул ир уемое вентилем 1 . ИспЬпьшаемый обр азец 1 1 устанавливается н а боковой стею<е сопл а . Креплени е обр азца осуществл яется двум я планкам и . Детали сопла , подвер гающиеся кавитационному воздейс тв и ю (боковые стенки п крышка) , выполнены и з капролон а и л и поюr ­ этилена , и меющи х высоi<ую кавитационную стой кость. Дн и ще coпJia дл я возможности наблюдени я з а зоной кавн та ­ щш изготовлено п з о р га н ического стек.rш . Дл я уменьшен и я ш у м 11 ! 7R

у ста навл и вается глушител ь 6 и сопло допол нительно за кры вается с n е циал ьным кожухом из о р ган ического стекл а . С этой же цел ью т р убопр овод за соплом покрыт слоем губч атой р ези н ы . Снижению

Рис. V . 1 6 . Кавитацио н но-эрозионный стенд

ур овня шума способствует также изготовление сопла из неметал­ ·' IИческих матер иалов . В зав исимости от цели исследова н и я констр укци я кавитацион­ Ного сопла может быть и зменена . Дл я исследова н и я масштабного Ф а ктор а кавитации мен яются габар иты сопла ; д.'I Я фикса ции 1 2*

1 79

част оты и х а р а ктера смыка н и я кавитацио нной кавер ны , прои зводи ­ м о й с п о м ощью ск о р о с тной съемки , боковые стенки делаются и з о р г стекла ; дл я исследова н и я спектр а кавитацион ны х ударов н а обр азец н а клеиваютс я м я гкие матер иалы : сви нец, отож женн ы й ал юмин и й и др . испол ьв и б р а то р Ма г н и тостр и к ци о н н ы й зуется обычной констр укции . Пр инципиальна я схема магнито­ стр икционного вибратор а показа н а н а р ис . V . l 7 . Основной ча ПoiJdo iJ dofJы

Om6ofJ 6ofJьt f

g

Сли 6

�������-- �

Рис. V . 1 7 . Пр и н циnиал ьная схема магн итостр икционного вибра­ тор а

стью установки является н и келевая трубка 1. Н а в�р хней час ти трубки уста новлена катуш ка возбуждени я 2, J<Отор а я создает в трубке переменное ма гнитное пол е . Колеб а н и я этого пол я уси ­ л и ваются за счет постоян ного пол я , создаваемого катуш кой под ­ магн ичиван и я 4 , питающейся от селенового выпр ямител я 8. Результи рующи й магнитны й п оток п ул ьси р ует от ми н и мал ь­ н ого з н ачен и я , когда поля катушек 2 и 4 н а п р а влен ы н австр ечу друг другу , до макси ма.'IЬного з н ачен и я , когда эти поля скла ды­ в а ются . Благодар я большой магнитостри кции н и келя , пер е· менное магнитное поле в ызывает п р одольные колебан и я труб к и . Амшштуда ко.пебан и й стан ов ится максимальн ой, если ч астота н переменнаго тока в катушке в озбуждени я 2 сов падает с собств е · н ой частотой трубки . 1 80

Рис. V . l 8 . Удар но -эрозионный стенд 181

Схем а у с тан ов ки автоколебател ьн ая . По этой схеме колеба н и и п р оисходят . в сегда в резон ансных услов и я х , так ка к ч а стота переl\lен ного поля задается частотой собствен н ых коле ба­ н и й трубки . Это осуществ л я ется п ри п омощи катушки обратн ой связи 3, которая п од а ет н аведен н ы й колеба н и я ми трубки пе ре­ мен вый ток на в х од усилителя 9. Эти колебани я усиливают ся и поступают в колебател ьный контур , состоящий из катуш ки возбуждени я и конденсатор а . Частота автоколебан и й регули­ р уется переключателем емкости входного контур а , амплитуда колебан и й трубки регул и руется п утем изменен и я выходной мощности усилител я . Контроль за амп.питудой колебан и й осуществл я ется электри ­ чески м указателем амплитуды 5 . Н и келев а я трубка выбран а дли н ой 305 мм и ди аметром 1 8 мм. Н а н и жнем конце трубки к р е­ п и тся образец б, погружаемый в сосуд с водой 7 . Глуби н а погру­ жени я образца 4 мм. Частота колебан и й т рубки , определяемая ее размерами и весом образца , составл яет 8000 Гц. При такой частоте перемен нога поля вел и ки п отери н а в и х ревые токи . Для умен ьшени я эти х потерь в тр убке делается узкая п рорезь почти п о всей дли н е , которая заполняется изоляционным м атер и алом. В о и збежан и е н агрева трубки 1 и в оды в бачке 7 п р едусмотрено охлажден и е эти х узлов п р оточной в одо й . Конструкци я у д а р н о - э р о з и о н н о г о с т е н д а по ­ казан а н а р и с . V . 1 8 . Основным узлом стенда является диск 1 ди аметром 500 мм, который п риводится во в ращени е дв и гателем п остоя н н ого тока. Ч и сло оборотов дв и гател я может измен яться от 1 000 до 4000 об/ми н . Обороты стенда устанавливаются п о щитовым п р и ­ борам п ул ьта управ лен и я и контрол и р уются тахометром . Н а диске 1 , н а равном расстоя н и и друг от друга, к реп ятс я четы ре образца 2 . Стенд п р едставляет собой установ к у замкнутого ти п а . В ода насосом 5 п одается в напорный ба к 4. Давление в напорном ба ке регул и р уется задв и жками 7 и 8. Контроль давлен и я в баке осу­ ществл я ется ман ометром 9 . Из н апор ного бака вода п одается к дв ум соплам б, расположенным в горизонтальной- плоскости др уг п ротив друга по обеи м сторонам диска . Отработан н а я в ода сливается в слив ной бак 3, сл ужащи й однов р еменн о основан и ем стенда . Заполнен и е и слив в оды стенда осуществл я ются п ри по­ мощи задв и жек . Замена воды в стенде обычно п роизводит ся через 1-2 ч и спыта н и й . Контрол ь за уров нем в оды в баке п р о ­ изв одится п р и помощи в одомерного стекла . т р уб к и

�

24. И С С Л Е Д О В А Н И Е Ф И З И Ч ЕС К О А ПРИРО Д Ы И О С Н О В Н Ы Х З А К О Н О М ЕР Н О СТЕ А К АВ ИТАЦИ О Н Н О А Э Р О З И И

Исследов ание физической п р и роды кавитационной эро з И tl п роизв од илось н а кав итационно-эрозионном стенде (ри с. V . l б ) . Рабо ч и й участок стенда п редставл яет собой конфузорно-дифф у · 1 82

зор н ы й канал , ограничен ный тремя плоски ми и одной п рофил ьной ст ен ками . Кавитационная эроз и я в ызыв ается каверной, которая образ уется в диффузорной ч асти сопла и св язана свои м н ачалом с местом перехода щели в диффузор . В гидротурби н ах кавитаци я , св яз а н н а я с в озни кнов ен и ем каверны н а о бтекаемоl\1 теле, 1\! ожет и меть место п р и наличии р ез к и х л и ков разрежен и я на о бтекаемой п ов ер х н ости . Такой тип кавитации х а р а ктерен , н а п р и !\lе р , дл я в ходных к р омок лоп астей. Кавитационная каверна в диффузоре в изуально восп р и н и ­ мается к а к н еподв и жн а я . Одн ако скоростная съемка, выполнен н а я кинокамерой C KC- I M с частотой кадров 3200 в секунду , в ы я в и л а , что каверна п ульси р ует, п роходя стади и р оста отрыва и последу­ ющего смыка н и я (93 ] . Одн ако н а б люден и я показыв ают, что отрыв п роисходит н е всей кав е р н ы , а лишь ее части . П р ичем отделив ­ шаяся часть каверны п р и одном и том же режиме и меет н еоди на­ ковую дли н у . Разница в дли н е каверны в момент ее отрыва коле б ­ лется в п ределах 30 % . Процесс смыкания каверны весьма к р атко­ в ремен н ы й . При скорости п отока 36 м/с в ремя смы к а н и я каверны состав л я ет 0,001-0,003 с . Б ыл а изучена также ди намика кавитационной к ав е р н ы в з а ­ висимости о т степени развитости кавитаци и , х а р а ктер и з уемой ч ислом k , и от скорости п отока . Течени е в кавитационном сопле х а р а ктер и зуется тем, что п р и изменени и давлен и я н а выходе и з сопла п остоя н ство скорости потока обеспечивается п р а ктически п р и н еизмен н ом давлен ии н а в х оде. П р и этом изменен и е перепада давлен и й компенси р уется гидравл ическими п отерями в зоне кавитаци и . Это о б стоятельство вызывает н еобходимость в в ы р ажен и и числа кавитации k =

Р оо - Pd • · pv2 -

за Роо п ри н и мать давление н а в ыходе и з сопла р 2 , так как это давлени е определяет степень развитости кавитаци и п р и п остоянной скорости п отока . Следовательно, k

=

Р2 - Pd 2 p v2 -

(V. 4)

где р 2 - давление н а выходе и з диффузор а ; v - скорость потока в щел и . К а к показали исследов а н и я , умен ьшени е числа кавитации соп р ов ождается увеличением дли н ы каверны и умен ьшен ием ч астоты ее п ульсаци и . Н а р и с . V. l 9 показано, к а к мен яются х а р а ктеристи ки каверны для диффузора с р азмерами щели 6,5 Х 40 мм в з ависимости от числа кавитаци и п р и v = 36 м/с . Пр и смыкан и и кавитаци он ной каверны возни кают гидроуда р ы , п рив одящие к эрози онному р аз рушению стенок диффузора . П ро­ в едеиные сравнител ьные испыта н и я п озволили установить, что 1 8;'\

и нтенси в н ость эрози и н а боковых стенках в несколько раз выше , чем н а в е рхней стенке. В связи с эти м основ н ые закономерности р аз в ити я кавитационной эрози и были исследов аны н а образц а х , расположенных н а боковой стен ке. Зона кавитацион ной эрози и н а боковом образце н епосредствен н о связана с раЗl\Iерами кавер ны и повтор я ет ее очертан и я перед замыкан ием. Максимум и нте н­ сивности эрозии н аходится вблизи центра каверны с некоторым смещени ем к ее «хвосту» . _, f, с Для исследов а н и я х а р а ктера l, M M г- - - кавитационных ударов , дейст­ JOO 1 ' ' в ующих н а п оверхность , для ' образцов были выбраны металлы t 1 с различными механическими ,, ,, -,,,свойствами и в ысокой кор ро­ 200 '\ зионной стойкостью (табл . V . 7) . v Диффузор испол ьзовался / с р азмерами щели 5 , 6 Х 60 мм . Перед и спыта н и я ми образцы /� fOO тщательно п оли ровались . Ана­ r-лиз имп ульсов п роизводился п о в мяти нам н а металле. Режимы v кавитаци и уста н авливались так, ... чтобы середи н а зоны кавитацианной эрози и р асполагалась О. 'f 0,5 О, б h в центре образца . П р и этом чи­ Рис. V . 1 9 . Влияние числа кавитации е ло кавитации сох ранялось по­ н а хар актер истики каверн ы : стоя нным, а скорость изменясрны; / - ДЛ И · f - ЧаСТОТа ПУЛ Ь Са ЛаСЬ В П р еДеЛ аХ V = 22 , 2 --7н а ��:с ;:� -7- 36 , 9 м/с . Основные данные режи мов , н а которых п роводил и сь испыта ­ н и я , п ри в едены в табл . V . 8 . Н аибольший и нтерес п редставл я ют поврежден и я , возни кающи е в первые секунды кавитаци онного в оздействи я . З а это в рем я н е п р оисходит н а ложени я н ескольких импульсов в одном месте , и точечные п овреждени я н а п оверхности н е перекрывают друг друга . В ремя испыта н и й на р ежимах 2 и 3 (табл . V . 8) было уста-

\

�

�

��/

F:::: <

Т а б л и ц а V.7 � еханически е свойства материа лов образцов

Свойства в кгсjс м 2 О"

т О" в

нв

Сви н ец

Алюмин ий АДI М

Медь М3

0,5 1 ,5 4

3 9 25

7 24 35

1 1

мягкая

Л ат у н ь Jl 62

Х 1 8Н IОТ

Сталь

Стал ь

мягкая 11 36 56

20 55 1 70

30 54 1 50

3Xl3

•i· а Режимы и спытани й

Номе р ре ж и м а

Д а влен ие н а входе в сопл о P t в ю с;см 2

Д а в л е ние на в ы х оде и з сопла Р 2 В КГС/СМ 2

1 2 3

2,0 4,7 7,4

0,0 0,9 1 ,8

С к о рость В М /С

22,2 30,4 36,9

v

б л

и

ц

а V.8

k

П родол ж и тед ь ность опыта t в с

0 ,40 0,40 0 ,40

60 15 15

Ч ис.1о к а вита ц и и

новлено 1 5 с , а для режима 1 оно было увеличено до 60 с , чтобы получить достаточное количество повреждени й . Форма и р азмеры отпечатков , оставленных н а металле кави ­ тационным и и мп ульсам и , были и з учены п р и п омощи микроскопа с увеличением Х 320. На всех металлах , и спол ьзованных п р и испыта н и я х , первоначальные п ов р еждения и меют х а р а ктер углуб­ лени й с п ологими краями . Поверхность углублени й за _р едки м исключением н е и меет каких-либо разр ывов и сохраняет даже мельчайши е риски от п ол и р ов ки . Одна ко на мягких металлах (св и нец и алюми ний) изредка встречаются углубле н и я , н а дне которых п оверхностны й слой сильно нарушен : риски от обработки уже не видны, наблюдается сдв и г слоев , и ногда пов реждени я в глуби н е к ратеров напоминают оплавлен и е металл а . Н а латуни и стал и деформаци и слабые и п ов реждени я , напоминающие оплавлени я , не встреч аются . Описываемые углублени я на по­ верхности п р едставляют собой вмятины, не соп ровождающиеся удалением металла . Н а р и с . V . 20 п р едставлены сечения типичных кавитаци онных вмяти н , п роходящие через точки и х максимальной глуби н ы . Пов р еждени я были получены п р и скорости п отока v = 3 6 , 9 м/с. Для удобств а рассмотрени я масштаб по верти кали взят в два раза большим , чем п о горизонтали . Для всех в мяти н х а р а ктерен плавн ы й переход от неп ов режденной плоской п оверхности к углуб­ лен и ю. Крутизна образующей сечени я н а растает по мере п рибли­ жен и я ко дну в мяти н ы . Большая часть поверхности обращена в ып уклостью в сторон у жидкости , и толь ко центральный участок дн а - в сторон у металла . Приподнятость краев над и сходной п оверхностью не обна ружен а , хотя при отсутстви и в есовых по­ те р ь она должна существовать. Малая кривизна п оверхности к р аев и незначительная в ысота п риподнятости н е п озволяют в и ­ деть ее в мик роскоп достаточн о отчетливо. Б ольши нство в мятин и меет вблизи и сходной поверхности форму, близкую к кругу и л и эллипсу . ГJiуби н а кавитационных вмяти н в о мн ого раз мен ьше и х диаметра (за диаметр п р и н и маем п олусумму осей основани я у исходной поверхности) . Для больши нства в мяти н н а сви н цовом 185

об р азце х а ра ктерно·отношени е диаметра к гл уби не d/h = 1 5 --;--2 0. Н а том же обр аз це )стреч аются в мяти н ы бол ьшого ди аметр а и оче н ь 1\IЫIОЙ глуби н ы , дл я которых dlll � 1 00 . Как глуби н а , та к и ди а l\lет р у i\lен ь ш а ются с уве,1 ичением твердости металл а . Отн о­ шение d/ ll п р и ЭТОl\1 воз растает, нап рИ J\Iер для больши н ства в мяти н н а латуни d/ h � 70. а) ф 1, 05 Как п равило, в мяти ны обна руживают знач ител ь­ ные отклонения от осев ой симметри и . Какой-либо связи между эти ми откло ­ нениями и н а п р авлением осредненного потока в диф­ � 1, 05 фузоре установить н е уда­ лось . Это ВИДНО ИЗ рис. V. 2 1 , где и зображены л и н и и равной глуби н ы вмя­ тин и указано нап р авле­ ние п отока . Площадка н а п оверхно­ сти металл а , п одв ерженная пластическим деформациям при действи и еди н ичного кавитационного и мпуль­ с а , и меет сравнительно большие размеры. Так, на­ п р и ме р , н а сви н це в мятины дости гают в попереч ­ н и ке 1 , 5-2 , 0 мм, а на IJ) латун и - 0 , 8 мм. Эти по­ в р еждения в идн ы н а по­ верхности даже неваору­ жеиным глазом. В еличи н а Рис . V .20. П рофилаграммы кавитационных площадки , н а которую воз­ вмятин н а различных металлах : а - сви· действ ует кавитационный нец ; б- алюминий ; в - мед ь ; г- латунь; и м п ульс, в значительной д - стал ь 1 X l 8Н I OT мере определяется р азме­ рами смыкающейся кавитационной п олости , котора я , в сво ю очередь, является ч астью п ул ьси р ующей кавер н ы . В диффузор е н а п р и н ятых для испыта н и й режимах кавер н а достигала 1 50 мм по длине и п риближалась п о своим р азмерам к кавернам, в стре ­ чающи мся н а обтекаемых поверхностях натурных гидротурби н . Кавитационные В J\Iяти ны, п ол учен ные н а образцах в дифф у­ зоре, были сопоставлены с в м ятинами, зафи кси рованными н а алюми ниевых пласти н а х п р и испыта н и я х турби н ы Верхне- Ту­ ломской гэс . Н а режиме ма ксимальной мощности длина каверны н а в х одн ой кромке лопасти состав.тiЯ,1а около 200 мм. После 30 мин испыта н и й 1 86

в м я ти н ы в зоне максимума и нтенсивн ости неоднократно перекры­ в али друг друга , н о н иже п о п отоку от этой зоны он и р асполага­ лись и з ол и ров а н н о . Х а рактер, форма и р азмеры эти х в мяти н n очти н ичем н е отличаются от тех , которые были и з мерены н а ал юм и н и евых образцах , устанавливаемых в диффузоре . .Макси­ 1 l\ Il\1 , глуби н а мальный диаметр в обои х случаях составляет в м я тин в н атурных услов и я х несколько больше, ч е м н а образца х . �

-

Рис . V . 2 1 . Топаграммы к авитацион н ых вмятин

Таки м обр азом, услови я кавитационного воздействи я потока на стен к у в диффузоре близки к услов и я м в н атурной турб и не, и основные в ыводы, котор ые могут быть сдела н ы н а основе настоя ­ щ его эксперимента , можно расп ространить н а кавитацию в гидро­ т урби н а х . Х а ра ктер п ов режден и й металлов п од действием кавитационных и мп ульсов свидетельствует о том, что эти п ов р еждения вызваны вы соким и избыточн ыми давлен и я ми . Н аибольшие давлени я в оз­ н и кают в центральной ч асти площадки н а г р ужен и я импул ьсом . В местах п р иложени я в ысоки х давлени й поверхностные слои п еремещаются в глубь метал л а , об разуя описанные в ыше В l\IЯТи н ы . Отно сительно п р оисхождения уда рного кавитационного и м ­ п у.'I ьса существ уют две основные точ ки зрения (п . 4) . Согласно первой точ ке зрения п ов реждени я материала возни кают п од д ей стви ем сферических удар ных в олн , генери р уемых пузырьками , 1 87

з а х л о п ыв а ющи м и е н в жидкости вблизи стен ки . Вторая гипот ез а об ъя сн яет р а з р у ш а ющее действие кавитационных п узырьков не ­

п ос р едст ве н н ыми ударами стр уек в оды о п оверхность стен ки . Возни кновени е стр уек связано с потерей устойчивости формы пузырьков п р и и х захлопыв а н и и . Теоретически й анализ захлопы­ в а н и я осеси мметричного п узырька, находящегося в контакте с пограни чной стен кой, показыв ает, что поверхность п узырьк а п рогибается и образ уется стр уя , дви жущаяся с большой скоро­ сть ю к стен ке (рис. 1 . 1 1 , б) . Н а основе обобщени я результатов многих исследов ани й , в р а­ боте [24 ] делается вывод, что почти в о всех случая х п узырьки , з ахлопывающиеся н а стен ке и л и вблизи нее, теря ют устойчивость . В р ез ул ьтате образуются струи , уда р я ющие п о стен ке. Скорости соуда рен и я стр у й с твердой поверх ностью , по данным р аботы [45 ] , могут дости гать 1 000 м/с, что в п олне доста'\'очно для р а з р ушения любых материалов . Диаметр смыкающейся каверны, равный 1 / 1 5 диамет р а в мяти н ы н а алюми н и и [45 ] , дости гает при испыта­ н и я х в диффузоре 1 5 мм. Анализи руя форму вмяти н , получен ных н а образцах в диффу­ зоре (рис. V . 20) , можно сделать некоторые выводы о соответстви и действительных кавитационных и мп ульсов р ассмотрен ным в ыше схема м . Изображенные в мяти н ы н е могли возникн у ть п р и р асп р ост р а ­ нении сферической ударной в олны от п узырька, з а хлопываю ­ щегося в жидкости . В этом случае след на п ластичном мате р и але п р едставлял бы собой элемент сферы и поверхность в мяти н ы , за и сключени ем краев , была бы обращена вып уклостью в стор ону металла . В действительности , п очти вся п оверхность обращен а выпуклостью в сторону жидкости. Форма в мяти н ы более всего соответств ует удар у струи , идеализи рованная схема образов а н и я которой п редставлена н а р и с . 1 . 1 1 , б. В момент удара о твердую п оверхность конус струи и меет малый р адиус з акруглени я rc � � 0 , 0 1 -:-0,05 мм, о чем можно судить п о размерам дн а в м ятин ы . Н а сви н це встречаются также в мятин ы большого ди аметра с пло­ ским дном, которые образов а н ы струями с большим р ади усо м закруглен и я , дости гающим 0 , 5 мм. Большое различие в мяти н , в стречающихся н а одном и том же обр азце, по глубине, к р утизне п оверхности и п о ди аметру св и ­ детельств ует о том, что н а стен ку диффузора в оздейств уют р азные импульсы . Скорость соудар ен и я стру и со стен кой , р адиус з а к р уг­ лен и я и масса струи могут изменяться в широких п редела х . Па р а­ метры стр у й оп ределяются услов и я ми и х образов а н и я : фор мой захлопывающи хся п устот, которая согласно р аботе [ 3 1 ] может быть самой р азнообразной, и х р асположением относительно сте н к и и полем давлен и й вокруг н и х . Уда рные и мпуль с ы , как и создающие и х струи , и меют широ к и и диапазон х а рактеристи к . Основ ными х а рактеристиками являются максимальное давление в месте уда р а и х а р актерная площад ка , .-..-

•

188

11 а к оторую п риходится уда р . Наибол ьши й и нтерес п редставл я ют

с о бой давлен и я , в ызываемые уда рами .

Очевидно , что уда р ы , оставл я ющие н а п оверхности металла

с л ед ы в в иде пластических деформаци й , создают давлени я , п рев ы­

l).lа ю щие п р едел его текучести сrт . Подсчитывая кавитаци о н н ые вl\l яти н ы н а образце и з металла с известным п ределом текучести , м ожн о определить количеств о ударов с давлениями , п рев ыша­ ю щ и ми этот п р едел . Рез ультаты непосредственного п одсчета вмяти н н а образцах nосл е определен н ого в ремени испыта н и й п риведен ы в табл . V . 9 .

V.9

Т аблица Количество видимых кави тацион ных вмя ти н н а разл ич ных материалах

Х а р а кте ристи к а реж и м а исп ытан и й

v = 22,2 t

v= t

=

v= t = =

м/с

60 с 30,4 м/с 15 с 36,9 ы/с 15 с

Сви нец

Ал ю м и кий АД l М

Мед ь М3 м я гк а я

Л атун ь Л62 мягкая

253

219

212

26 1

220

834

534

l X l B H lOT

3X l3

Стал ь

Ста л ь

97

о

о

210

1 12

18

10

506

271

82

40

Для сопоставлен и я результатов испытани й количество вмятин прив одилось к одному в реме н и t = 60 с, п о формул е Zво = Zи

0 -т; ' 6

где z60 - количество вмятин , п риведеи ное к 60 с ; zи количество вмяти н , появив шееся з а в ремя и спытани й . Зависи мость количества в мяти н о т п редела текучести металлов и зоб ражена н а рис. V . 22, б. С увеличением сrт количество в м я т и н р ез ко умень шается . Это свидетельств ует о т о м , ч т о ч и сл о уда р ов с в ысокими давлен и я ми составляет н ебольшую долю от общего и х количеств а . Разби в а я в с ю совокупность кавитаци он н ы х уда ров н а ч етыре г р уп п ы , где первую группу будут составл ять уда р ы с давлен и я ми свыше 1 00 кгс/см2, вторую - свыше 1 000 кгс/см2 , тр етью - свыше 2000 кгс/см 2 и четвертую - свыше 3000 кгс/см2, м ожно п ол учить, исходя и з р и с . V.22, б, расп ределен и е ударов по г р уп п а м (табл . V. 1 0) . Количество уда ров с давлени я м и , п рев ы­ lll а ющи ми 3000 кгс/см2, даже н а режиме максимальной скорости со ставляет л и шь 5 % от количества уда ров , в х одящи х в первую г р уп п у . Н а режиме со скоростью потока v = 22 , 2 м/с на ст а л и 3 Х 13 вообще не возни кало в мяти н , т . е . на этом режиме и м ­ п ульсы с давлени я ми св ыше 3000 кгс/см 2 отсутствуют. -

1 89

с у в ел ичен ием с к орости потока в о � растают как кол ичест во u а у д р н ых и м п у льсов , та к и максимал ьныи у ровень давлен и и , о ч е м можн о с уди т ь п о количеств у и глуби не в мятин на испытан н ых обр а з ц а х (рис . V. 22) . Глубин а в мяти н ll, п риведеин а я н а г р афике (рис. V . 22, а) , п олучен а п утем осреднен и я в еличи н , измеренных п о десяти н аи .

О

500

1500

fOOO

Рис . V 22 . Гл убина (а) и кол ичество (б) кавита­ вмятин в зависимости от предела 'текучести металла : 1 и !' v = 2 2 , 2 м/с; 2 v = 3 0 , 4 м/с; 3 и 3' 3 6 , 9 м/с цион н ых -

-

-

более крупным в мяти нам н а каждом образце . С увеличением п ре­ дела текучести металла осредненн а я глуби н а в мяти н резко п а­ дает . На матери алах с н и з к и м п ределом текучести боЛьшая часть Т а б л и ц а V . 10 _

Р аспределение кавитацио н ных ударов по группам s нер r и й

1

Номер режима

1 2 3 1 90

Скорость В

М /С

22,2 30,4 36 ,9

v

1

К оли чество уда ров н а о б р а зце

.

1 /V

-

z80

1 групп а : 1 1 группа : 1 1 1 групп а : груп п а : р > 100 к гсjс м ' р > 1000 к rс{см 2 р > 2000 к гс{с м 2 р > 3000 к гс{с м '

300 1 1 50 3200

1 00 500 1 200

о

о

1 00 350

20 1 50

1

1

э в е р ги и уда рного и мпульса расходуется н а пластическую дефо р · маuи ю , а н а стали значительная часть эн ергии тратится н а у п р у ­ г у ю деформаци ю . Энерги я образов а н и я н а и бол ее круп н ых вмяти н н а различ н ы х 1\!еталлах оцен ива.'lась п о объеl\lу п л астической ;r.еф орl\ш ци и . П редпо л ага я , что при оди ночной Вl\!яти не упроч н е­ н и е металла н езначительно, эту энергию можно в ычислить п о ф ор муле Е = о т V, где от- п редел текучести ; V- объем в мяти н ы . Резу л ьтаты для режи ма с максимальной скоростью п риведены в табл . V . 1 1 . Из табл и цы следует, что п р и оди на ковой для всех обр азцов обrцей энерги и ударов энерги я , затраченн а я на пласти ­ ч ескую деформацию, для Т а б л и ц а V. 1 1 стали в 30 раз мен ьше, чем астической Энерги я деформации пл для алюми н и я . Очевидно , материала при одном что для стал и большая кавитационном ударе часть энерги и уда р а п р и ­ х одится н а упругие пере­ Эне рги я меrцени я слоев металл а . об р а зов а н и я М атер и а .1 в м ятин в э рг Интересно р ассмотреть св язь количеств а кавита­ цион ных и мп ульсов , х а­ Алюминий 3 · 1 03 рактери зуемых в мяти н ами Медь 2 , 7 · 1 03 на н а и более пластичном Латунь 1 , 2 · 1 03 матери ал е - сви н це , с ча­ Сталь X 1 8H I OT 1 ,0 · 1 02 стотой пульсаци и кавер н ы . П р и постоянном числе кавита ции k и неизменной -

дл и н е к аверны l число Струхаля Sh j_!__ также п остоя н н о . В этом v случае частота пульсаци и каверны f п ропорциональна скорости по­ тока v. Если п р и v = 36 , 9 м/с частота п ульсаци и каверны f � 1 00 Гц, то при v 60 Гц. Количеств о же кавитационных 22 , 2 м/с f имп ул ьсов с измен ен ием скорости меняется з н ач ительно резче. За 15 с испыта н и й с v = 36,9 м/с н а образце из св и н ца н асчиты­ вается 834 в мяти н ы (табл . V . 9) . Следовател ьно, на боков ую стенку диффузо р а за 1 с п риходится �55 уда ров . Учитыв а я , что такое же количество ударов п р и ходится н а п р отив оположную стен к у и часть - н а верхнюю п рофильную, п р и скорости 36,9 м/с каждому ци кл у кавер н ы соответствует п р и мерно оди н кавитационный уда р , остав л я юrци й видимый след н а сви нце. Пр и скорости потока v 22 , 2 м/с число ударов за 60 с испыта н и й составит 253 , и л и з а 1 с н а образец п ри х одится четы р е удар а . В этом случае за 60 ци клов п ульсаци й каверны число за метных ударов составит около десяти , т . е . дл я одного кавитационного и мп ульса требуется � 6 п ул ьса­ ци й каверны. На малых скоростях потока з н ачительная ч асть кавитаци онных импульсов , возни каюrци х п ри захлопыв а н и и ка­ ве р н ы , н е вызывает остаточных деформаци й даже н а таком пла­ ст ичном материале, как сви нец. Количество з аметных кавитацион­ н ых ударов с умен ьшен и ем скорости резко снижается . =

=

=

=

=

191

Х ар а ктеристи ки эрозии и сследовались также п ри измене ни и числа кавитации k . Изменен и е k дости галось уменьшением дав ле­ н и я на в ы х оде из сопла п р и н еизменном давлении на входе (р 1 = 7 , 8 кгс/см2) . Исп ыта н и я п р оводились п р и скорости п отока в щели v = 35 , 5 м/с . Ч исло кавитаци и мен ялось от 0 , 39 до 0 , 7 . При тако�r ш и р оком ди апазоне и зменени я k стал неприемлемым метод оцен ки и нтенсивности эрози и по еди ничным в мятинам . Это связано с тем , что п р и больших з н ачениях k .." "" � � � "" � � р азмеры в мяти н малы, н а �� � ограниченной площади и х coJO '50 f5 средотачивается значител ь ­ ное количество и они пере­ крывают друг друга. Затруд­ нен также замер мелких вмя ­ ти н . В связи с этим оцен к а эрозии п р оизводилась по средней глубин е деформа­ ции hд в центре зоны эрозии и п о объему деформаци и Уд на алюми ниевом образце з а 2 ч испытани й . Основные х а р а ктеристи ки эрозии в зависи мости от числа кавитации п р ив едены на O,'f 0, 5 о. с k р и с. V .23. С умен ьшением k плор и с . V . 23 . за ви е нмо сть эрози и от числ а щадь зоны эроз и и непрерывкавитации : н о растет, что в ызвано увеvд - объем дефор м аци и ; h д - глуби н а де · фор м а ц и и ; s э - п лощадь эро з и и личением дли н ы каверн ы и ее объема . Значен и я hд и Vд с умен ьшен ием k сначала возрастают, а з атем рез ко п адают. Это объясняется умен ьшением частоты п ульсации каверны ( р и с . V . l 9) и, следовательно, уменьшением количества единичных в мяти н . Интересно отметить , что с уменьшением k, т . е . с умень ­ шением п ротив одавлен и я , объем единичной вмяти н ы н еуклон но р астет. Этот результат кажется парадоксальным: п р и п аден ии среднего статического давлени я увеличивается давление к а ви ­ тационного уда р а . Оп ределя ющим здесь является объем смы ка· ющей п олости , а н е среднее давление окружающей среды . Т аки м образом, динамика кавитационной каверны и г рает решаю щ у ю роль в р азвитии кавитационной эроз и и . В н астоящем параграфе р ассмотрено разв итие кав итаци онн ых п оврежден и й в первый период, когда не п роисходит наложен и я н ескол ьких и мпульсов в одном месте . В мяти ны , в озни кши е н а металле, без условно оказывают влияние н а пос.ТJедующие уда рн ы е импульсы. При ударе к умулятивной струи п о центру уже и м е· ющейся В l\Iяти н ы , отдача ее энергии твердому те.Тi у должн а воз · =

=

"'

1 92

р а сти [ 3 1 ) . Особенно сильно это должно n р оявл яться н а мяг ки х м еталлах (нап р и ме р , н а сви н це) , где первоначальные вмяти н ы и ыеют большую гл уби н у . Материал испытыв ает п р и кавитации многокр атное уда рное в оздей ствие р азличных и м п ульсов . Давлен и я в местах уда ров п р и достаточных скоростях п отока (в н ашем случае п р и v ;;:::: :;::: 30 м/с) п ревосх одят п ределы текучести металлов , п р и мен я емых в гидромаши н а х . Кроме нормальных составл яющи х гидроуда ров , и меются к асательные составля ющи е . Это следует и з р и с . V . 2 1 . Касател ьные составляющие уда р ов способств уют раскач и в а н и ю и скалыванию частиц металла . Таким образом, к авитационная нагрузка н а металл может быть п р едставлена к а к циклическая н аг р узка с н а п ряжен и я м и от самых малых в еличин до величи н , п рев осх одящих п р едел текучести . Меха н ическое в оздействи е п р и кавитаци и соп ров ождаетс я и нтенсивной кор розие й . Объясн я ется это тем, что кавитационные удар ы , п риводящие к пластической или уп р угой деформаци и матери а л а , образуют н а его п оверхности точки со свойствами , отличными от основн ого матери а л а . Для металлов р абота , з атр а­ чиваемая н а деформацию, н а 85 % п ревр ащается в теплоту, а остальная часть - в п отенциальную энергию в н утреннего н а п р я ­ жени я [ 1 05 ) . Т е м самым н а металлической п оверхности , находя­ щейся в в одной среде, служащей электролитом, образуют ся анодные участки , которые п риводят к в озни кновени ю мгновенных микроэлементов . Пер и одически возни кающие, как бы п ул ьси ру­ ющие, микроэлементы резко усиливают электрохимические п ро­ цессы коррозии . Усилению п роцессов коррозии способствует также чередование в одяной и п а р агазовой среды в месте п ул ьса­ ции кавитационной каверны . Рассмотрим в свете изложенного развитие кавитационных разрушен и й н а нержавеющих и углеродистых стал я х . В водяной среде н а поверхности металла образуется защитна я пленка окис­ лов . Н а нержавеющих сталях nленка является тонкой, в есьма п рочной и образует с основным металлом монолитное соединение. Защитна я плен ка и, следовательно, сама нержавеющая сталь является стойкой к электрохимическим п роцессам кор рози и п р и кавитации . Разрушен и е н ержавеющих сталей п ро исходит глав ­ ным образом п од действием гидроударов , в ызывающих давления выше п р едела текучести стали . Такие удар ы составл я ют менее 5 % от общего количеств а , п оэтому п р оцесс разрушени я нержавеющи х сталей п р отекает з амедленно. При этом в начальный период п ро­ и сходит н а коплен и е деформаци й без удален и я материала. З атем ч асти цы металла н ачинают выкрашиваться вследств и е устало стных явлен и й (усталость с малым числом ци клов) или отрываться п од действием срезающи х и изгибающи х усили й , порождаемых куму­ ,ТJятивными струями в месте уда р а . Углеродистые и низ колегиров анньtе стали и меют ср ав н ител ьно толстую и в то же время рыхлую пленку оки слов , которая ле гко 13

Н . И.

Пылаев

1 93

с ка л ывает ся да же под действ ием слабых кавитационных уда ров . В это l\1 сл у чае все удар н ы е и мп ул ьсы б удут разр ушающи м и . В с.'Iедств и е э лектрохи мических п р оцессов , соп утств ующи х кав и ­ та ци и , п р о исходит повторное окислен и е поверхности , очище н но й от пл ен к и окислов . Совместное действи е корр озии и кавитационных гидрауда ров п риводит к быстрому и гл убокому разъеда н и ю углеродистых сталей . Н а нержавеющи х стал ях , еслИ скорость п отока, даже п ри р азвитой кавитаци и , н е п р евышает 25-30 м/с, нап ряжени я, в ызываемые кавитационными ударами , н а х одятся в п редела х у п р угой деформаци и и р а з рушен и я п олностью отсутств уют. Н а углеродистых и н и зколеги р ованных сталя х , когда даже весьма слабые кавитаци о н н ые уда р ы способн ы разрушить пленку окисл ов , и збежать разрушени й можно только п р и полностью п одавленн о й кавитаци и . 25. М ЕТОДИ К А И С П ЫТАН И Й К А В И ТАЦИ О Н Н О Й С ТО Й К О СТИ

М АТЕРИ А Л О В В Л А Б О Р А ТО Р Н Ы Х УС Л О В И Я Х. С О П О СТАВ Л Е Н И Е Р Е З У Л Ь ТАТОВ Л А Б О РАТО Р Н Ы Х И С П ЫТА Н И Й С Н АТ УР Н Ы М И

Различные типы лабораторных установок для и сследования кавитационной эроз и и и обил и е методи к испыта н и й н а каждой из н и х способствовали п олучени ю результатов , н есопостав и мых друг с др угом и в о многом п р отиворечивых . Следует также отметить существенную разницу в энергии еди н ичных кавитационн ы х ударов н а различных стенда х . На стендах п р оточного типа, и мити р ующи х естественные п роцессы кавитаци и , н аблюдаются еди н и ч н ые уда р ы з н ачительной силы . Так, н а п р и ме р , в диффузоре п р и средней и нтенсивности кавита­ ци он ного п роцесса v 36 м/с н а св и н це обр азуются в мяти н ы ди аметром до 2 мм. Н а площади в 1 см2 за 1 с в среднем образуются дв е в мяти н ы . Н а удар но-эрози онном и магнитостри кци онном стендах и нтен· сивное кавитационное разрушение достигается н е в ысокой энер­ гией еди н и чного уда р а , а большим количеством уда ров . Н а ударн о­ эрозионном стенде п р и однократном п ересечен и и об разцом стр у и в оды с v 30 м/с (средня я и нтенсивность) н а образце и з св и нца образуются п ри мерно четы ре в мяти н ы глубиной < 0 , 002 мм и 90 в мяти н . g � 0 , 05 мм. За 1 с н а п лощади 1 см 2 образуются Н а магнитостри кционном вибраторе объем еди ничных в мят и н еще мен ьше, а и х количество больше. К существенным н едостатка!\! п р оведеи ных исследова н и й кави · тационной стойкости матер иало\3 н а л абораторных стендах след ует отн ести отсутстви е согласов а н и я между результатами лаборатор ­ н ы х испыта н и й и действител ьными соотношен и я ми стойко сти материалов , н аблюдаемыми в н атурных услов и я х . =

=

�

1 94

Приведем н екоторые х а р актерные результаты и сп ыта н и й , п ол учен ные н а р азл ичных стенда х . Н а установке п р оточ­ н ого т и п а подробные и с­ следова н и я были п роведе­ н ы Мауссоном [95 ] . Маус­ сон п роводил испытания

·

"' " :с 0: о ... t) о u

С ДОВ ОЛЬНО В ЫСОКОЙ И Н Те Н ­ С И В НОСТЬЮ кавитаци и . Для

этого н а входе в сопло соЗ·· давался напор 300 м и н а выходе - 1 5 м . П р и этом скорость п отока в сужен­ ной части сопла состав­ ляла 80 м/с . Продолжи­ тельность каждого опыта 16 ч . Резул ьтаты и спытан ий некоторых сталей, анало­ гичных п ри меняемым в на­ стоящее в ремя , п р иведены в табл . V. 1 2 . Для х а р а ктеристи ки стойкости некоторых угле­ родистых и нержавеющи х сталей н а магнитостр и к­ ционном вибраторе п риве­ дем результаты испытани й , п олученные п ри частоте колебан и й 8000 Гц и двой­ ной амплитуде 0,07 мм (табл . V. 1 3) . Результаты испыта н и й на уда рно - эрозионном стенде в значител ьной сте­ п ени определя ются усло­ в ия м и испыта н и й . В испыта н и я х Х он­ негера ди аметр стру и был 1 , 5 мм и скорость и стечен и я 2 8 м/с . Скорость , с кото­ р о й образец пересекал стр ую , достигала 225 м/с . При этом б ыло устан овле­ н о , что п р и скорости об­ р азца мен ьше 1 25 м/с раз13�

;)J J'II U U H H IJ � rч u о и h 9 1 R E e o au и d аш u

tQ

1 -. о

1

16

1

tQ

tQ

= С>

� :s:: 3... "' ::;:

1 ;;.-

1


1

1 u

1 -----

со

со

(!) 0

С7> о

6 6

о

о

1

rо

о

---- 1 -----

о

� u ..: �u

u �

u u

u

м . ...:

oz .Q ":: ro ...

.Q ":: ro ...

uu

С'-1

о .Q ":: � ...

u

195

Т а б л и ц а V. l3 Резул ьтаты и спытан и й материалов на ма г н итостри кционном стенде

Мате ри а л

У г лераднетая стал ь 20 Нержавеющая сталь 20Х I ЗНЛ Нержавеющая сталь I X I 8 H9T

Состоян и е

Прокат Литье,

ЦИ Я , ОТПУСК

Прокат, зация

Т вердость нв

3ч

П отери вес3 з а испыта н и й В МГС

нормализа-

1 30 1 80

1 35 1 00

аустенити-

1 60

70

р ушен и я в ообще отсутствовал и . В дальнейшем развити е этого метода шло п о п ути увеличени я диаметр а струи и уменьшения скорости образцов . В настоящее в ремя общеп р и н ята следующая методика испы ­ тан и й : диаметр стр у и 5 мм, н апор стру и 0 , 5 ати , скорость в р а­ щени я образца 80 м/с . Результаты испытаний п о этой методике п редставлены в табл . V . 1 4 . Т а б л и ц а V. 1 4 Резул ьтаты и спытан и й материалов н а ударно -эрозионном с тенде

Мате р и а л

У глераднетая сталь 20ГСЛ Нержавеющая сталь I X I 8 H9T Нержавеющая сталь 20Х 1 4НЛ

Состоя н и е

Литье , отжиг Прокат, зация Литье ,

Т вердость н

в

П отеря в весе з а 3 в мrс

1 60

60

аустенити-

1 56

55

нормализа-

200

47

ЦИ Я И ОТПУСК

ч

Из анализа р езультатов испытани й м атериалов на р азличных стенда х следует, что углеродистые и нержавеющие стали , и меющие бли зк ие механические свойства , р а з рушаются п ри мерно одинаково . В то же в р емя и з п рактики эксплуатаци и действующих ГЭС известно , что нержавеющие стали п о кавитаци онной стойкости п р ев осходят углеродистые в десятки раз (п . 22) . Противореч и я между лабораторными и н атурными результ а ­ тами объясняются различием в и нтенсив ности кавитационног о воздействи я . Стремление сократить в ремя испытаний материалов п р ивел о к существенному увеличению и нтенсив ности кавитаци он­ н ы х п роцессов в лабораторных услов и я х . 1 96

Если сопоставить и нтенсивность кавитационного воздействи я ло п р и н ятым методи кам в л абораторных услови я х и н а действу­ ющих ГЭС, то окажется , что н а лабораторных стендах скорость р а з р ушен и я образцов в тысячи , а и но гда и в десятки тысяч раз лревосходит н ату р н ую . Исследован и я , п роведеи ные н а ЛМЗ , показали существенную з ав и с и мость стойкости материалов от и нтенсивности кавитацион­ н ого в оздейств и я . Испытан и я п р оводились н а ударно-эрозионном стенде . Образцы для и спыта н и й и зготовлялись и з матери алов , п ри мен я емых в гидротурбостроени и : углеродистая стал ь 20ГСЛ и нержавеюща я сталь 1 Х 1 8Н 9Т . Образцы из стали 20ГСЛ были вырез а н ы и з окончательно термаобработанной лопасти , сталь 1 Х 1 8Н9Т взята в состоянии п остав ки . Испытания п роводил ись л ри числе обор отов стенда 900-3000 об/мин . Эти обороты соот­ ветствовали скоростям п ересечени я струи воды и л и скоростям удар а от 23,5 до 78 , 5 м/с . Проведеиными исследованиями установлено , что п р и умен ь­ шен и и и нтенсивности кавитационного в оздействи я н е только изменя ются количественные х а р а ктер и сти ки п отерь в еса металлов , но п роисходит и качественное перераспределени е относительной кавитаци онной стойкости различных п о коррозионным свойствам материалов . При этом показано, что относительная стойкость испытанных материалов меня ется от 1 до оо [52 ] . Стремлени е п риблизить результаты лабораторны х испытани й к н атурным характерно для многих исследователе й . Основн ым направлен ием, п р и нятым в н астоящее в ремя , является введени е в методи к у и спыта н и й коррозионного факто р а . В 1 962 г . М . С. Плессет [50 ] п р едложил и мпульсны й метод и ссл едования кавитационной эроз и и . Сущность этого метода сво­ дится к тому, что образец в магнитостри кционном в и б р аторе к олеблется н е неп рерывно, а с некоторыми п р омежутками . Ци кл, и л и п е р иод, импульснqй кавитации М . С. Плессетом п ри н ят р ав ­ ным 2 1 6, 67 мс, а в ремя колебан и й образца составляет 1 /20 периода . Таким образом, в ремя и спытаний резко увеличивается : если п р и непрерывной кавитаци и образец испытывается обычно 3 ч , то п р и импульсной кавитации 60 ч , из них 57 ч образец находится в в оде в неподв и жном состояни и . П р и ме рно аналогичн а я методи ка испыта н и й п р едложен а М . Г . Т имербулатовым [ 6 1 ] . Разница заключается в том, ч т о обра­ зец испытывается на магнитостри кционном в и б р атор е 5 мин и 24 ч нах одится в в оде. По этой методи ке для достижени я трехчасового к авита ци онного в оздействи я потребуется 36 дне й . Е стественно, в о в тором случае факто р коррозии п роявляется в большей"степен и . Существенным недостатком обеих методи к является п роизволь­ н ость в соотношен и и механического и кор розионного в оздейств и й . П р и и з менении этих соотношени й будет соответствен н о и зме­ н яться относительная стойкость испытываемых углероди стых и нержавеющих сталей. 1 97 -

Н ам п редставляется, что наиболее п равильно можно при бли . зить результаты лабораторных испыта н и й к н атурным естеств ен . ным п утем, т . е . снизить и нтенсивность кавитационного в озде й­ стви я до велич и н , и меющихся н а действующих ГЭС. Для сопоставлен и я и нтенсивности кавитационного в оздейств и я в натурных и лабораторных услов и я х были использованы резул ь ­ таты и спытаний турбин методом скоростной эроз и и . Подбором соответств ующего режи ма стенда можно достич ь той же степени разрушен и й , что и в натурных услов и я х . Таким образом, было установлено, что и нтенсивность кавитации н а ГЭС Н и в а- 1 1 1 и Баксанекой ГЭС соответствует числу оборотов уда рного стенда , равному .-..- 1 1 00 об/ми н ( v 30 м/с) . Сопоставлен и е кавитационной эрозии в лабораторных и натур ­ н ы х услов и я х можно сделать та кже п о степени разрушений мате ­ риалов , из которых изготовляются детали п роточной части тур­ бин ы . Испытан и я п р и н атурной и нтенсивности кавитаци и н е озн а­ чают , что длительность экспери мента увеличивается до н ескольких тысяч часов . Для средней и нтенсивности натурной кавитации , х а р а ктерной для радиально-осевых турбин тип а Нива- 1 1 1 , Б аксан , Днеп роГЭС, поворотнолопастных турбин волжских гидроэлектро­ станци й , в р емя лабораторных испыта н и й будет составл ять 300-400 ч . За это в ремя обычные н ержавеющие стали п отеряют в в есе 8- 1 0 мгс, которые можно з америть в л абораторных условиях с достаточной степенью точности . При максимальной и нтенсивности н атурной кавитации п отери в еса 8- 1 0 мгс будут и меть место уже через 30 ч . Учитыва я , что в н атурн ых услов и я х материалы могут р аботать п р и различной и нтенсивности кавитационного воздейств и я , п р ед­ ставл я ется целесообразным и в лабораторных услов и я х для все­ сторонней п р оверки кавитационной стойкости матери алов испы­ тан и я п роводить п р и широком диапазоне и нтенсивности в оздей­ ств и я . Наиболее легко и нтенсивность в оздействи я регули руется н а удар но-эрозионном стенде п утем изменени я числа оборотов диска и тем самым скорости удар а образца о струю в оды. В нов ой методи ке ЛМЗ п р и н яты следующие режимы испытани й : n в об/мин . . . . . . . . 2800 2000 1 500 1 1 00 =

v в м/с

.

. . . . . . . .

73

52

40

30

Давление в напорном баке, определя ющее скорость и стечен и я стр уи , и диаметр выходного сечени я сопла остаются постоянн ы ми для всех р ежимов . Скорость истечен и я из сопла не ока зывает су ще ­ ственного в.'I и я н и я н а и нтенсивность разрушени я и в ыби р а етс я исходя и з услов и я в осстановлен и я струи п р и п ересечени и ее образцами . Н ами в ыбраны: давление в � апо р ном баке 0 ,8 ат и , Vстр :::::; = 6 м / с и ди амет р сопла 5 м м , 1 &8

Гi ри испытания х с оп ределен но й и нтенси вностью (n об / м и н = coпst) результаты обычно оформляются в виде г р афи к а , где п о оси о рди нат откладываются п отери веса в мг, а п о оси абсци сс ­ в р емя t в ч . Пр и сопоставлен и и резул ьтатов испыта н и й с разной и нтенсивностью в оздействи я нельзя воспол ьзоваться в р еменем в качестве п оказателя стой кости материал а . Правильнее в этом случае пользов аться ч ислом уда ров об разца о струю в оды до достижени я оп р еделенной потер и веса . Потери 10 мгс . веса обычно п р и н и маются дG Обработку результатов испытани й п о новой методи ке п роводят в следующем п о р ядке. Для каждого режи ма строится г рафи к зависимости потерь веса от в р емени испытан и й . По этому графи ку находится период в р емени , соответств ующи й п р и нятым в есовым потерям дG. Затем оп р еделяется ч и сло удар ов образца N 60nzc T, где N - ч исл о уда р ов , соответств ующее потерям в еса 11G; n - скорость в р ащени я диска в об/ми н ; Zc - ч и сло сопел стенда ; Т - период в ремени , соответствующи й потерям в еса дG, в ч. Таким обр азом , для каждого режима испытан и й , х а р а ктери ­ зующегося определенной и нтенсивностью воздействи я ( n , v) , находится соп ротивляемость материала разрушен и ю , которая числен но равна количеств у ударов N до достижени я п отерь в в есе 11G. Полученная зависи мость строится в системе коорди н ат (n, v) и N , п р ичем по оси абсцисс откладываются знач ен и я n и л и v, а по оси орди нат - значен и я N. Соеди н я я плав ной кривой найден ные для каждого материала з н ачен и я n и N , п ол учим гра­ фическую зависимость стой кости испытываемого матери ал а при ши роком диапазоне и нтенсивности кавитационного в оздействи я . Н а уда рно-эрозионном стенде однов ременно испытыв аются ч етыр е образца . Оди н и з н и х , и зготовл яемый и з стали 1 Х 1 8Н 1 0Т , является эталонным. Сопоставление материалов по кавитационной стойкости п ро­ изводится по числу ударов . Н а рис. V . 24 п р иведены результаты испытани й некоторых ста­ л ей п о новой методи ке. В качестве п р и мера определи м относи ­ тельн ую кавитационную сто й кость сталей О Х 1 3 и 20ГСЛ п р и и нтенсивности воздействи я , соответств ующей n 1 500 об/мин , =

=

=

=

Во Х J З 2 о гсл

=

NоХ 1 з N 20 rcл

=

=

9 , 0 · 1 06 5 , 7 - 1 06

=

1 '6.

В табл . V. 1 5 п р и ведена стойкость испытанных нержавеющих с т алей по отношению к углеродистой стали 20 ГСЛ п р и различных ин тенс ивностя х воздействи я . П р и натурной интенс ивности воз­ де йств и я , соответствующей ч ислам оборотов стенда от 1 500 и м е ньше, стой кость нержавеющей стал и ОХ 1 3 по отн ошен ию к стал и 20 ГСЛ меняется от 1 , 6 до оо . Дл я нержавеющих сталей , дл я которы х фа ктор кор р оз и и н е и г р ает существен ной рол и , отборочные испыта н и я п роводятся 199

2800 об/мин) . Однако п р и м е. h р и вЫсоких и нтенсивностя х (п н ительно к уда р ному стенду сопоставлен ие стой кости отдел ьных матер иалов следует п р оизводить н е п о весовым п отер я м , как это =

N, млн цикло6 25

20

f5

fO

5

о

! УХf8Н9Т \ '\огсл \(�'J \ \

'\.

\

\

\

V

OX flfA Гf2

\

\

\

""' . .\ \ ""' �� � ......._ "--

1500

2000

"'-... ......

2500

--

п, о5jмин

Рис. V . 24 . Кавитационная стой кость материалов при р азл ичной интенсивности воздействия

делается многими исследовател я м и , а п о времен и испыта н ий до достижения определенных (� 1 0 мгс) п отер ь веса обр азцов . Это связано с особен ностью р а з р ушен и я образца п р и больших ск оТ а б л и ц а V. 15 О тно с ите льн а я с тойко с ть с та л ей при разли ч ной и нтен с и вно с ти кавитационного воздей с твия n

2800 2000 1 500 1 1 00 200

О Х 1 3/20ГСЛ

0 , 50 0 ,55 1 ,6 8,0

1

е

1 X 1 8 H IOT f20 ГСЛ

1 ,40 1 ,90 3 , 50 1 5 ,0

1

О Х 1 4АГ1 2/20ГСЛ

2 , 70 3 , 70 00

00

1 �

р остя х уда р а . П р и появлен и и н а образце начальных р а з р ушен и й ег о п овер х н ость ста нов итс я неровной и интенсивность воздейств и я р ез ко воз р астает п р и неизJ\Iенном р ежиме испыта н и й . В этом слу ­ чае н ачавшиеся разр ушен и я менее стойкого матер иала катастро­ ф ичес к и воз р астают. Поясн и м это н а п р имер е . Н а р ис. V . 25 показано разр ушен ие двух матер иалов : 1 Х 1 8Н9Т и 30 Х 1 0 Г 1 0 , п р и n 2800 об/ м ин . Есл и испыта н и я п р одл ить до 20 ч , то п отер и веса будут для IJ G, MГC ста л и 1 Х 1 8Н9Т � 1 700 мгс, а дл я ста л и 30Х 1 0Г 1 0 - 7 , 2 мгс . Тогда к оэффициент относительной стойк ости эти х сталей станет р авным 1500 236, т . е . стал ь 30Х 1 0 Г 1 0 п о стойк ости п р евышает сталь 1 Х 1 8Н9Т 1 более чем в 200 р аз . Если сопо­ ставить эти матер иалы п о в ремен и до достиже н и я п отер ь в весе 1 0 мг, 1000 то ста л ь 30Х 1 0 Г 1 0 окажетс я более стойкой тол ько в 2-3 раза, что 1 соответствует р езул ьтатам испытан ий в н атурных услов и я х . Если испыта н и я кав итацион ной f X f8 H9 T 500 стойкости матер иалов п о р асши­ ренной методике (с разл ичной ин­ тенсивностью воздейств ия) п роводить на диффузорнам участке сопла JOX 10Гfо кавитацио н но-эроз ионного стенда , / 1 т о и нтенсивность должна мен яться f5 10 о 5 Т, ч з а счет скорости , а ч исло кавита­ ц и и должно оставаться постоян­ ным. Тем самым будет достигнуто Рис. V . 25. Испытан ия сталей 1 Х 1 8Н9Т и ЗО Х I O Г I O на удар но ­ эффективное изменение и нтенсив­ эрозионном стенде при n= ности кавитационного воздействи я 2800 об/ мин и в т о ж е время зона эроз и и будет р асположена в одном и том же месте. На магн итостр и кцион ном вибраторе менять и нтенс ивность ка­ в итационного воздействи я з атр удн ительно и р асширенная мето­ дика для этого стенда непр имен има . Сопоставим р езул ьтаты испыта н и й н а р азличных стендах между собой . Обязательным условием п р и сопоставлен и и должна быть один а ковость и нтенс ивности воздействия . В оз ьмем для п р и мер а р езул ьтаты испыта н и й углеродистых и нержавеющих сталей н а удар н о-эрозионном и кавитационно-эроз ионном стенда х п р и н а ­ турной интенсивности кавитацион н ого воздейств и я , которая дости ­ гается для удар н ого стенда п р и n 1 1 00 об/мин ( v 30 м/с) , для диффузор а - п р и v = 36 м/с ( р и с . V . 26) . Как следует и з п р и ведеиного р исун к а , соотношен ия между н ер жа веющими и углеродистым и сталями как н а одном, так и на =

v

/

1

L 1

--

v

=

=

=

20 �

др у г о м сте н д а х п р имерно одинаковы . П р и повышен и и интенс ив . н ост и во зде йств ия соотношен ия а налогично измен я ются . Эт о в и дн о из сопоставлен и я результатов испыта н и й Мауссона , г де в диффузоре скорость п отока равнялась 80 м/с (табл . V . l 2) , и испыта н и й на уда р ном стенде п р и с коростя х уда р а 65-75 м/с

(n 2500 + 2800 об/мин) . П р и высоких интенсивностя х воздей­ ств ия стойкости углеродистых и нержавеющих сталей сбл ижаются . =

а)

oJ

tНТ, м гс fOO

�

IJfU'·1 ГC 500 г---1--г----

./-- 20 ГСЛ

50

-

1

/х

LLX-r

о

100

!!

/

200 г-----

1

ШВН9 Т _ .L ..,.. - - JOO t, ч 200

Рис. V .26. Испытан ия п р и н атурной интенсивности воздействия н а удар но-эрозионном стенде (а) и в диффузоре (б)

Сопоставляя результаты испыта н и й на магн итостр икционном вибраторе (табл . V . I З) , где и нтенсивность воздействи я достаточно высока я , с результатами испыта н и й н а ударном стенде и диффу­ зоре с той же п р имер н о степенью и нтенсивности, можно з аметить, что матер иалы р асполагаются по стойкости в той же последова­ тельности . Таким образом, п р и один аковой интенс ивности кав итационного воздейств и я относительная стойкость матер иалов, испытанных на различных стендах , близка др уг др угу. 26.

П Р О Г Н О З И Р О В А Н И Е И М А С Ш ТА Б Н ЫЕ ЗФФЕК ТЬI КАВИТА ЦИ О Н Н О М ЭР О З И И

При п р оектирован и и новых г идротурбин встает вопр ос об ожидаемой кавитационной э р оз и и . Дл я п р огноз и р ов а н и я зон и интенс ивности эроз и и могут быть р ассмотрены сJiедующие методы : 1 ) р асчетный метод, когда об эроз и и можно судить п о р аспре­ делению давлен ий н а п р офиле; 2) метод эроз ионных испыта н и й модел и с испол ьзован ием Jiегкоразр ушаемых покрыти й ; 3 ) метод сопоставлен и я с аналог ичной турбиной, находящейс я в э ксплуатац и и .

2Q2

li p и nроведен и и нео б ходимЬIХ р асчетов с а налога н а вновь л р оектир уемую турбину н ужно знать, как вл и я ют н а эроз ию л и нейные р азмеры турби н ы , скорости обтекан ия ил и напоры, ма­ т ер иалы, из которых изготовлены детал и п р оточной части . Не­ обходимо уч итывать также р ежимы р аботы турби н ы : мощность , в ысоту отсасыван и я . В п п . 1 3 , 2 1 был и р ассмотрены н екоторые ка­ ч ественные завис имости вл и я н и я р азмеров, напора и режимов р аботы турбины на эрозию . Известна та кже методика определения к авитационной стой кости матер и алов ( п . 25) . Однако еще не все ас пекты вл и я н и я переч исленных факторов на эрозию п олностью и зуче н ы . Когда исследован и я б удут завершены, появ ится воз­ можность выдавать кроме эксплуатационной х а р а ктер истики турбины эроз ион ную х а р а ктер истик у , где будут н анесены зоны и интенсивность эроз и и в зависимости от р еж имов эксплуатаци и . В настоящее время п р и исследова н и и кавитаци и и кавитацион­ ной эроз и и вновь п р оектир уемых турбин н а иболее р аспростр анен метод э р оз ионных испыта н и й модел и . Пр и модел и р ован и и п роцессов кавитацион ной эроз и и необ­ ходимо уч итывать масштабные эффекты этого я влен и я , воз н и кшие вследствие несоблюден и я полного механ ического п одоби я течен ий в модельной и нату р н ой установка х . Н а ибольший п р а ктический интерес п р едставляет собой изучен ие эффектов , вызываемых изме­ нен ием л и нейного р азмера установки и скорости п отока . В л и я н ие скорости п отока н а кав итацион н ую эрозию исследо­ вано теоретически и экспер иментально в р аботах [48, 73, 92, 1 04 1 . Все исследовател и отмечают резкий рост интенс ивности эроз и и с увел ичением скорости потока, однако кол ичественные показател и этого р оста неодин а ковы . Пр и п р едставлен и и и нтенсивности эро­ зии вы·р ажен ием (V . 5) l = Avn вел ичина показател я n колеблется в п р едела х 5-8 . По исследова н ию влия н ия л и н ейных р азмеров обтекаемых тел н а интенс ивность кавитацион ной эроз и и известны р аботы [ 73, 1 04 1 , где зависимость дается та кже в виде степенной функции (V . 6) 1 = Bdi!>

с показателем � = 2 -;- 3 . Экспер иментальное подтверждение выводов р абот [ 73, 1 04 1 баз и р уется н а рез ультатах испытан и й с поперечным обтеканием цил и ндров в камере п р ямоугольного сечен и я . Х ар а ктер кав итаци и в этой установке сильно отл ичается от кав итаци и н а лопастя х г идротурбин . З а цил индром кавитация воз н икает в дискретно срывающихся в и х р я х , а н а лопастя х г идрома шины кав итация о бычн о п р оявляется и л и в форме каверн , п р имыкающих к лопасти , ил и в форме отдельно дв ижущихся п узырей . В упомян утых р аботах [ 73, 1 04 1 не исследовано та кже измене­ н ие един ичных ударных импульсов в кав итацион ной зоне п р и 203

ве р ех оде от одн их р азмеров уста новки к др угим. За кономерности этого изменен ия необходимо з н ать п р и модельных испытан и я х н а эроз и ю с п р именен ием различных легкоразрушаемых покрьi­ т и й , а также п р и использован и и кавитацион ностой ких эластичн ых покрытий для защиты лопастей натурных турбин . В связ и с этим был и пр оведены более детальные исследован ия масштабных эффектов кав итацион ной эроз и и пр имен ительно к ре­ ально с уществующей кавита ц и и в г идр омашинах . Кавитация р ас­ сматр ивалась в фор ме п ульсир ующей кавер н ы , связа н н ой с обте­ каемым телом . Исследова н и я п р оводил исЪ н а кавитационно­ эроз ион ном стенде ( р ис . V . 1 6) . Для исследован ия вл и я н и я л инейных размеров н а характер и ­ стик и кав итационной эроз и и был и изготовлены пять геометр ическ и подобных сопел с р азмер ами щели 1 , 2 , 4 , 6 , 8 мм (табл . V . 1 6) . Подобными был и выполнены также подводы и отводы потока . Для исследов а н и я влия н ия ш и р и н ы кавер н ы н а эрозию ( п р и один аковой с корости потока и п р и один аковом распределен и и давлен и я вдоль потока) были дополн ительно изготовлены два сопла (3 и 3 3 ) с тем же п р офилем, что и основное сопло 3 1 , но 2 с увел иченной ш и р иной канал а . Пр и изготовлен и и сопел особое вн иман ие было уделено точ­ ности испол н е н и я щел и и перехода щел и в диффузор . Обр азцы и з легкоразрушаемого матер иала, наклеенного н а стальн ую основ у , устанавливалис ь заподли цо с поверхностью боковой стенк и . Интенс ивность с илового кавитационного воздей­ ств ия оцен ивалась по результатам замеров еди н ичных вмятин и по объемным потерям образцов . Для исследова н и я един ичных кавитацион ных импульсов пр именял ись образцы со слоем с в и н ца . Оценка п р оизводилась по р азмерам вмяти н , воз н и кающих н а пол ированной повер хности с в и н ца за 30 с . П р и использова н и и с в и н ца для определен ия объемных потерь резул ьтаты опытов зна­ ч ительно искажал ись, та к как пластические деформации быстро достигал и стальной основы. В р езультате невозможно было выде­ л ить установившийся пер иод эроз и и с л инейным п р и р ащен ием объемных п отерь . Дл я оп р еделен ия объемных потер ь п р именялея более х р упкий матер иал , разр ушен ие которого происходило п утем выкрашив а­ н и я мел к и х частиц. В качестве такого матер иала использовалась гр афито-св и н цовая твердопр ессова н н а я пластмасса НАМИ- ГС-Т А Ф следу ющего состав а (по весу) : 40 % - гр афапласт АТМ- 1 , 1 0 % ­ а н и л и но-формальдегидн ая смола 2 1 4 , 50 % - порашок с в и н ц а . Удельный вес матер иала 3 , 3 гс/см 3 , прочность н а сжатие 1 000 кгс/см2 • Пласт и на из этого матер иала н аклеивалась н а сталь­ н у ю основу образца эпокс идным клеем . В л и я н и е л инейных р азмеров сопел н а кавитационн ую эроз ию исследовалось п р и постоя н ных з начен и я х давлен ий н а входе и выходе сопла (р 1 и р 2) , что п р и услов и и автомодел ьности режим ов должно обеспечивать постоя н н у ю скорость потока в сходствен ны х 204

Т а бл ица

Результаты испы таний геометричес ки подобных сопел lщ

V.\6

L

П а р а метры

Длина сопла L в мм В ысота щели d в мм Ширина сопла Ь в мм Дл и н а щели l в мм Угол диффузора уо Радиус закругления R в мм 10 В мм

lн. э В ММ lc. 3 в мм lк.

Fэ

3

в мм в мм2

t':.G

bl в мг/ ч

t'J.h � в мм/ ч

м t':. h � в мм/ ч �'-:) о CJ1

м

Диаметр вмяти н D ' в мм Глубина вмяти н h ' в мм

1

ь

1

1

2

1

з,

fШ 1

Номе р сопл а з,

1

Зз

1

4

1

5

1 86 4 ± 0,04 40 20 12 10 34 48 66 84 370

1 86 4 ± 0,04 60 20 12 10 34 49 65 82 320

278 6 ± 0,06 30 30 12 15 53 75 1 02 1 30 820

372 8 ± 0,08 40 40 12 20 65 1 02 1 37 1 72 1 350

1 2, 8

24, 5

53, 3

22,7

61 ,3

8,8 · 1 0 - 3

3,9 · 1 0 - 2

1 , 1 5 · 1 0- 1

2,62 · 1 0 - 1

4,0 · 1 0 - 2

7, 1 · 1 о- 2

8,3 · 1 0- 4

3,2 · 1 0 - 3

8,4 · 1 0 - 3

2,0 · 1 0 - 2

5,0 · 1 о - 2

8,4 · 1 0 - 3

1 3,8 · 1 0 - 3

0, 1 0 0,003

0,29 0, 0 1 1

0,65 0,028

0,96 0, 048

1 ,28 0, 060

1 ,0 0, 043

1 ,6 0, 074

47 1 ± 0,02 5 5 12 2,5 8,5 9,5 16 22, 5 24

93 2 ± 0,02 10 10 12 5 18 22 33 45 1 00

1 86 4 ± 0,04 20 20 12 10 34 42 64 86 460

0, 066

1 ,04

1 ,9 · 1 о- 3

�---

i

точ ка х

,

а

та кже

ф о р м у ле (V . 4 ) .

п остоя н н ое ч исло кавита ц и и , определ я емое п о

Услов ия испыта н и й был и выбраны следующие: р 1 2 , 0 кгс/см2 ; v 0 36 , 5 н/с ; k = 0 , 4 4 . 6 , 4 кгс/см 2 ; р 2 П р и испытан и я х определ я л ись следующие хара ктер истики кавитационной эроз и и : D ' и h' - диаметр и гл убина един ичных вмятин н а с в и н це; F э - площадь зоны эроз и и ; !J.G/ !J. t !J. V/ !J. t ­ потер и веса ил и объема на пластмассовом образце в установившийся пер иод за един ицу времен и ; !J. h maxl !J. t , !J. h c pl !J. t - п р и р ащен ие макс ималь­ ной и с р едней гл убины поврежден и й " н а пластмассе з а един ицу времен и . Замер глубины и диаметр а еди­ 1>< н ичных вмятин производился с по­ мощью микроскоп а . Н а каждом об­ )/ разце был и выбр аны десять н а иболее J глубоких вмятин , р азмеры которых осредн я л ис ь . 1 Как в идно из табл . V . 1 6 , гл уби н а f0_2 и диаметр вмятин с ростом л и нейного 1/ размера сопел резко возрастают. / / Если на обр азце сопла 1 (высота 1 щел и d 1 мм) оср едненные р азмеры / вмятин D ' О 10 мм и h' 0 , 003 мм , " 1 то н а образце сопла 5 ( d 8 мм) 1 / D ' 1 , 6 мм, h' 0 , 074 м м . Отно­ 1 1 шение диаметра к гл убине п р и этом !"-- .о неско л ько умен ьшаетс я , т. е. края 10.3 вмятин ста н овятс я кр уче. 2 J ч. 5 6 7 8 9 tl, нм За в ис имости вел ич и н D ' и h' от Рис . V . 2 7 . Влияние хар актер­ х а р а ктер ного размера удовлетвор и­ ного р азмера сопла н а глубину h ' тел ьно аппроксимир уются степен­ и диаметр D ' кавитационных ными функциями ( р ис . V. 27) : вмятин на свинце D' = Aldi , 2s; ( V. 7) h' = A2di , 46, (V.8) =

=

=

=

�

h'-:f

=

=

,

=

=

,;Z

=

=

1

А А

1 и 2 - постоя н ные р азмерн ые к оэффицие н ты . Считая вмят и н у осес имметр ичной , можно представ ить ее объем в виде

где

(V. 9) Подстав л я я в формулу (V. 9) зн ачен ия D ' и h' (V . 7, V . 8) , получим (V. 1 0) Таким образом, объем един ичной вмятины и , соответствен но, энергия кав итационного имп ульса увел ичиваются с р остом ли­ нейного р азмера по степенной фун кции с показателем 4 .

206

С е к у н д н ое кол ичество к � в и т а ц ио н н ы х в м я т и н н е в о з м о ж н о было подсч итать с достаточнои точ нос ть ю дл я в с ех с о п е л , т а к к а к н а образцах в м алых соплах вм ят ин ы рас п о л а га л ис ь в пл отн у ю . . одна к др у гои и Иl\tел и очен ь малыи объем . Одна к о п о плотн о с т и р асположе н ия ВI\tятин можно было заключ ить, что кол ичест во ка в и ­ т а цион ных и ы п ул ьсов уменьшается с ростом л и н еii ного р аз м ер а . Зависи!\lость кол ичества И!\lп ул ьсов о т размер а сопла можно определ ить теоретическ и , исходя из следующих п р едположен и й : 1 ) ч исло Стр ухаля п р и услови и геометр ического, кинематиче­ с кого и кавитацион ного подобия остается постоя н ным дл я всех с о п ел ·

Sh

=

_]!!_

=

z

af .

Vo

(V . l l )

cons t ,

где f - частота отрыва каверн ; v 0 - скорость потока ; 2) ч исло кавитацион ных имп ул ьсов в един ицу времен и про­ порцианальна ч астоте отрыва каверн =

(V . l 2)

Тогда , подставля я з начен ие f из формулы (V . l l ) в формулу (V. l 2) , получим Z -

а

Sh Vo d

-

-

А 4 d-1

•

(V . l З)

Таким образом, п р и указанных п р едположе н и я х секундное ч исло импульсов обр атно п р опорционально л инейному р азмер у , что качественно соответствует экспер иментал ьным набл юдениям . Пр и услов ии подобия спектров кав итацион ных уда ров дл я всего геометр ического ряда сопел интегральную интенс ивность эроз и и можно п р едстав ить в в иде произведен и я энер г и и осред­ ненного един ичного имп ул ьса Е 1 на секундное ч исло имп ульсов z (V . l 4) Z � E 1z. Уч итывая , что вел ич и н а Е 1 п ропорциональна объему един ичной вмятины V, подставим з начен ия V и z из формул (V . 9) и (V . I З) в выр ажен ие (V . l 4) (V. l 5) Пол учен ная завис имость показывает, что интегральная интен­ сивность эроз и и , характер из уемая объемом унесен ного матер иал а , п р опор ционал ь н а кубу л и нейного размер а . И з подобия кавитационной зоны следует, что (V. l 6) тогда средн я я г.11 уб и н а р аз р ушен ий ному р азмер у . 1 lc p = Fэ

� d•

п р опор циональна

л и ней­ (V. l 7) 207

П сJл у ч с ш i ы е з а в ис и м ости был и ств е н н о г о з а мера весовых потер ь (с

проверены п утем непосред­ последующим пересчетом на о бъемные потери) обр азцов, изготовленных из графито-с в и н цовой пл астмассы НАМИ-ГС-ТА Ф . Во время испыта н и й замерял ись потер я веса образцов , пло­ щадь зон эроз и и , а также максимальная и средн я я глубина по­ врежден и й матер иала (табл . V . l 6) . Дл я обр азцов из матер иала НАМИ- ГС- Т АФ характер но отсут­ ствие и н к убационного периода . Скорость разр ушен и я образ цов во времен и остается практически постоянной ( р и с . V . 28 , а) . Х а рактер истики кавитационной эроз и и (д V/ д t; F9; д h maxl д t) в зависИ!\юсти от л и н ейного размер а , построенные в логар ифмиче­ с к и х коорди ната х , п р иведены н а р ис . V . 28 , б. Н ужно отметить н екоторый р азброс точек вокр уг осредняющих п р я м ы х , который объясняетс я резкой зависимостью эроз и и от точности из готовлен ия сопел . Пол ученные п р и испыта н и я х с пластмассовыми обр азцами зависимости можно представ ить следующими уравнен и я м и :

- А dз. Fэ = A,d 2 ;

---м лv -

Мер

м- =

(V. l 8)

'

(V . 1 9)

Авd; = А dl, 5

ЛG

=

р fэ М

Л hmax м

6

9

(V . 2 0) (V . 2 1 )

•

Сопоста вл я я уравнен и я (V . l 5) и (V . l 8) , можно отметить совпа­ ден и е зависимостей и нтегральной и нтенс ивности эроз и и от линей­ ного размера , полученных двумя различными методам и . В обои х случа я х вел и ч и н а 1 д V/ д t п ропор циональна кубу размер а . Следует отметить разницу в зав ис имостя х средней и макс и ­ мальной гл убины повреждений матер иал а . Максимальная глу ­ б и н а возр астает с увел ичен УJ:ем размера более резко, ч е м средня я . Это объясн я ется увел ичением энер г и и един ичных имп ульсов , которое сопровождается ростом объема отдельных выкрашива­ ющихся частиц материал а . В рез у л ьтате высота неровностей в зоне поврежден и я матер иала становится больше, чем и опреде­ ляется более быстрый рост максимальной глуб и н ы . Отмеченное обстоятельство необходимо уч итывать п р и сопоставлен и и турбин по максимальной гл убине кавитационных поврежден и й . Кроме геометр ичес к и подобных сопел , н а эро1ию исследова­ лист. сопла с разл ичной ш и р иной канала (3 1 : 83 ) . Профил ь кана.1а вдол ь потока оставался неи1мен ным. Ш и р и н а канала была выбр а н а : Ь 1 20 мм; Ь2 40 мм и Ь 3 60 мм. Исс ледов с:. ­ н и я проводил ись как н а с в и н цовых, так и н а пластмассовых обр азца х .

=

=

20R

=

=

82;

а)

�

165

1 1

i

150

� :t

�1

Е:: � "'1

1J.5

� 105 ."·

:0:

"'

� :::,

� 1::

."

t:::

90 75 бО

ti5 JO

.

<о

� �

f

lf; 1

\:

.... "'1

� ::.. �;.:,

� ..:::

1/

10"* 10 " 10-J

fZO ..,

5)

�

�'-----t--- 5

&

t·J �7 1 11 7!

il V

LiТ

ю·о 10$ f-ш-•

if

1---- J

1

1(/

10 2 ю·

v /

V7 1/ 1

7 1

i

i

,/

7

7

1'

1

2

il h max J 1

il t )

1/

r---- Fэ

J 't 5 б 789

d, м м

гр

о

10

20

Время

30

40

ucnыmaнu ii , ч

50

бО

Рис. V.28. Характер истики кавитацио н ной эрозии н а г рафито ­ свинцовых обр азцах в зависимости : а - от време н и испыта­ н и й ; б- от характер ного р азмера сопл а . 1,

)4

Н - И П ы л ае �

2, 3 , 4,

5

- номера соnел (табл . V . l б)

f<) 9

Ре з ул ьт а т ы испытан ий этой сер и и сопел п р иведсны в табл .

V . l б . К а к с л едует и з табл ицы, весовые поте р и и макс и мал ь н а я

гл уб и н а раз р у шений резко воз р астают с о п л а . Рас т ут также диам етр и глуби на щадь эроз и и несколько умен ьшается . Представл я я характер истики эроз и и ций от ш и р ины сопла и л и от размаха пол у ч и м следующие выр ажен ия : ·

�v

1 4 ---ы = А 10 Ь • ;

Fэ

=

А нь-о . зs ;

с увел ичен и·_ м шир и н ь1 отдел ьных вмятин . П .'! о ­

в в иде степенных фун к . кав итационной кавер н ы ,

(V . 22) (V. 2 3) (V. 2 4) (V. 25)

D' = A 12 ьo. sg ; h' = А 13 Ь О , б5 . Если п р едположить , что секундное КОJ1 ичество кавита ционных ударов дл я всех сопел постоя н н о и спектры ударов остаются подобным и , то интенс ивность кав итационного воздействи я , опре­ деленн а я по п а р а метр ам един ичных вмятин (V . 24 ; V . 25) ,

(V . 2 6) Пол учен ная завис имость и нтенсивности эроз и и по еди ничным вмяти нам н е совпадает с зависимостью � Vl � t, пол ученной не · посредственным определен ием потерь веса . Это объяс н я ется изме­ нен ием кол ичества импульсов с изменен ием ш и р и н ы сопл а . В да н н ом опыте фиксация эроз и и п роизводчлась н а боковой стенке, т. е. на поверхности , огр а н и ч ивающей кавер н у по разма х у . Однако и н а профильной стенке наблюдается качествен но такой же характер изменения эроз и и с изменен ием ш и р и н ы сопл а . Исследова н ие В{' И Я Н И Я с корости потока н а кав итацион н ую эрозию п р оизводилось с использован ием результатов замеров еди н ичных вмят и н , а также п утем замера объемных разр ушен ий пластмассовых образцов . Интенс ивность эроз и и , выражен н а я через еди ничные вмятин ы [формула (V . l 4) ] , определ я ется произведением объема един ичн ых вмятин н а и х кол ичество в еди н ицу времен и . Пр и одина ковых р азмерах кавер ны площадка нагр ужен ия кавитацион ным импульсом существен н о н е мен яется и ди аметр вмятин с р остом скорости увел ичивается незнач ительно. Прене­ брегая увеличен ием диаметр а вмятин и представл я я z и h' в в иде степенных функций z = А н v� и h' = А 1 5 vfJ1 , получим следую щее выр ажен ие для интенс ивности� кавитационной эроз и и

(V .27) ВеJ1 ич и н ы показателей n и т дл я различных матер иалов, определенные согласно исследован и я м , изложенным в п. 2 4 , п р и ведсны в табл . V . l 7 . 210

Как следует из табл . V. l 7, показатель степен и n н е зависит испоJJ ьзуемого материала и составляет в среднем 4 , 6 . Пока­ з а тел ь т существенно возрастает с увеличением твердости мате­ р иал а , вследств ие этого и показател ь а дл я металлов с более высо­ кими п рочностными свойствами Т а б л и ц а V. 1 7 ь ыше. П оказатели n, т и а в зави симост и Определен и е интенс ивности от материала образцов э р оз и и в зависимости от скоро­ сти потока по объемным поте­ Мате ри а л n т а р ям было выполнено для н а и­ б ольшего сопла 5 с использова­ н ием дл я образцов матер иала Свин ец 0,9 5,6 4,7 НАМИ- ГС-ТАФ . Режимы испы­ 5,5 4 , 5 1 ,0 Алюы и н и й тан и й и пол учен ные резуль­ М 4 , 5 5,8 1 , 3 едь таты п р едставлены в табл . V . l 8 . Зависимость объемных по­ 1 ,9 6,6 4,7 Латунь тер ь обр азца от скорости по­ ток а , построенн а я в логар ифми­ ческих координ атах (рис. V . 29) , позволяет определ ить пока­ затель степени а 6 в формуле и нтенсивности от

1 1 1

=

L\V

1 = ---ы-

= A t7Vo. 6

(V. 28)

Из сопоставления уравнений (V . 27) и (V. 28) в идно, что методы оцен к и и нтенс ивности по еди н ичным вмятинам и по объемным потер я м дают близкие резул ьтаты . Т а

б

л и ц а V. 18

Результа ты и спы тани й образцов при и зменени и скорости

Н оме р о пыта

1 2 3

Д а влен ие н а входе в сопло P t в к гсjсм 2

Д а влен и е н а выходе из сопл а р 2 в к гсjсм 2

2 , 70 4,60 6,40

0,50 1 ,28 2 ,00

Ско рость в щели v0 в мjс

25,8 3 1 ,8 36,5

Ч I' СЛО

к а витаци и k

0,44 0,44 0 ,44

Об ъемн ы е поте р и

� 10-4 tJ.t

в м м ' jc

6,53 22,4 5 1 ,6

С увел ичен ием скорости потока и нтегральная и нтенсивность к авитационного воздействия резко возрастает. Это связано с бы­ стрым ростом ч исла кавитационных импу льсов , а также с увел и­ ч е н ием их энер г и и . Площадь зоны эроз и и остается постоя н н о й . Объединяя экспер иментал ьные матер иалы по вл и я н ию скорости и линейного р азм ера н а интегральн ую и нтенсивность эроз и и , по л учим уравнение (V.29) 5 -:- 7 в зависимости от матер иала и услови й кавитации; где а � = 3. 21 1 1 4* =

i: с л и р ассматр ивать 1 как мощность импул ьсов (вплот ь

самых

до

сл абых) , разр ушающих св инец, то следует п р и н ять н а и. мен ьшее з н ачение а 5 . Для матер иалов повышенной п рочности п оказатель а н ужно увел ич ить (для лату н и а 6 , 6 ; для нерж аве ­ ющей стал и 7) . Пол ученные закономер ности р аз в ития кавитационной эроз и и в зависимости от скорости потока и л инейных размеров обтек а емаго тела спр аведл ивы для кавитации в фop.<1 v - • fO , мм � ,с ме п ульсир ующей кавер н ы , связанной с те. .dt 10 2 лом . Для др у г и х фор м кавитаци и , в част но сти для п узыр ьковой , резул ьтаты , возможно. б удут несколько отл ичаться . Эти воп р осы !. требуют дал ьнейшего из учен и я и экспер и­ ментального исследования . Одн ако кавита­ 1 ция в в иде п ульсир ующей кавер н ы час то 1 встречается в г идротурбинах , и поэтому по­ л учен ные зависимости в качестве пер вого п р ибл ижен и я уже могут быть испол ьзованы при п р огноз ирован и и эроз и и н а вновь п роек­ тир уемых ту рбинах . , 1 fO Пересчет р азл ичных характер истик эро ­ з и и с модел и , имеющей диаметр рабочего ко­ � леса D 1 м и н а пор Ям , н а нату р у (D 1н 11 Ян) 1 может быть выполнен т�лько п р и услов ии 1 кинематического подоби я , т . е . при сохра­ нен и и постоянства п р иведеиных расхода и 1 оборотов, а также п р и р авенстве кав ита цион ­ ных коэффициентов установки : =

=

,_,

J

10

l/

zo

so 40 50 и. м;с

Рис. V . 29 . Влияние скорости потока н а интенсивность кави­ тационной эрози и

О' уст .

м

=

О'уст -

н•

Доп устим, что ДJI Я модельной турбины известно : (Ll V/ Ll t) м - объемные потер и матер иала в един ицу времен и ; Fэм - площадь зоны эроз и и ; (Ll hcpl Ll t) м = (Ll V/ Ll tFэ)м - п р и р ащен ие средней по пло­ щади гл убины эроз и и в еди­ н и ц у времен и ; (Ll h max l Ll t)м - п р и р ащени е максимальной гл у­ б и н ы повреждений в еди н и ц у времен и ; h� - и нтенсивность един ичного уда­ р а , х а рактер изуемая глубин ой вмятин ы . Использ у я выражен ия (V . 8) , (V. l 8)-(V . 2 1 ) , (V . 28) , (V. 29 ) и уч итывая связь скорости потока с н апором v <р lf2gЯ, а также полага я , что подверженные эроз и и детал и модел ьной и =

212

н атурной турбин изготовлены из одного матер иала , н а п р и мер и з нержавеющей стал н (а 7) , получим дл я вновь п р оектир уемой турб и н ы : =

-- Fэм ( DDlм1н )2 •' (!!J!_)3, 5 ( � ); D lм (�) = ( � l!J. ) м Нм ,5 ( � ) 1,5; Нм D 1м ( l!J. h max ) ( l!J.hmax ) м (!!J!_)3 F�

t!J.t

М

н

н

=

_

(V . З О ) (V . 3 1 )

t

( V . 32)

М·

(V .ЗЗ) (V. 34 )

Пол ученные закономер н ости справедл ивы п р и услов и и ис­ пользования для изготовлен и я деталей проточной части модельной и н атур ной тур б и н один аковой н ержавеющей стал и . Для мате­ р иалов, подвержен ных кор роз и и , а также для разнородных мате­ р иалов модел и и натуры необходимо допол н ительно вводить коэф­ фициент кавитационной стойкости матер иала е ( п . 24) . Рассмотренные в настоящем параграфе закономер ност и , сви­ детел ьствующие о резком росте кавита ционной эроз и и с увел иче­ н ием диаметра и напора установ к и , требуют определенных усло­ вий п р и модел ирова н и и . Н еобходимо, по возможности , исполь­ зовать модел и большого диаметра и испытывать их п р и напорах, близких к н атур ным. Только в этом случае можно получить эро­ зию, достаточную для кол ичественной оцен к и , и с м и н имальными погрешностя м и п ересчитать ее на н атур у . Пр именение для испы­ та н и й на эроз и ю модельных тур бин с D ] 250 мм и с н изкими напорами (Н = 1 0- 1 2 м) л ибо вообще н е выявит эроз и и (даже п р и испол ьзован и и легкор азрушаемых покрытий) , л ибо и нтенсив­ ность эроз и и б удет настол ько мала , что достаточной точности п р и пересчете н а н атуру н е пол учить . П р и качественном сопоставле н и и разл ичных лопастных с истем следует учитывать также р азмах и л и ш и р и н у кав итационной ка­ верн ы . Увел ичен ие ш и р и н ы кавер ны при тех же скоростя х потока п р иводит к росту и нтенс ивности эроз и и .

=

ГЛ А8

А

\1 1

ЗА ЩИ ТА О Т К А ВИТА Ц И И

27. С О З Д А Н И Е А Н Т И К АВ И ТА Ц И О Н Н ЬIХ Л О ПАСТ Н Ы Х С ИСТЕМ

Основной задачей п р и созда н и и лопастной с истемы является обеспечен ие требуемой мощности. Н о п р и этом необходимо, во­ первых , чтобы энер гетические качества турбины был и достаточно высокими и, во-вторых, чтобы кав итационные характер истики был и удовлетвор ительными . Основным с р едством достижения указанных целей являются экспер иментальные исследова н и я , анализ и обобщен ие накоплен­ ного опыта . Существенную п омощь оказыв
214

3) п р и значен иях кав итацион ного коэффициента установк и , з аключенных в и нтервале О"ту р б ;::;: О"уст ;::;: О"турб , имеют место н а именее эроз ион ноопасные формы кавитации с более удовлетвор и­ тельной локализацией . Вел и ч и н а теоретического кавитацион ного коэффициента тур­ би н ы О"� ур б оп ределяется по формуле ( 1 1 . 1 4) при известной рас­ четной эпюре р аспределен и я давлен и я . Чем более выравнена эпюра н а стороне разрежен ия , тем меньше вел и ч и н а О"� у р б " В ел и ч и н а кавитационного коэффициента турбины О"тур б опре­ деляется экспер иментально п р и исnыта н и я х н а кав итацион н ом стенде . Чем более выровнен nоток з а рабочим колесом, сходящий с лопастей, тем меньше вел ич и н а О"тур б• тем она ближе к предельному з начен и ю 0" 1 , определяемому п о фор ­ мулам ( IV . 1 3) , ( 1V. 1 4} , (1V . 1 6) . Достиг­ н утый уровень в этом отношен и и отражен в н омен клатуре реактивных г идротурбин (п . 8) . Экспер имента"1ьные исследова н и я решеток профилей позволяют связать р асчетн ую эпюру распределения дав­ лен ия с формой возн икающей кави­ тац и и . П р и наличии пика разреже- Рис. VI . l . Схема поrр аничноrо н и я создается пленочная , связ а н н а я слоя н а в ходной кромке профил я с п рофилем кавитационн а я кавер н а . Х ара ктер кавер н ы , е е эрозионная опасность зависят о т пар аметров пика разрежен ия . Исходя из услови й форм ирован и я погр а н ичного слоя на входной кромке лопаст и , в р аботе [ 85 ] выведен следующий nараметр дл я характер истики воз н икающей кавита ц и и : •

Ф=

� р ( 1 -Pmin),

(VJ . 1 }

где Хкр расстояние передней кр итической точки А от � осика профиля М ( р ис . V I . 1 } , отнесенное к дли н е профиля ; P m1n ­ м и н имальный коэффициент давлен и я , характер изующий п и к раз­ р еже н и я . Считается , что п и к разрежен ия имеет место н а носике профиля , где теоретическая скорость обтека н и я максимал ь н а . Экспер иментальные исследова н и я nоказал и , что с увел ичен ием !Iар аметра Ф кав итация переходит от гладкой пленочной кавер ны формы 1 1 к более вихревым формам 111 и I V. Пр и испыта н и и решеток лопастных с истем высоконапор ных поворотнолопастных рабоч и х колес ПЛ642 и ПЛ646 оказалось, что срывная кавитация (форма / V) имеет место при значен и я х Ф > 500 · 1 0 - 4; пленочная с шероховатой поверхностью (форма ///) - п р и 300 · 1 0 - 4 > Ф > i:> 30 · 1 0 - 4; пленочная с гладкой кавер ной (форма 1 / ) - пр и Ф < 3 · 1 0 - 4 • В диапазоне 30 · 1 0 - 4 > Ф > 3 · 1 0 - 4 кавитация воз­ н ика�т в ф орме, переходной от 1 1 1 ко //. -

Традиционные методы профил иров а н и я лопастей исходят из того, что п р и одинаковой н а г р ужен ности л учшим в кавитацион н ом отношен и и являетс я тот п рофиль , у которого более выровнена расчетна я эпюра ]Jазрежен ия и соответственно больше м и н имальное давлен ие (меньше теоретический кавитационный коэффициент) . Между тем , как бьiJJ o показано выше (п . 3) , п р и выровненной эпюре создаетс я н а ибодее эроз ионноопасная п узыр ькова я фор ма кавита ц и и . Пр ичем , п узыр ьки генер и]J уются в средней части профиля или в зоне ближе к входной кромке и замыкаютс я , п ро­ изводя р а з р у шен и я , ближе к выходной кромке лопаст и . В этом отношен и и значительно более благоп р иятны эпюры расп ределен ия давлен и я , у которых макс и м у м разрежен ия смещен к выходной кромке лопаст и . Тогда замыкан и е кавитацион ных каверн б удет п роисходить в основном за пределами лопасти и эроз и я лопастей будет п р а ктически отсутствовать . Н а некоторых р адиально-осевых р абочих колесах такой эффект достигнут без ух удшен ия Их энергетических качеств . Но даже есл и эрозия не будет у стр анена полностью, зона ее сместится к выходной кромке, где знач ительно легче восстанавл ивать по­ врежденную поверхность п р и ремонте . Отсюда следуют п ути созда н и я антикавитацион ных лопастных с истем н а основе а н ал иза р асчетного обтекан и я . Пик разрежен ия н а входной к ромке должен быть таким, чтобы создавалась пленоч­ ная с гладкой повер хностью кавер н а или факельная кавитаци я . Мин имум давлен ия н а стороне р азрежения лопасти ДОJ1Жен быть как можно бл иже к выходной кромке. Пр и этом абсолютна я ве­ личина макс имального давлен и я должна быть по возможности больше. Следует стремиться к тому , чтобы поток н а выходе из рабочего колеса был по возможности равномер ным. Современ ные методы р асчета позволяют создать такие лопастные с истемы . Однако н адо иметь в в иду , что н а кавитационные качества ло­ пастной с истемы очен ь большое вл и я н и е оказывают техн ологи­ ческие отклонения п р и ее из готовлен и и . Из п р а ктики эксплуатации ГЭС известно, что номинально одинаковые J1опасти одного и того же рабочего колеса часто подвержены существенн о р азличным кави­ тационным разр ушен и я м . В осевых турбинах J.Jешающее вл и я н ие н а эрозионн у ю способ­ ность кавер н ы оказывают услов ия обтекания входной к р омки лопасти . Поэтому особое в н имание при изготовлен ии и реманта х лопастей следует обращать н а качество выполнения входн ой кромки . Н а л и ч ие на входной кромке вол н истости , местных утон е · н и й и прочих дефектов повер хности п р и водит к возн икновени ю местн ьuс очагов эроз и и . Экспер иментальные исследова н и я решеток профилей показа ли , что п утем с к р углен ия входной кромки , которое пр иводит к у мен ь­ шен ию вел ич ины и протяжен ности пика разрежен ия в ш и р ок о м диапазоне р ежимов работы, можно добиться затягивания во з ­ никновен ия кавитации и фор мирова н и я менее эрозионноопаснь�х :?lf:)

форм

кавита ци и . Есл и турбина работает в узком диапазоне ре­ жимов , можно соответств у ющим профил ирован ием входной кромки уменьшить угол атак и и обеспеч ить знач ител ьное умен ьшен ие и нтенсивности эроз и и . Подобная модификация входной кромки осуществлена на ло­ п астя х р абочи х колес Верхне-Туломекой ГЭС и дала с уществен­ ный эффект. Волн истость, шероховатость поверхности могут сыграть вред­ ную в кавитацион ном отношен и и роль не только в зоне входной кром к и , но и в др угих частя х лопаст и . За местными неровностя м и происходит отрыв погра н ичного слоя . Н а ося х в и х р ей образуются кавитацион ные кавер н ы , которые, замыкаясь, п роизводят кави­ тационн ые разр у шен и я . И з опыта экспл у атации известны эроз ионные факелы з а плохо задел а н ными монтажными отверстиями, з а выступ ающим и го­ ловками болтов , креп ящих лопасть . Для уменьшен ия вредного вл и я н и я щелевой кавитации не­ обходимо делать по возможности малые и равномер ные зазоры лопасть-камер а и лопасть-втулк а . Н а турбинах ГЭС Джердап­ Железные Ворота зазор лопасть-камер а удалось с н и з ить до 56 мм, т. е . до 0 , 0005D 1 вместо 0 , 00 1 D 1 по существующим нормативам. Мер идианное сече н ие п р оточной части в зоне р абочего колеса должно иметь удобообтекаемую форму с плавно искр ивленными обр азующими . С цел ью увел ичен ия быстроходности р абоч ие кt леса турбин Красноярекой ГЭС были сделаны с резко расши­ ряющейс я выходной частью. Угол кан уснасти а образующей нар ужного обода р абочего колеса был п р и н я т равным 20° вместо обычно п р именяющихся 1 2- 1 3° . В результате сразу за н ижним кольцом напр авл я ющего аппарата поток отрываетс я , образуются между лопастям и в и х р евые жгуты , п р иводящие к срывной кави­ тации и воз н икновен ию кавитационной эроз и и . Х а р а ктер распределен и я давле н и я по лопасти зависит от режима работы турб и н ы . Жел ательно, чтобы на профиля х всех решеток, составляющих лоп астн ую с истему в зоне эксплуатацион­ ных режимов, был и а н алогич ные эпюры распределен и я давлен и я , т. е. чтобы лопасть была ка1< бы «равнопрочной» в кав итационном отношен и и . ИссJiедование некоторых из использ уемы х в п р а ктике лопаст­ ных с истем показывает, что о н и не удовлетворяют этом у услов ию. Поэтому не удается н а йти такой режим р аботы , при котором эро­ з и я отсутствовала бы и л и хотя бы существен но с н ижаJJ ась н а всей лопасти в цеJtом . 28. В Ы Б ОР Р Е Ж И М О В Р А Б О Т Ы ТУР Б И Н

С П О Н И Ж Е Н Н О Й К АВИТАЦИ Е Й

Н а эксплу атацион ной х а р а ктер истике турбины н анесены л и н и и nосто я н ных з н ачен ий преде.rr ь ной величины высоты отсасыва­ ния Н5 доп = const в зависим о сти от мощности и н а п о р а . Л и н и и 217

оз н а ч ают, что на дан н ом режиме, характер из уемом мощностью и. напор ом , чтобы избежать падения к . п . д. из-за кавитации, высот а отсасыв ания должна быть не бол ьше, чем соответствующая доп у ­ с тимая вел ичина Hs .;;;; Hs доп · Величина Hs дon определя ется по фор муле ( 1 1 . 22) , к у да в ходят пол учен ная п р и экспер именте на модел и вел ичина кавитационного коэффициента ту рбины О'турб и коэффициент запаса ka. Таким обр азом, эксплуатационная характер истика гарантир ует п р и оговоренных выше доп ущениях отсутствие с н ижен ия энергети­ ческих качеств турбин ы т а б л и ц а у1• 1 из-за кавитации . Коэффи циент ы запаса ka Коэффициент запаса ka дл я неко торых ГЭС п о с уществу является от­ 0 "' ношением фактически пр и ­ х са = � � н и маемого для н ату р ных = =Н а и менование ГЭС �;u <З е- "' услови й кавитационного � "' "'

Выгостровская Днепродзержинекая Кременчугская Верхне-Туломекая (рабочее колесо ПЛ646)

1 ,085 1 ,200

1 ,7 8,5

1 , 1 67 1 ,240

4,2 14,5

б а

е

kа

_ -

а уст .к сrтурб. м

_

ат урб м . + l!!. a сr ту б. м р

(VI .2)

-

В зависимости от типа р абочего колеса и даже от зоны р аботы по ун ивер­ сальной характер истике одного и того же р абочего ka соответствуют существенно

колеса одинаковым значен иям разл ичные запасы по мощности . Рассмотр и м условия работы нескол ьких турбин с р абочим колесом ПЛ66 1 . Н а р ис . 1 1 . 3 п р едставлена ун иверсальная харак­ тер истика этого колеса, н а которую нанесены л и н и и режимов ра­ боты при р асчетном напоре турбин шести г идростанци й . Сп рава Jiи н и и огран ичены кав итацион ными условиями каждой конкрет­ ной ГЭС, т. е. тем, какую высоту отсасывания можно было п р и­ н ять и какую максимал ьн у ю мощность должн а была р азвивать турбина с учетом кавитационного коэффициента запаса ka. В табл . V I . l указаны п р инятые п р и номинал ьной мощности зна­ чен ия ka дл я каждой из рассматр иваемых г идростанций . Пр и эксплуатации турбин высота отсасыва н и я неп рерывн о меняется в тех ип и иньtх п р еделах в зав исимости от г идрометеоро­ логических успов и й , измен я ющихся по времен и в каждом сезоне и в течен ие с у ток, от ч исла р аботающих агрегатов и их нагрузки. Доп устим, однако, для п р остоты , что высота отсасыва н и я остается неизменной п р и изменен и и мощности и равной своему предельному 218

з начен ию п р и максимальной мощности . Тогда , так как в соответ­ ств и и с ун иверсальной характер истикой (р ис . 1 1 . 3) кавитационный коэффициент монотонно воз р астает с р остом п р иведеи ного р ас­ х ода п р и всех шести р ассматр иваемых случая х , кавитационный коэффициент запаса k a будет умен ьшаться с ростом мощности. Действительно, есл и высота отсасывания Н5 постоя н н а , то в соот вететви н с фор мулой ( 1 1 . 5) п р и п остоянных напоре Н и давлен и и па раобразован и я кавитацион ный коэффициент установки иуст тоже не мен яется . А так как кавитационный коэффициент турko ?. Z 1, 8 f, Ч 1, 0 ?О

50

цо

во

100

N, %

Рис. V l . 2 . Зависимость вел ичины ka от мощности для турбин некоторых ГЭС п р и номинальном н апоре и фиксированных значениях Hs (см . табл . Vl . l )

бины атурб возр астает с ростом р асхода (мощности) , то п о фор ­ муле (V I . 2) коэффициент запаса ka уменьшаетс я . Н а р ис . V l . 2 п р едставлены кривые изменен ия ka в зависимости от мощности п р и оговоренных здесь доп ущен и я х для турбин р ассматр иваемы-Х ГЭС, а также для турбины Верхне-Т у ломекой ГЭС с р абоч им ко­ лесом ПЛ646. По оси абсцисс отложена мощность в п роцентах, п р ичем 1 00 % соответствует макс имальная мощность п о эксплуа­ тационной характер истик�. Пр и ka 1 , О запас п о кавитации отсутствует. Из графика н а р ис . V I . 2 в идно, что р азные кр ивые пересекают гор изонтальную п р ямую ka = 1 п р и разных з начен иях относител ьной мощности . Есл и , напр имер , для Кременчугской ГЭС точка пересечен ия х а р а ктер изуется относ ительной мощноN стью 1 00 % 1 04 , 2 % , т. � . запас п о мощности составляет N max 4 , 2 % , то для Бор исаглебекой ГЭС точка п ересечен ия соответствует N -N - 1 00 % = 1 1 0 % , т. е . запас 1 0 % . При этом в сл учае Кременшах ч угской ГЭС кавитационный коэффициент запаса п р и максималь­ ной мощности ka н ом � 1 , 1 67 ( табл . V I . 1 ) больше, чем в случае Бор исаглебекой ГЭС, где kа но м � 1 , 1 1 4 . В табл . V I . 1 даны полу­ чен н ые та ким образом величинь1 з апаса n o мощности, соответству=

=

-

219

ющие

п р и н ятым кавита ционным коэффициентам. Особенно боль­ шой запас И!\l еет м есто н а Верхне-Туломекой ГЭС 1 00 % = 1 4 , 5 % ( р абочее колесо ПЛ646) . Есл и учесть возможные погрешности экспер имента и ошибки пересчета с модел и на н атур у , то фактический запас п о мощности может оказаться еще бол ьше. На н екоторых гидростанци я х были п роведены н атурные испы­ тан и я гидроагрегатов , в результате которых были определен ы , в ч астн ости , фактические зап асы мощности п о кавитационным услов и ям . Н а Верхне-Ту л омекой ГЭС испыта н и я п р ов одились

11:

k(j 2. 5 2.'1 2,2 2,0

1,8 {, 6 f,'l

f, 2 1, 0

�-�=-f2, Jм k . . �

Hs = - 'I, O м

0-

=

k() = 2, 0

�

Х..... '"""

k() ={,26

11 -

0.8 0• 6 L------:+'"::-o---...,5!::o---'�,.---� 60

70

80

90

Рис. VI . 3 . Зависимость коэффициента запаса k0 от мощности п р и различных его номинальных значе­ н и я х k0но м для турбины Верх не -Туломской ГЭС

п р и напоре Н = 62 м . Номи н альна я мощность гидроагрегата N 58, 4 МВт. На р и с . VI . З п р едставлена кривая k0 в функци и от мощн ости п р и напоре Н = 6 2 м . Из г р афика н а р и с . VI . З в идно , что п р и фикси рованной в ысоте отсасыва н и я Н5 -4 , 0 м (k0 ном = 1 , 26) мощность турбин ы может быть доведена До N 68 МВт без снижен и я энергетических качеств турбины из-з а кавитаци и . П р и натурных испыта н и я х достигнута мощность N = 69 МВт. А налогичн а я кривая для турбин Ци млянской ГЭС при напоре Н = 22 , 1 5 м и высоте отсасыв а н и я Н5 = 2 , 1 5 м п р и в едена н а р и с . V I . 4 (k0 ном 1 , 1 1 ) . Как в идно из графи ка, мощность тур­ б и н ы Цимля нской ГЭС может быть увеличена в соответстви и с ха­ р а ктеристикой до N 46,5 МВт. Н атурные испыта н и я п оказали , что мощность турбин Цимл янской ГЭС можно довести до N = 22, 1 5 м без заметного снижени я энер­ = 4 6 , 5 МВт п ри н апоре Н гетических качеств . Запасы п о кавитаци и п озволили п р а ктически и сключ ить кави ­ тационные срывы мощности турбин в натурных услов и я х , одна ко о двух таких с.тrучая х уже упоми н а.тrось в п. 16 ( Б ухта р м инска я ГЭС, И ркутская ГЭС) . Снижени е к . п . д. из-за кавитаци и в экс=

=

=

=

=

=

=

220

nлуатационных услов и я х трудно обнаружить без специальных н атурных и сследовани й . Поэтому нельзя утверждать, что оно н игде н е и меет места . Опыт эксплуатации некоторых круп ных гидростанци й показы­ в ает, что и ногда быв ает целесообразно и меть в озможность уве­ л ичить мощность ГЭС сверх п р оектной номи нальной для покры­ ти я п и ков нагрузки и с работки п ав одковых расходов . Кроме того, и ногда фактический уровень н ижнего бьефа оказывается п о р яду n р и ч и н н и же п р оектного . В таких случаях переопал ГЭС, ориен­ ти р уясь на заводскую эксплуатационную х а р а ктери сти ку , огра­ ничивает мощность, не доводя ее даже до н оми нальной . Вскрытие ka

J, O 2. 8 2. 6 2.4 2, 2 2, 0 f, B f, 6 fll -

(:2

t, o 0, 8

г-----===--F�::t:::

� б �оп-----�----�����-�

70

Рис. Vl .4. Зависимость коэффициента запаса ka от мощности п р и р азличных его номинальных значе­ н и я х kано м для турбины Цимлянской ГЭС

фактических запасов п утем специальных н атур н ых и спытани й в п одобных ситуаци я х может сыграть существенную положитель­ ную роль, позволит расш и р ить зону допустимых режи мов р аботы турбин ы по услов и я м кавитаци и в сторону увеличени я мощ­ н ости . П р ов едени ю н атурных испыта н и й должен п р едшествовать ана­ л и з х а р а ктер и стик турбины п о п р едложенной выше методике с целью оцен ки возможного фактического запаса . }$:онеч но , п режде чем разрешать р аботу гидроагрегата с мощностью, п ре­ вышающей номи нальную, необходимо установить доп устимость этаго по услов и я м р аботы генерато р а , по гаранти я м регул и р ования , п о п рочности . Сказ а н ное выше можно резюми р овать следующи м образом. 1 . Л и н и и Нs доп = coпst на эксплуатационной х а р а ктеристи ке означают , что завод-поставщи к гаранти рует р аботу турби н ы без срыв а мощности и даже без снижен и я к . п. д. из-за кавитаци и п р и любых Hs <: Нs доп н а соответствующих режимах р аботы . Га р а нтии даны с запасом , с учетом коэффи циента н ез н ан и я , т . е . действ ительное з н ачение Нs до п• п р и котором н ачнется снижение 221

энергетических качеств турбины, может п р и н и мать л юбые зна . чен и я в и нтерв але (VI . З ) где Нs м - высота отсасывани я , определенная п о модельным исп ы. та н и я м без запаса ( ka = 1 , 0) ; !). Н s з а п = (ka - 1 ) атур б Н - абсолютная величина запаса п о в ысоте отсасывани я . Очевидно, что вероятность того, что Hs

п р ед =

Hs дот

(VI .4)

мала и н а всех н атурных турбинах фактически и меется тот и л и и н о й запас. В еличину этого фактического запаса можно опреде ­ л ить только специальными испытаниями в п роцессе эксплуатации . Испытан и я п окажут, какая степень перегрузки п о мощности и какое снижение уров н я н и жнего бьефа доп устимы без п адени я к . п . д. а грегата из-за кавитаци и . 2 . Однако условие (V 1 . 4) х отя и маловероятно , н о в озможно . Н оминальная мощность и степень загл ублени я турби н ы в ыби ­ раются п р оекти ровщи ками п о характеристике в одотока и п отреб­ н остей энергосистемы, исходя из услов и я (VI . 4) . На эту н оми­ нальную мощность р ассчитываются гарантии регули р ов а ни я , ге­ нератор и все другие элементы агрегата . Прин ятое заглубление турбины учитывает все в озможные колебани я н и жнего бьефа . Поэтому п р и нормальных услов и я х , п р и достаточн о обоснов а нном в ыборе п а раметров необходимость в реализаци и фактического запаса п р а ктически не должна в озни кнуть . В действительности , как показывает опыт, некоторые станции с одной стороны заи нте­ ресованы в форси р овании мощности агрегата , в ч а стности , для п окрытия п и ков нагрузки , и с другой стороны и меют для этого в оз можности п о в одотоку. Эксплуатационная х а рактеристика с л и н и ями Нs доп = const гарант и рует отсутстви е в л и я н и я кавитации н а энергетические качества турбины, н <;> отнюдь не гаранти р ует, как и ногда утверж ­ дается в техн ической литературе, отсутстви я кавитации и , сл е­ дов ательно, кавитационной эрозии . Рассмот р и м обычную срыв н ую кривую, которая п ол уч ается п р и кавитационных испыта н и я х энергетическим методом (ри с . 1 1 1 . 5) . Кроме кривой 1J = f ( ау с т ) , н а р и с . 1 1 1 . 5 дан ы две (1 и 2) качественные кривые и нтенсивности кавитационной эрози и 1 в зависимости от кавитационного коэффи циента установки ау ст · Реальность таки х к р и в ы х п одтверждена н атурными и сследов а н и я ми [53 ] . В и нтервале от а нач до а�у рб кавитационная эроз и я относительно невел и к а . П р и аус т < а�у р б и нтенсивность кав и ­ тационной эрозии начинает быстро расти . Иногда этот рост п ро ис­ х одит монотонн о, с уменьшением ау ст • но чаще обна р ужив аетс я 222

1\tаксимум и нtенсивносtи кавитационной эрози и п р и некотороМ значен и и >
=

223

n р и менен и и различных п р офилей л оп астей , но не об объеме эрози и , который можно ожидать в н атурных услов и я х . П р и скорост я х течен и я меньше 25-30 м/с п р и любой и нтенсивности кавитаци и нержавеющая стал ь не разрушается бесконечно долго. В то же в ремя л аковое покрытие разрушается п олностью за 5 мин п р и ско­ р ости п отока v � 1 5 м/с . При скорости v � 30 м/с разрушение лака п роизойдет п рактически мгновен н о . 4 . В ид кривой 1 = f (
�

:t

..

� �

:::.·.

�-

о

о

2

..,·

0, 8 20,0 2�0 �-+------��-���

о

40

50

60 N, М8 т

Рис. VI .5. Зависимость и нтенсивности кавитацион ной эрози и лопастей турбины Верхне- Туломской ГЭС от мощности п р и р азных способах ее оцен к и : 1

-

по объему потер я н н ого материала ; 2 - п о площади зо · н ы эроз и и ; 3 - по глуби не язв и н

н а п р имер , кривые оценки и нтенсивности кавитационной эрозии лопастей т урби н ы Верхне· Ту л омекой ГЭС методом скоростной эрози и (алюмин и евые п ластины) в з ав и си мости от мощности тремя р азличными способами : п о объему деформи рованного материала V (кривая 1) , п о площади , п одверженной эрозии , S (2) и п о глуби не язв и н h (3) . Х а рактер в сех трех кривых различен . . По кривой 1 максимум и нтенсивности эроз и и и меет место п ри N � 57....;-- 59 МВт, п о кривой 2 - п р и N = 58--т- 6 1 МВт, п о кри · вой 3 - п р и N = 48+50 МВт. Иногда в ысказывается п р едположение о целесообразност и уменьшени я коэффициента запаса k0 до 1 ,00- 1 , 02 с целью умен ь· шени я кавитационной эрозии . Действительно, в тех случаях , когда и нтенсивность эроз и и характери зуется кривой тип а 1 н а р ис . 1 1 1 . 5, п р и умен ьшени и k0 п осле
таким п утем нельзя . В ажно также учитывать , что в п р оцессе эксплуатаци и турби н а р аботает п р и различных р ежи мах . Пред­ положи м , н а п р и мер , что максимальная и нтенсив н ость э р озии имеет место п ри векоторой мощности турби н ы N 1 , 2 , п ри которой ka 1 ,2. Тогда , при мощн ости N > N 1 , 2 и нтенсивность эрозии будет мен ьше. Если при н оминальной мощности п р и нять k11 н о м = = 1 , 0 , то п р и н ормальном эксплуатационном уменьшен и и 1\ЮЩ­ ности мы попадаем к а к раз в зону максимал ьной и нтенсивности эроз и и . Это хорошо иллюстри р уется кривыми на р и с . V I . б, где дается з ависи мость k11 от мощности для услов и й турби ны Днеп ра· =

1, 0

10

50

N, М8 т

Рис . V 1 . 6 . Зависимости k a f ( N } и 1 f (N} для услов и й Днепродзержинской ГЭС : =

!;. N , 0 1

от 35 до 4 5 , 4 М Вт;

!;. N 1 , 2

=

от 4 1

до

4 5 , 4 М Вт;

6 N2 0 ,

=

0

дзержинской ГЭС. Средня я л и н и я соответствует существ ующему п оложен и ю на ГЭС (kа но м 1 , 2) , нижняя - п оложен ию, если бы 2 , 0 . Зоны k11 ном 1 , 0 , и вер х н я я - п оложени ю п р и ko н о м большой и нтенсивности эрозии соответств уют п р и н ятому на р и с . 1 1 1 . 5 (кривая 1) закон у зависимости 1 f ( сrус т ) . При kа пред = = 1 ,0 эта зона особенн о в ел и к а (от N 35 до N 45,4 МВт) , п р и k а п р ед 1 , 2 она мен ьше (от N 4 1 МВт до N = 45,4 МВт) и п р и k11 п р ед 2 , 0 эроз и я в ообще отсутствует . Конечно, н адо не забывать, что переход к k11 п р ед = 2 , 0 требует умен ьшени я в ысоты отсасыва н и я от Hs 1 , 0 до Hs -5 м и , следовательно, увел и ­ чен и я капитальных з атрат. Таким образом, стремление к существенному сокращен ию кавитаци онной эрозии п р и в одит к необходимости резкого увел и ­ чен и я коэффи циента запаса k11• Эффективным средством умен ьшен и я и нтенсивн ости кавита­ ционных р аз р ушен и й на л оп астя х р абочего колеса является экспл уатаци я турби н ы в зоне н а и менее эрозионно-опасных режи ­ мов . Положен и е этой зоны режимов в поле универсал ьной харак­ теристи ки для различных рабочи х колес будет, в идимо, нескол ько отличаться друг от друга . =

=

=

=

=

=

=

=

=

=

15

Н. И.

Пыл а е в

=

22 5

А н а л из услов и й обтекан и я лоп астей нескольких п оворотно­ лоп астн ых гидротурби н п оказыв ает, что в зоне в ысоки х п р иведеи ­ н ых оборотов н а лоп асти И l\lеются условия дл я существов а н и я п узырьковой кавитаци и , в зо н е опти l\lальных n i и п р и n i < n i о n т возни кают пленочные форl\l ы кавитаци и . Анализ эрозионной опасности различн ых режимов р аботы турбин Верхне-Ту ломекой ГЭС показыв ает, что эрозионная способность каверн ы существен н о умен ьшается , во-первых, п р и увеличении п; (умен ьшен и и Н) и , в о-вторы х , п р и умен ьшен и и Q i (N) . Перв ы й результат является следств ием возникновен и я н а лопасти менее эрозионно-опасных форм кавитации , а также - умен ьшен и я степени ее р азвити я ; второй результат - следств ием как умен ьшени я степен и р азвити я кавитаци и , так и у�ен ьшен и я скорости обтекан и я . В ч астности , п р и р аботе турбин Верхне-Т у л омекой ГЭС в зоне р асчетных н а ­ п оров и нтенсивн ость кавитационных разр ушен и й н а лопастях была бы существенно мен ьше, чем при эксплуатаци и в з оне макси­ мальны х н а п оров . Таким образом, можно сделать в ывод, что эксплуатаци я турбин п р и н есколько п овышенн ы х n i п риводит к уменьшени ю эрозионной опасности как вследстви е существова­ н и я н а лоп астя х менее эрозионн о-опасн ых форм кавитации , так и вследствие умен ьшени я степени ее р азвити я . Зона благоп ри ят­ ных в эрозионном отн ошен и и режи мов р аботы турби н ы на каждой кон кретной станции может быть н а йден а п утем специальных рас­ четов . Анализ услов и й обтека н и я лопастн ых систем р ади ально-осев ы х турбин п оказывает, что здесь зависимость авх и w 1 о т режима работы и меет тот же х а ракте р , что и в осев ых турби н а х . П р и этом в широком диапазоне режимов на лоп асти и меют место эп юр ы с п овышен ием разрежен и я к в ыходной кромке, дл я которых характерн о в озни кновение 1 -й формы кавитаци и . Пр ичем з а рожде­ ние кавитаци и должно п роисходить в выходной части лопасти и н аибольшие кавитационные разр ушен и я должн ы н аблюдаться в р а йоне в ыходной кромки , что и п одтверждается опытом эксплуа­ таци и . (Н аблюдаемые н а н екоторых ГЭС, н а п р и мер Б р атской и Пляви нской, разрушен и я лоп астей р абочи х колес в зоне вход­ н о й к ромки вызваны, в идимо, наличием п ика раз режени я н а входной кромке . ) 2 9 . В П У С К В О З Д У Х А К А К С Р Е ДСТВ О У М Е Н Ь Ш Е Н И Я

К А В И ТА ЦИ О Н Н О Й ЗР О З И И

Одни м из возможн ых способов с н и жени я и нтенсивности кав и ­ тационной эрозии является п одвод в оздуха в зону кав итаци и . Наличие свободн ого воздух а в очаге кавитаци и снижает в акуум внутри каверны и способств ует н асыщен ию жидкости в оздуш­ н ыми п узыр ьками . Х а р а ктери сти ки жидкости при этом мен я ютс я , о н а становится менее шютно й , резко повышается сжимаемость . Возни кающи й п ри сl\l ыка н и и кавитационной каве р н ы уда р стано226

вится менее жестким вследств и е снижен и я скорости смыкания и п овышенной п одатливости в одовоздушной смеси . Если рассмо­ треть конечн ую стадию кавитационного уда р а и учесть, что давле-

V�

ние в месте удара оп р едел яется как р = v , где v - ско­ р ость уда р а , р - плотность, х - сжи маемость жидкости , то становится очевидным, что входящая в каверну коническая струя жидкости (рис. V l . 7) , наполненная воздушными п узырьками , н е п роизведет такого разрушающего действи я , как струя сплошной жидкости (рис. 1 . 1 1 , 6) . Дл я п р оверки эффективности в п уска воздуха в зону кавитаци и н а ЛМЗ были п роведены испытания в гидроди намической трубе , где кавитаци я в озбуждалась н а диффузорнам участке соп л а . Услов и я испыта н и я б ы л и в ы­ браны следующими . Размеры су­ жен ного участка сопла 40 Х 6 мм, угол диффузора 1 2° . Давлени е н а в х оде в сопло 8 кгс/см2 , н а выходе 2 , 5 кгс/см2 • Скорость п отока в ще­ л и 36 м/с . Образцы для испытани й / уста н авл.ивались н а боков ых стен ­ ках диффузорнога участка сопла . Рис . V I . 7 . Кавитационный удар с большим содержанием Материал обр азцов - отожженный в жидкости свободного воздуха алюмин и й марки АД I М . Подвод в оздуха осуществлялся из атмосферы без п р и н удител ь ­ н ого н агнетан и я . Б ыло п редусмотрено два в а р ианта п одвода в озду х а : в узкое сечени е сопла (в жидкость перед кавитационной кавер н ой) и в диффузо р н ую ч асть (в кавер н у) . Расход в оздуха регули ровался с п омощью дроссельных шайб. Замер р асхода воздуха п роизводился специ альным р асходомером. Продолжи ­ тельность опыта 30 с . При этом в оздух, п одведен н ы й в сопло , вторично не мог п р о йти через него, т а к к а к в рем я обмена в оды в стенде 90 с. Кроме того, из верхних слоев бака п редусмотрен слив н асыщенной п узырьками в оды. Для оцен ки и нтенсивности эроз и и п одсчитывалось количество кавитацион н ых в мяти н н а образце в о всей зоне. Х отя эта харак­ тер и стика и нтенсивности является п рибл и женной, так как н е учтена глуби н а в мяти н , о н а дает возможность установить, п р и каки х количествах в оздуха эрози я сводится к минимуму . Режимы испытан и й и соответствующие и м характер и сти ки эроз и и приведен ы в табл . V l . 2 . С п одводом в оздуха и нтенсивность кавитационной эрозии резко п адает и п р и р асходе в оздуха � 200 см 3 ( 2 % ) эрози я п р а ктически отсутствует (рис. V l . 8) . В п уск в оздух а перед каверной с н ижает эроз и ю при мен ьших р асходах, чем в случае в п уска не­ посредственно в каве р н у . Это объясняется более р авномерн ым насыщением потока в оздушными п узырьками . При в пуске в оздух а , �

15*

227

Т а б л и ц а VI . 2 Режимы и спытани й и хар актеристики эрозии в диффузоре при в пус ке воздуха

Место в п уск а воздух а

Б е з воздуха

1

1

Узкое сечение сопла

2 3 4 5 6

Диффузо риз я част ь

7 8 9 10

.

1

Расход воздуха

Д и а мет р ш а йб ы в мм

Номер реж и м а

1

2 1 ,0 1 ,5 2,0 2,5 3,5 1 ,0 1'1 1 ,2 1 ,5

см 3 /с

1

о 1 02 1 24 1 33 1 38 145 1 49 1 73 242 351

1

1

%

о 1 ,18 1 ,43 1 , 54 1 ,60 1 ,68 1 ,72 2 ,00 2 ,80 4 ,05

К оличе · ство вмяти н

1

717 347 24 1 1 69 1 14 55 1 90 56

о о

помимо сн и жени я и нтенси в ности эроз и и , резко п адает у р ов ен ь шума . Аналогичные результаты п о в ли я н и ю в оздухасодержа н и я н а эрозию получил в 1 956 г . Р . Расмуссен п р и и сследова н и и срывной кавитации н а ротационном а п п а р ате и в п р оточной установке [98 ] . Исследова н и я Р . Р асмуссена выявили , что п одведенн ы й в оздух находится в п отоке в в иде мельча йших п узырьков ди аметро м 0 , 1 5-0, 20 мм, количество которых достигает 200 шт. в 1 см3 • 1 % свободного в оздуха п р ив одит к полному устра­ Содержани е нен и ю кавитацион ной эроз и и на алюмин и евых образца х . П роцентное содержани е в оздух а в в оде н е может служить кри­ терием оцен ки п одавлен и я кавитационной эроз и и . Соотношени я между расходом в оды и в оздуха будут зависеть от конструкции установки , от способа п одвода в оздуха , от степени р азвитости кавитаци и . Кроме того, на расход в оздуха будет вли ять также тип , и л и форма, кавитаци и . Известны также некоторые рез ультаты н аблюдени я за в ли янием впуска в оздуха н а эрозию н атурных гидротурбин [ 4 ] . В п уск воздуха осуществлялся через клапаны срыва в а куума , которые открывзлись п р и разрежени и 0 , 5-0,8 м в од. ст. Такое разрежени е н аблюдается н а р ассматриваемых турбинах п р и нагруз ке 3060 % Nшах · На оптимальной н а г р уз ке всасывание в оздух а не происходит . �

228

Согласно н аблюден и я м , н а турбинах с в п уском воздуха эроз и я сокр атилась как п о площади (� н а 30 % ) , так и п о глуби н е (до 50 % ) . Эти результаты н уждаются в п р оверке. Действительно , как показали п р оведеи ные испыта н и я р яда турбин (п . 2 1 } , н а и ­ большая и нтенсивность эроз и и н аблюдается в зоне оптимальных н а г р узок, где клап а н ы з а к рыты . Кроме того , в оздух , подводимый через клап а н ы срыва вакуума, п роходит в верхней части п отока , а обычно зона эрозии р асполав о о .---т----,---=-------, гается в р а йоне н и жнего обода , к уда в оздух н е попадает. ������� -t�� Р 700 ��Для выявления в л и я н и я н а эроз и ю в п уска воздуха через клапа н ы срыва вакуума и че­ р ез центральное отверстие в а л а ЛМЗ б ы л и п р оведены специ аль­ ные испыта н и я н а турбин е ГЭС Н и в а- 1 1 1 (п . 2 1 ) . Испыта н и я п о­ казал и , что н а и нтенсивность эроз и и не влияет п одвод в озду­ ха ни через клапаны срыва в а ­ куума , н и через центральное отверстие вала. В л и я н и е подвода в оздуха н е­ � посредствен н о в зону эроз и и � 200 1----+---11---\---+---! ". было и сследовано в н атурных :::s � услов и я х на гидротурби н е ::.: fOO 1-----+---+t-\--i Б р атской ГЭС. Атмосферный воздух и з вала турби н ы п одводился п о спе­ 200 fOO циальн ому каналу в теле лоп а ­ о Рас ход бoJ IJyxa (}6 • смfс сти перед зонами кавитаци и . Расчетный расход в оздуха н а Рис . VI . 8 . Влияние р асхода воздуха одн у л оп асть составлял 0 , 05-- н а интенсивность кавитационного воз­ 0, 1 % от расхода воды в межло· действия n р и исnыта н и я х в диффузоре п астнам канале. П р и п р охождении по лопасти в оздух попадал п оследовательно в о все зоны между входной и в ыходно й к р омка ми . Н а лопасти и мелись т р и основные зоны эрозии (рис. V . 9) : зон а 1 - за входной кромкой вблизи места максимальной кривизны лопасти ; зона 2 между н ижн и м ободом и зоной 1 ; зона 3 - вблизи в ыходной к р омк и . Количественная оцен ка в л и я н и я подвода в оздуха н а и н тенсив ­ ность э розии в этих з о н а х б ы л а в ыполнена н а основани и резуль­ татов испытан и й методом скоростной эрозии . Дл я этого на всю нижнюю часть лопасти , в ключающую зоны 1, 2 и 3 , н аклеивались пластин ы и з отожже н ного алюми н и я АД 1 М . Турби н е з адав ался определенный режим р аботы , и п осле 10 мин испытани й пластины сниl'lш лись для п оследующего измерени я кавитационных п ов реж­ дени й .

� - ��

229

В нач але был и п р оведены т р и опыта без в п ус ка в оздуха н а режи ма х с нагрузкой 1 60 , 200 и 240 МВт, затем был осуществле н в п уск воздуха и аналогичные опыты п роведены н а режимах 200 и 240 МВт. После 10 мин п ребывания в услов и я х кавитаци и н а алюминие ­ вых пластинах появлялись отдельные вмяти н ы , в ызванные пла ­ стически ми деформациями п р и ударах . Количество , глубин а и диаl\tетр вмяти н (рис. V I . 9) резко умен ьшались п р и в п уске в оз­ д у х а . Площадь , подверженная кавитаци онному в оздейств и ю, также существенно уменьшалась .

Рис . V J . 9 . Кавитацион н ые nовреждения алюминия на режиме 240 МВт : без возду х а ; б - n р и впуске воздуха

а ­

В качестве характеристи ки интенсивности кавитационной эрозии испол ьзовалась вел и ч и н а суммарного объема вмяти н Vд н а участке п оверхности в центре зоны эроЗJ1И . Как показали п роведеиные испытания , впуск воздуха соп р овож­ дается рез ким снижен ием и нтенсивности эрозии н а в сех режи мах . Объем дефор маци и Vд в центре основной зоны 1 (рис. V . 9) умень­ шается в 30 раз н а режиме 240 МВт и в 80 раз-на режиме 200 МВт. В зонах 2 и 3 и нтенсивность эрозии при впуске воздуха сни­ жается в 5--- 1 0 раз , т . е . в зн ачительно меньшей степени , чем в з оне 1 . Это связано с мен ьши м количеством воздуха, попадаю­ щего в эти зоны . Засасываемый из атмосферы в оздух поступает вначале в зону 1 з а в ходно й кромкой и эффективно демпфи р ует кавитационные уда ры в этой зоне. Зона 2, образуемая при захлопывании кавитационных п оло­ стей , возни кающих в углу между лопастью и нижним ободом, п о-в идимому , отделен а от каверны в зоне 1 слоем жидкости , что з атрудня ет попадание воздуха в эту зону. 230

Х аотичное движение объемов жидкости в местах захлопывания каверны в зоне 1 сп особств ует рассеив а н и ю в оздуха п о межлоп аст­ ному канал у , п оэтому в зону 3, р асположен н ую н и же по п отоку, также попадает только часть в п ускаемого воздуха , которая не обеспечивает такого резкого снижения эрозии , как в зоне 1 . Одн ако в о в сех зонах уменьшение и нтенсивн ости , достигаемое в п уском в оздуха , является существенным. В п уск в оздуха в п р еделах 0, 05-0, 1 % р асхода в оды н е п риво­ дит к заметному и зменению давлени я н а п оверхности лопасти . Косвенным п одтверждением этого является идентичность п оложе­ н и я зон эрозии без в оздух а и п р и в п уске в оздух а . При таком ко­ личестве воздуха к. п . д . турбины не снижается . В озможно даже некоторое его повышен и е вследств ие аэраци и пограничного слоя . Это подтвердили испытани я , п р оведеиные н а турбине Б ратской ГЭС, обо р удованной устройством для п одвода в оздуха на всех лопаст я х . Количество з асасываемого в оздух а н а опти мальной нагрузке составляло О , 1 % от расхода . Причем воздух н ач и нает засасываться с нагрузки 90 МВт и его количество существен но н е мен яется п р и увеличени и нагрузки до 240 МВт. В п уск в оздуха не п р иводит к снижен и ю к . п. д. турби н ы , а в ди апазоне нагрузок 200-235 МВт и меется тенденция его п ов ышени я . Подводимый в оздух несколько умен ьшает вибраци ю агрегата . Так, н а п ример , верти кальные и горизонтальные ви б раци и верхней крестовины генератор а умен ьшились н а 0 , 0 1 0-0, 0 1 5 мм. Проведеиные и сследова н и я п оказыв ают, что в п уск в оздуха в з он у кавитаци и является действенным средством снижен и я ка­ в и тационной эрозии и может быть рекомендов ан для турбин мно ­ гих гидроэлектростанци й . �

30. К АВИТАЦИ О Н Н О СТ О А К И Е М АТЕР И � Л ЬI

И З АЩИ Т Н ЫЕ П О К Р Ы Т И Я

Материал ы , при меняем ы е для и з гото влени я деталей пр оточной части турби н ы . Детал и , р аботающие в услов и я х кавитационного

в оздейств и я , кроме кавитационной стойкости должны обладать определенным комплексом технологических свойств , необходи мым у ровнем п р очности , а также допускать п одв а р к у изношенных участков без п одогрев а . С р азвитием гидротурбостроен и я , с п овышением быстроход· н ости турби н и увеличением единичной мощности агрегатов ши роко п р и мен явшийся р анее для изготовлен и я деталей п р оточ ­ ной ч асти турби ны ч у гун был заменен углеродистой стаJi ью, ко· торая , в св ою очередь, з амен яется нержавеющей ст алью . Основ н ые недостатки чугуна - низкая кавитационн ая стой­ кость и трудности с в осстановлением изношен н ых участков де­ талей . Углеродистая сталь, н е обладая существенным п реимуществом перед ч угуном в кавитаци онной стойкости , доп ускает в осстановле23 1

н и е изношен ных деталей п утем электродной наплав к и . Углероди ­ стые стали п р и менялись следующи х марок : сталь 25Л и ЗОЛ . В настоящее в ремя они заменен ы сталью 20ГСЛ [35 ] . При менеи н е нержавеющи х сталей явилось эффективным сред­ ством борьбы с кавитационной эрозие й . Нержавеющие стали п р и ­ мен я ются к а к в качестве конструкционного матери ала для изго­ товлен и я рабоч и х колес р ади ально-осевых, поворотнолопастных и ковшовых турби н , так и в качестве защитн ых обли цовок и н а ­ п л а в о к [35 ] . Отливки и з сталей 25Х 1 4НЛ и 20Х I ЗНЛ и меют довольно сложный режи м термообработки п р одолжительностью 9- 1 2 сут. Следует отметить также неоднородность структуры отливок сталей 25Х 1 4НЛ и 20Х I ЗНЛ по сечени ю , п риводящую к нестабильности механ ически х свойств и большому количеству отклонен и й , осо­ бен н о по х а р а ктеристи кам пластичности . К недостаткам этих сталей следует отнести необходимость п р едварительного и соп утствующего п одогрев а до 300-400° С п р и зав а р ке литейных дефектов . Сварка без п одогрева в ызывает подкал ку околошовной зоны до Н В 450, что может п р ивести к обр а­ зов а н и ю трещи н . В настоящее в ремя стали 2 5 Х 1 4НЛ и 20Х I ЗНЛ н е п р и меняются они заменены сталью ОХ 1 2НДЛ . Сталь ОХ 1 2НДЛ и меет более п ростую термообработку , по в ремени п р и мерно на 1 00 ч короче, чем у стали 20Х I ЗНЛ. Кроме того , стал ь ОХ 1 2НДЛ л учше сва­ ривается . Если при сва р ке больших толщин и требуется п редва ­ р ительный и соп утствующи й п одогрев д о 200° С, то сва р ка малых толщи н (до 50 мм) и зав а р ка п оверхностн ых дефектов могут п ро­ изводиться без п одогрева . В озможность местной подв а р ки яв­ ляется весьма цен ным качеством этой марки стали , так как п озво­ ляет п роизводить заварку деталей, разр ушен ных кавитацией, без р азборки турби н ы . А устен итнофер ритная стал ь О Х 1 8 НЗГЗД2Л обыч но исполь­ з уется для изготовлени я деталей турби н , р аботающи х на в оде с н а н осами . Объясняется это не тем , что сталь ОХ 1 8 Н ЗГЗД2Л и меет п овышен ную абразивную стойкость (ее стойкость на у р овне обыч ных х р омистых сталей, типа О Х 1 2НДЛ) , а тем, что она хорош о сваривается . Стал ь О Х 1 8 НЗГЗД2Л сваривается без п одо­ грев а и , следов ател ьн о , п озв оляет вести большие в осстан ов итель­ ные р аботы , вызванные абразивным износом, путем н аплавки . В последнее в ремя для повышени я технологичности и в первую очеред ь свариваемости без п одогрев а характерно стр емление к понижени ю содержания углерода в нержавеющи х сталя х . Ц НИИТмаш ем [ 3 6 1 дл я и зготовлен и я р абочих колес п р едложен а новая сталь ООХ 1 2Н ЗДЛ с содержан ием углерода 0 , 07 % . Н ержавеющие ста.1 и ши роко и спольз уются также в качестве защ итн ого слоя дл я п редох ранен и я углеродистых сталей от кав и ­ таци онных разр ушен и й . Т а к , н а п р и ме р , многие рабочие колеса ради ально-осевых турби н , изготовлен н ые и з стали 20ГСЛ , защи -

232

щен ы от эрозии наплавкой или обли цов кой и з нер жавеющей стали (турбин ы Б р атской и Красноя рекой ГЭС) . Камеры рабочих колес поворотнолопастн ых турбин изготовляются из би металлического листа с н а р ужным слоем из нержавеющей стали . В качестве защитных обли цовок п ри меняются стали 1 Х 1 8Н 1 0Т , ОХ 1 3 , 1 Х 1 3 . Электродн ые наплав ки обычно п р и меняются ти п а ЦЛ-9, ЦЛ- 1 1 , которые по составу соответствуют стал и с содержанием 1 8-20 % Cr и 8- 1 0 % N i . Ур альским политех н ическим институтом для гидротурбин п р едложена группа н овых нержавеющи х сталей [5, 6 ]. Среди н и х н естабильные аустен итные стал и на железомарганцово й основе ЗОХ 1 0 Г l 0 , ОХ 1 4АГ 1 2 и дисперсионно-твердеющие стали типа 1 Х 1 7Н 5ТЮ, ООХ 1 6Н4ЛД2, 1 Х 1 2Н6ТЮ. В х р омама рганцовых сталях п од действием пластической де­ формаци и , возни кающей п р и кавитаци он н ых гидроуда р а х , а усте­ н и т р аспадается с образовани ем мартенсита и тем самым происходит упрочнение п оверхностного слоя . По мере разр ушен и я упрочнен­ н ого п оверхностного слоя в р аботу вступают новые слои металла, вследств и е чего разрушающему действи ю кавитаци и п р отиво­ стоит все в ремя уп р очнен н ы й слой . Рекомендуемая термическая обработка дл я х ромама рганцовых сталей относительн о п роста : для стал и ЗОХ 1 0Г 1 0 - закалка в в оду с 1 1 00° С, для стал и О Х 1 4А Г 1 2 - нормализация с 1 050° С. После окончател ьной термической обработки эти стали , относя­ щиеся п о своей структуре к группе аустенитных, и меют следующи е п рочн остные характеристи ки : сrт = 20 -;-- 3 0 кгс/мм2 ; 0' 8 = 60 -;-­ --;-- 6 5 кгс/мм2; б � 1 0 % ; 'Ф � 1 0 % ; ан � 7 кгс - м/см2 • Относи ­ тельно невысоки й п редел текучести сталей, а также з н ачительные т р удности в механической обработке зат р удн я ют использов а н и е и х в качестве конструкционного материала. П р и менен и е эти х сталей возможно в качестве обли цовки . Дисперсионно-твердеющие стал и и меют в ысокие п рочностные х а р а ктеристи ки благодар я старению ма ртенсита . Так, н а п р и мер , сталь 1 Х 1 7Н5ТЮ п осле ста рен и я (500° С - 2 ч ) и меет сr т = = 1 52 кгс/мм 2 ; 0'8 = 1 76 кгс/м м 2 ; б = 1 3 % ; 'Ф = 39 , 5 % ; а н = = 6 , 5 кгс - м/см2 , другая сталь ООХ 1 6Н4МД2 после такой же термической обработки х а р а ктеризуется следующи м у ров нем свойств : cr , = 1 1 9 кгс/мм2 ;
ради ально-осевых турбин п р и меняется медно-алюми ниевый сплав (9- 1 0 % A l ; 4-5 % N i ; 2-3 % Fe ; 0 , 5- 1 % Мп; Cu - остал ьн ое) . Медно-алюми ниевый сплав , обладая высокой кавитационной стойкостью , весьма слабо п ротивостоит исти рающему действи ю насосов . Прочностные характеристи ки этого сплава отн осител ьно невысокие ( а т = 25 кгс/мм 2 ; 0" 8 55 кгс/мм2; НВ 1 20- 1 60) . Н а основе этого сплава разработаны и п р и меняются дл я в осста· новительных и п рофилактичес ких наплавок электроды , и меющие химическ и й состав , аналогичный медно-алюми ниевому сплав у . Согласно п р оведеиным и сследова н и я м [ 2 7 ] , п о кавитационной стойкости эти наплавки п ревышают даже х ромони келев ые состава 1 8/8 . И сследо в а н и е кав и та ци о н н о й стой кости материало в . В л або­ раторных услов и я х были и сследов аны три группы матери алов : нержавеющие стали , электродные нержавеющие наплавки и не­ металлические материалы. В ыбор для исследован и я материалов , стойких п р отив корроз и и в п ресной в оде, обусловлен результа­ тами п редыдущих и сследов а н и й (п . 24) , где было показано, что Кавитационноетойким матери алом может быть только кор розион­ н оетойки й материал . Наиболее п одробно была исследова н а группа н е р ж а в е ю щ и х с т а л е й . Н а р и с . V . 24 и в табл . V. l 5 в качестве п р и ­ мера были рассмотрены результаты испыта н и й сталей н а ударно­ эрозионном стенде . Услови я разр ушени я мате р и ал а н а уда р н о­ эроз и онном стенде несколько отличаются от действительных п р оцессов кавитаци и в п отоке, п оэтому были п р оведены допол н и ­ тельные испытан и я нержавеющих сталей н а кавитационно-эро­ зионном стенде (рис. V . 1 6) , в осп роизводящем естественн у ю кави ­ тацию . Кав итационное сопло было выбрано с р азмерами щели 6 Х 60 мм и углом диффузора 1 2°. Скорость потока в щели 36 м/с . При этом услови и кавитационное в оздействи е н а стенде соответ­ ствовало средне й и нтенсивности кавитаци и , н аблюдаемой н а т у р ­ б и н а х действ ующи х ГЭС. Цикл испытан и й составлял 1 000 ч . В п роцессе испыта н и й об­ разцы периодически взвешивались на аналитически х в еса х . Кроме того, с п омощью микроскопа с увеличен ием х 320 п ров одились н аблюдени я з а р азвитием пов реждени й на поверхности образцов . В св язи с большой длительностью и трудоемкостью таки х испыта­ н и й , а также учитыва я , что одновременн о могут испытыв аться в сего дв а образца , для испыта н и й были выбраны четыре н аиболее х а р а ктерные марки сталей : ОХ 1 3 , 1 Х 1 8Н 1 0 Т , О Х 1 2НД, ОХ 1 4АГ 1 2 . Термическая обработка была в ыполнен а п о обычным, п р и н ятым для эти х сталей режима м . Поверхность образцов , п одвержен н а я кавитационному в оздей­ ствию, была отпол и р ован а . Рез ультаты испытани й п р едставлены в в иде зависимостей по· терь веса I'!!. G и скорости разр у шени я об р азцов d ( I'!!. G)Idt от в ре· мени (рис . V I . l O) . =

234

а)

ffOO

fOO о 90о

oxq7

1

800 1-{}

j_

--

/

200

100

О

5)

fOO

200

�

�

/

ОХ12НД./

1�

1 'xtА 1 / 8нtpt;7 v �v /

�

J

�С-1

0Х f'МП2

/

�

JOO 'fOO 500 500 Вреня испытаний ,

i

v

�

�

700

800

2, 4

t ""

1

900

ox't-/

2, 0

fOOO

,./1

/

1

� 1, 5 "' "' �

:} 1, 2

�� 0, 8 а

L.

0,'1

D P l:C. VI . lO.

!00

./

/ '7

��

200

JOO

/

./

"" __..

'100 Bpe/'lfll

/ __.

500

/ ..-.-

600

�

испыт а ний, .,

/

ОХ.f?НД .

'

� "

8HfO T

АХ1'1АГf2

700

800

900 fOOO

Зависимость nоте р ь веса (а) и скорости р азрушен ия (б) сталей от времени испытан ий 235

Р ассмотри м п оследо вательность разрушен и я материалов . Пер­ вые м ел кие кавитационные вмяти ны, свидетельств ующие о н али ­ ч и и пла стической деформаци и материала , появляются сразу же п осл е н ачала испытан и й . В дальнейшем глубин а дефор маци и матери алов постепенно растет . З а первые 200 ч испыта н и й в есовые п отери образцов н и чтожно малы и п р и мерно оди наковы для в сех матери алов . Эти п отери веса в ызв а н ы п осторон ними факторами , н а п р и мер , трением в месте установки образцов . В этот п е р и од п р актически отсутств уют вы­ рывы материал а , п роисходит лишь п ластическа я деформаци я по­ верхностных слоев . Это так н азываемый и н кубационный период развити я кав итационных р а з р у шен и й . Глуби н а деформи р ован ­ ного слоя з а этот период н а стал и О Х 1 2НД дости гает О, 1 мм. Ми н и ­ мальн ая глуби н а деформаци и -0,03 мм - наблюдается н а стали ОХ 1 4АГ 1 2 . В дал ьнейшем, п од действием увеличивающегося количества кавитационн ых уда ров п роисходит выкрашивание отдельных частичек металл а . Для каждого материала этот п роцесс и меет свой х а р а ктер . Н а стал и О Х 1 2НД с р остом в есовых п отерь растет и глубин а изъязвлен и я . После 1 000 ч испыта н и й глуби н а выколов достигает 0 , 29 мм. Аналогичный х а р а ктер разрушен и я н аблюдается и у стал и 1 Х 1 8Н 1 0Т , где в кон це испытан и й глуби н а в ыколов р ав н а 0 , 32 мм. Н а стали О Х 1 4АГ 1 2 п осле 300 ч испытан и й р ост п отерь веса св язан с увеличивающейся глуби ной выколов . Углублен и я , обра­ зовав шиеся н а месте вырванных ч асти ц, довольно редки и и меют зн ачительную глуби н у н а фоне остальной , слабо деформи р ован н ой п оверхности . После 400 ч , когда в ся п оверхность перекрыта обра­ зов а в шимиен угл ублен и я м и , р ост гл уби н ы н еровн остей резко замедл яется и глуби н а не изменяется до конца испытани й , оста­ ваясь на у р ов н е 0 , 08 мм. Своеобразным является п роцесс р азвити я эрозии на стали ОХ 13. Вплоть до 400 ч разр ушени е идет п ри мерн о так же, как и на стал и О Х 1 2НД. Затем н а п оверхности образца появл я ются довольно к р у п н ые угJi ублени я , образовав шиеся в результате выкрашив а н и я целых г р у п п зерен металла . Размеры углублени й в попереч н и ке достигают нескол ьких миллиметр ов , а глуби н а ­ десятых долей миллиметра . Этот п роцесс соп ров ождается возра­ стающи ми весовыми п отер ями . Если скорость эрози и дл я сталей ОХ 1 2НД, 1 Х 1 8Н 1 0Т и ОХ 1 4АГ 1 2 к концу испыта н и й стабилизи ­ р уется , т о дл я стал и ОХ 1 3 х а р а ктер н о н а р астан и е скорости эро­ зи и в течение в сего Ц И КJlа испыта н и й . Глуби на выколов на стал и ОХ 1 3 к концу и спыта н и й достигла 0,89 мм. Оцен ка кав итаци онной стой кости материалов п р оизводилась п о дв ум показател я м - п о скорости эроз и и в конце испытани й и п о п оте р я м в еса образцов за в есь ци к.1 испытан и й . Коэффициент относительной кавитационной стойкости е определялся как отно-

236

tпени е одн ого из nоказаtелей (скорости эрози и , п отерь веса) стали 1 Х l 8H l OT , взятой за эталон , к соответств ующеыу пока­ зателю сравнив аемого матери ала : Е8 11G3 ! дGи - коэффи циент относител ьной стойкости п о п отерям веса ; 11G3 - п отери веса эталон­ н ого образца ; дGи - потер и веса испыты­ в аемого образца ; =

Ее

d ( Мэ) dt

стойкости :-:-- - коэффи циент относител ьной = --:--:-:-::: d (дGи) -d,-

по

скорости эрози и . В еличины коэффи циентов Е дл я испытанных материалов п р и ­ веден ы в табл . V I . 3 . Т а б л и ц а VI . 3 �оэфф и циенты относите л ьной кавита ц ионной сто й кос ти ма т ериалов по отно ш ен и ю к с тали 1 Х 1 8 Н 1 0Т

Относи тельн а я к а витацион н а я стойкость Ен

Ее

1 Х 18Н I О Т

О Х 13

ОХ12НД

ОХ 1 4 А Г 1 2

1 ,0 1 ,0

0 ,40 0,31

0 , 74 0 , 89

4,0

2,7

В ыполнен ное сопоставлен ие матери алов п о относител ьной стойкости не совсем п равомочно, поскол ьку скорость эрозии стали О Х 1 3 не устан овилась. Если бы испытан и я п родлить , то коэффи ­ циент Е для стали ОХ 1 3 был б ы нескол ько мен ьше. Одн ако разру­ шени я за 1 000 ч достаточ но вел и ки , чтобы в услов и я х действ ующи х ГЭС ставить вопрос о ремонте и , следов ательно, судить о стой кости матери алов . Н ужно также отметить , что коэффициенты относительной стойкости Е при сопоставлени и сталей п о скорости эрози и не ­ сколько отличаются от коэффи циентов п р и сопоставлен и и п о п отерям в еса . Причем средние з н ачен и я сближаются , а крайние р асходятся . Расхождени я относительно невел и ки , и расположе­ н и е материалов по кавитационной стойкости не меняется . Интересно сопоставить п ол учен ные результаты п ри испытан и и в диффузоре с данными испыта н и й на уда рном стенде (табл . V . l 5) . Для этого оп редели м , согласно табл . V . 1 5, коэффи циенты стой­ кости сталей ОХ 1 3 и ОХ 1 4А Г 1 2 п о отношени ю к стал и 1 Х 1 8Н 1 0Т (табл . V I . 4 ) . Коэффициент относительной стойкости стали ОХ 1 3 близок к результата м , п олученным в диффузоре, коэффициент д.'l я стали О Х 1 4А Г 1 2 несколько н и же . Это объясняется р азностью в и нтен237

с и в н ости стен де

к а в и та ц и о н н ого в оздейств и я . Н а ударно-эрозионном п р и 2000 об/ми н и особенно п р и 2800 об/ми н интенсивность

в озде йств и я з н ачительно выше, ч ем в диффузоре. При с н и жении числа оборотов коэффи циент относительной стойкости е дл я ста.'lи ОХ 1 4АГ 1 2 воз р астет (рис. V . 24) и будет ближе к результатам, полученным в диффузоре . Таким образом, п р оведеиное сопоставление еще раз п одтверж­ дает идентичность резул ьтатов испытан и й кавитацион ной стой­ кости материалов , пол учен ных на различных стенда х . Исследов а н и е кав итацион ной стойкости э л е к т р о д н ы х н а п л а в о к было выпол нено н а магнитостр и кционном вибра­ торе и уда рно-эрозионном стенде т а 6 л и ц а \' l . 4 . [2 1 ] . Коэфф и циенты в при ис п ы т а н и я х Режи м испыта н и й н а вибраторе : на ударно-эрозионно м стгнде частота 8 кГц, двойная амплитуда n , обjм • н , 0 7 мм. Кавитационная стойкость 1 0матери е алов оценивалась по п оте­ 2800 1 2000 1 р я м веса за 3 ч испытани й е е

OX I3 I X I S H IOT

1

0 ,36

0 ,29

!J. Gэ Е= !J. Gи '

где 1103 - п отери веса эталлон­ н ого образца . З а эталон п р и ­ нят образец и з стали 1 Х 1 8Н 1 0Т в состоя н и и аустенизации 1103 = 70 мгс; /1Gи - п отер и веса испытываемого образца . Н а уда р но-эрозионном стенде был выбран режим с n 2800 об/ми н п р и давлени и в н а п орном баке 0 , 8 кгс/см2 и диа­ метре стр у и 5 м м . Кавитационная стойкость оп р еделялась как Т Е = Ти э ' О Х 1 4А Г 1 2 I X 18Н IOT

1 ,93

1 ,95

=

=

где Т и и Тэ - в ремя , соответств ующее весовым п отерям 1 0 мг испытываемого и эталонного образцов . З а эталон п р и н ят образец . и з стал и 1 Х 1 8Н 1 0Т (НВ 1 60) , у которого Т3 = 4 , 5 ч. Для и сследова н и я были в ыбра н ы следующие марки электро­ дов : ЭА-395 , ЭА-98 1 , ЦЛ-9, ЦЛ- 1 1 , УПИ-2, УПИ- 1 2 , ЭА-925 . Наплавки были выполнены ручным способом в один и два слоя , на темплетах и з стали 20ГСЛ толщиной 30-35 мм. Некоторые марки электродов (ЦЛ-9, ЦЛ - 1 1 , УПИ-2, ЭА-925) рассматривались в п . 22, хи мически й состав н аплавок эти ми электродами п риведен в табл . V . 6. Х и мически й состав металл а , наплавленного электродами ЭА-395, ЭА-98 1 : 1 , 5-2 % Мп ; 1 2- 1 4 % Cr; 2 1-23 % N i ; УПИ- 1 2 1 2 % Мп; 1 4 % Cr. Наплавки и сследов ались к а к в исходном состоя н и и , т а к и пос.'lе термической обработк и , п р и н ятой для р абоч и х колес и з 238

стал и 20ГСЛ , отп уск п р и 600° С и отжиг п р и 900° С + отп уск п р и 600° С. Подробн ые результаты испытан и й н аплавок п риве­ дены в работе [ 2 1 Соп остав.ТJ я я резу.ТJьтаты испыта н и й н а вибраторе и н а уда рно­ эрозионном стенде, можно отl\lетить , что наплавки п о кавитацион­ ной стойкости располагаются в той же п оследовательн ости . Н а и более в ысокую стойкость - 8 = 3 -7-- 6 -и l\lеют х р омамарганцо­ вые н аплавки У П И- 1 2 и УПИ-2, а также наплавка электродом ЭА-925 : 8 = 3....;- 5 , аустен итные н аплавки ЭА-98 1 , ЭА-395 и ЦЛ-9 и меют невысоки е п оказатели стойкости : 8 = 0 ,8-+- 1 ,4; п р омежу­ точное п оложен ие зани мает н аплавка электродом ЦЛ - 1 1 . Стой­ кость н аплавки ЦЛ - 1 1 с увеличением количества слоев снижается (п р и одн ослойной : 8 = 3 , 1 8 ; двухслойной : 8 = 1 , 75; многослойной : 8 = 1 , 34) . Повышен н а я стойкость однослойной н аплавки ЦЛ- 1 1 связа н а с увел ичением твердости наплавлен н ого слоя . Рост твер­ дости объя сняется образованием мартенситной структур ы , в оз ­ н и к а ющей вследстви е обеднен и я наплавки леги р ующи ми элемен­ тами (содержан и е н и келя умен ьшается до 5-8 % , х р ома-до 1 4 % ) . Касаясь п р и мени мости тех и л и иных электродов , к р оме кав и ­ таци онной стойкости следует учитыв ать также и х тех н ологич­ н ость . К п оказател я м технологичности следует отнести : устой­ чивость дуги , легкое отделени е шлака , в озможн ость наплавки в вертикальном и п отолочн ом п ол ожен и и , отсутстви е токсичных п а р ов . Последнему требов а н и ю н е удовлетворяют х р омомарганца­ вые электроды , п р и наплавке к оторых в ыделя ются п а р ы марган ца , что требует обеспечения хорошей венти л я ци и . Это н е дает воз­ можности и сп ользовать х р омамарганцовые электроды п р и н а­ п лавочных р аботах п од р абоч и м колесом, где вентиляци я з атруд· и ен а . П р и выборе электродов не о бходимо учитывать также и х СТОИ · масть. Н а п р и мер , в ысоколеги р ованные электроды ЭА-395 и ЭА-98 1 , содержащие большое количество н и кел я , значительно п ревышают п о стои мости электроды ЦЛ- 1 1 и в то же в р емя уступ ают и м по кавитационной стой кости . Учитыв ая эти обстоятельства , для з ащиты деталей турби н от кав итаци онной эрози и можно рекомендовать н а иболее освоенны е электроды ЦЛ- 1 1 . П р и в ысокой и нтенсивности кав итационного в оздействи я , особенно п р и изготовлен и и детали н а заводе, могут быть исполь . з ованы электроды ЭА-925. П р оведеи ные испыта н и я нержавеющи х сталей и наплавок выявили , что кавитаци онная стойкость зав и си т от количеств а ма ртенсита в сплав е . П ричем мартенсит может быть образов ан как п утем соответств ующей термической обработки , так и п р и п ластической деформаци и в о в ремя кавитационного в оздей ств и я . Наличие ма ртенсита в сплаве способствует п ов ы шен и ю п р очности материада . Учитыв ая зависимость эроз и и от п р очности , мно­ гие авторы п ытадись устан овить св язь между кавитаци онной

].

29!)

сто й костью и механическими свойствами материала - твердостью, п р еделом текучести , в ремен ным соп р отивлением. В работе [ 62 ] в качестве критер и я оцен ки соп ротивля емости материала кавитационному в оздействи ю п р едложен а энергия деформаци и , определяемая площадью ди аграммы н а п ря жени е ­ деформация п ри сжати и . В работе [ 1 02 ] н а основе сопоставления в л и я н и я р азличных механ ических характеристи к материала (в том ч и сле и энергии дефор маци и) н а эрози ю в ысказывается другая точка зрения эроз и я л учше всего кор рел и руется с величиной п р оизведени я предела упругости н а твердость п о Б р инелю. Одн ако если п роанализи р ов ать результаты и спыта н и й и име­ ющийся опыт эксплуатаци и , то окажется , что все эти к р итери и далеки от действительного соотношени я материал ов п о кав ита· ционной стойкости . В о-первых , он и н е учитывают фактор корро· зи и при кавитаци и . В п. 22 были р ассмотрен ы п р и меры, когда в ысокоп рочные углеродистые стали с большой твердостью раз­ рушались так же, как обычные п оделочные стали типа 20ГСЛ и Ст . З , в то в р емя как н ержавеющие стали с невысокими п р оч ност­ ными х арактери ст и ками обладали наивысшей стой костью . Если расп р остра н ять эти критер и и только н а нержавеющие стал и , то и в этом случае они не определят кавитационной стойкости ма­ териала , так как н е учитыв ают способности мате р иалов у п р оч ­ н яться п ри кавитационн ом в оздейств и и . Н а п ример , аустенитные стали ОХ 1 4А Г 1 2 и ОХ 1 8Н 1 0Т , и меющие близкие п р оч ностные хар актеристики , существенно отличаются п о кавитаци онной стой­ кости . Кавитацион ная стойкость н е м е т а л л и ч е с к и х м а т е р и а л о в и сследов алась н а уда рно-эроз и онном стенде. Режим и спытани й был выбран с n = 2000 об/мин . Этот режим п о и нтен ­ сивности в оздействи я зн ачительно н и же, чем п р и форси р ованном режиме с n = 2800 об/мин , н о все же п ревышает существ ующие режимы кавитации н а большинстве действ ующи х ГЭС. Исследов а н и ю п одверг лись р азличные группы п ластмасс полиэтилен , полихлорв и н и л , полиамиды, эпоксидные и п ол и · эфи р н ые смолы, н а и ритовое (каучуковое) покрытие и р яд других матери алов . Испытыв аемые образцы изготовлялись и л и цели ком и з пласт· массы , и л и пластмасса н аносилась на стальную основ у в в иде слоя толщи ной 1-2 мм. В связи с тем, что удельный вес и ссле· дованных м атери алов р азличен , а также учитывая , что некоторые пластмассы х а р а ктеризуются большой н абухаемостью, оцен ка стойкости п роизв одилась по в ремени разрушени я п оверхности образца на глуб и н у � 1-3 мм. Результаты и спыта н и й п риведен ы в табл . V I . 5 . Как следует из табл и цы , н а иболее в ысокой стойкостью обладает п ол и этилен в ысокой плотности н и з кого давлени я . З а период испыта н и й 52 ч разрушен и й н е было обна р ужено . З а это в ремя н а эталон ном ·

2 40

Т а б л и ц а Vl.5 Кавита ц ионная стойкос т ь неметаллических м атериалов

М ате р и ал

Полиэтилен высокой плотности низкого давления Полиэтилен низкой плотности высокого давления Капролан Капрон марки Б Смола 68 Полихлорвинил жесткий Полихлорвинил мягкий Эпоксидная смола Эпоксидная смола с 60% маршалит а Полиэфирная смола ПН - 1 Полифор�1альдегид Стиракрил Полипропилен Пентопласт Ф торопласт 4 Ор гстекло Стеклопластик СТЭР Н аир итовое покрытие на сталь 20ГСЛ Полиэтилен , напыленный на сталь 20ГСЛ СТЭР + плакированный полиэтилен Стал ь 1 Х 1 8Н I О Т

1

В ремя исп ы т а н и й в

ч

52 10 48 14 9 2 1 2 2 2 7 2 4 1 2 2 2 17 2

1

Состоя н ие об ра зца

Разрушений не обнар ужено Разр ушился Начал ьное разр ушение Т о же Разр ушился То же »

» » » » » »

»

»

»

»

Покрытие лось То же

разруши -

2

Покрытие сорвано

34

Начальное разр ушение, поте р и веса 10 мгс

обр азце из стали l X 1 8H l OT р азр ушен и я достигли глуби н ы � 4 мм ( р и с . V I . l l ) . В ысоки е показатели кавитационной стой кости также у капролона (48 ч до н ачала р а з рушен и я ) . Одн ако эти пластмассы вследстви е отн осительно низких п р очностных х а р а ктеристи к н е могут быть и спользова ны в качестве констру кционных материалов . Попытк и использов ать эти мате р и ал ы в качестве защитных п о­ кр ыти й оказались неудачными . Н а п р и мер , п олиэтилен , н а н есен ­ ный н а металл нап ыле нием, разрушался , плакиров а н ный поли ­ этилен , н аклеенн ый н а стеклопласти к, сорв а л о . 16

н.

и . П ыл ае11

24 1

С реди покрыти й наиболее стойким оказалось н а н р итавое п о ­ к рыти е ( 1 7 ч д о разр ушен и я ) . Конструкци онные пластмассы- стеклопласти ки-имеют очень низкую кавитационную стойкость (2 ч до разрушен и я ) . Такая же н изкая стой к ость и у эпоксидн ых и полиэфи рных смол , явля ­ ющи хся связующи ми компонентами стеклопласти ков . Повышен ная стойкость некоторых пластмасс объясняется демп ­ фи рован н ем гидравлического уда р а п р и смыкан и и кавитационной п олости . Причем демпфи рование может п роисходить как за счет уп ругой , так и за счет пластической деформаци и матер и а л а .

Р и с . V I . 1 1 . Состо я н ие обр азцов после 5 2 ч испытаний н а удар но-эрозионном стенде (n = 2000 об/мин) : а ­ стал ь 1 Х 18Н IOT ; б - пол иэтилен высокой плотности

В п . 4 был р ассмотрен уда р жидкости о твердую стенку. С уче­ том у п р угой деформаци и материала у р авнение гидраудар а п р и ­ мет вид [33 1

(VI . 5) где р - плотность жидкости ; v - скорость удар а жидкости ; р - давлени е в момент уда р а ; Е ' - модуль у п ругости жидкости (для в оды Е ' 2 · 1 0 4 кгс/см2) ; Е " - модуль у п ругости твердого =

тел а . Для стали Е " (2 . l 0 6 кгс/см2) н а два порядка больше Е ' , сле ­ довательно, вторым членом можно пренебречь , и тогда у р ав не­ ние (VI . 5) п рев ращается в р ассмотренные р анее (1 . 1 5) . Для у п р угих материалов типа каучуков , у которых Е " = � 80 кгс/см 2, второй ч.пен у р ав нения (V I . 5) б удет оп ределяющ им . В этом случае давление в момент уда р а будет в 1 4 раз мен ьше , чем н а стальной поверхности . Полиэтилен нельзя отнести к р а з ­ ряду чисто у п р угих матер и а.rюв . Он характеризуется замедлен­ н ым в осстановлением первон ачальной формы. Демпфи ров ание кавитационных гидрауда ров н а п олиэтиле н е п р о исходит скорее з а счет п ластической деформации материал а . П р и этом , в следствие высоки х усталостных характеристи к , в ы 24 �

колов о•гдел ьных частичек материала не п роисходит - материаJi мнется , н о не разр ушается . Кавитационная стойкость некоторых пластмасс была п р оверена в натурных условиях . Ш и р око и сследованы покрытия эпоксид­ Н Ы l\I И с!lюлами , которые наносились н а лоп асти рабочего колеса р адиально-осевых турби н и камеру р абочего колеса п оворотно­ лопа :тных турби н . Н а в сех объектах , даже при слабой и нтенсив ­ ности кавитационного в оздейств и я , н аблюдался отрыв и разруше­ ние покрыти й . Н а п ример , н а Камской ГЭС, на горизонтал ьной турбине (N 4,5 м) покрыти е 2 1 800 кВт, Н = 16 м , D 1 =

=

Рис. VI . 1 2. Кавитационное р азрушен ие эпоксидноrо по­ крытия н а камере р абочего колеса Нижие - Камской ГЭС

из эпоксидной смолы с н а п ол нителем в в иде ква р цевой п ыли и л и электрокорунда (50 в ес . ч . ) было нанесено н а камеру р абочего колеса . При осмотре после 3600 ч эксплуатации было обн а р ужен о , что н а 40 % площади покрытие отсутств ует, п ри чем наблю­ дается как скалывание, так и кавитационное разрушение покры­ тия (рис. V I . I 2) . В то же в ремя и нтенсивность эроз и и камеры отн осительно н ев ысока - за 19 000 ч углеродистая стал ь разру­ шается на 3 мм . В н атурных услов и я х были и сследованы также н а н р итавые nокрыти я . Было п оставлено несколько опытов , одн ако п оложи ­ тельных результатов и в этом случае не было достигнуто - по­ крытие срывало. Так, н а п ример , на Н а рвской ГЭС образцы с наи­ ритовым покрытием были установлены в камере рабочего колеса турбины . Материал образцов - сталь 20ГСЛ . П р и осмотре, п ро­ ведеи н ом через 3 года эксплуатации ( 1 5 000 ч) , н и на одном из образцов покрытия н е было обна ружено и уже разрушалея основ ­ н о й материал образцов . Однако н а обр азцах с покрытием разру­ шен и е заметно мен ьше, чем н а контрольных образца х без покры­ ти я . Очев идно, покрытие было р а з рушено н е сразу п осле начала экспл уатаци и , а через 1- 1 , 5 года . ".._,

1 6*

243

Н наст о я щее в ремя н а тур б инах гидроэлектроста нци й СССР пластмассы в качестве защитного кавитационноетой кого покр ы ­ тия н е н а шли п р и менен и я , одн ако р аботы в это111 н а п р авлени и в едут ся . 31 . В О С СТАН О В Л Е Н И Е Д Е ТАЛ Е Й ТУР Б И Н , Р А З Р У Ш Е Н Н Ы Х К А В И ТАЦИ Е Й .

ОРГАН И З АЦИ Я Р Е М О Н ТН Ы Х Р А Б О Т

В п роцессе эксплуата ции турбин детали п р оточной части , н есмотря н а п р и н ятые меры защиты , п одвергаются в той ил и и ной степени кавитационной эрози и . В п п . 1 0- 1 2 была рассмотрен а кавитацион ная эрозия п оворотнолоп астных , ради ально-осевых и ков шовых гидротурби н . Необходимость в осстан овлен и я деталей , ра зр ушен н ы х кавитацией, обычн о оп ределя ет сроки вывода агре­ гата в кап итальный ремонт. Н а многих ГЭС п р одолжительность межремонтного периода р аботы агрегата измеряется в годах . Этот показатель фиг у р и р ует также в п р авилах технической эксплуатаци и . В то же в ремя и счислени е межремонтн ого периода в годах ничего не оп р еделя ет. Действительно, для разных ГЭС в р емя р аботы агрегата в течение года р азлично, н а п р и мер турби н ы Плявинской ГЭС р аботают в году 1 500 ч , Б р атской ГЭС - 8000 ч . А степень эрозии при п рочи х равных услов и я х оп р еделя ется п р одолжительностью экс­ пл уатаци и . Из этого следует, что более п р авильно межремонтн ый период в ы р а жать в часах р аботы агрегата . Продолжительность межремонтного периода зависит от и нтенсивности кав итационной эрозии и доп усти мого объема раз р ушен и й . Интенсивность кавитационной эрозии н а турби н а х действу · ющи х ГЭС уже была рассмотрен а . Что касается доп усти мого объема разр ушен и й , то следует различать две стороны этого во· п р оса : во-первых , степен ь разрушен и я должна п озволять п роиз­ в одить р емонт детал и на месте; во-вторых , разр ушен и я н е должн ы существен н о сказываться н а к . п . д. турби н ы . Первая сторон а в о п р оса х а р а ктер н а дл я р емонта детали из нержавеющи х сталей. Известно, что в этом случае большой объем н а плавочных р абот н едоп усти м без соответств ующего п одогрева детали . Осуще­ ствлен и е п одогрев а на ГЭС затруднено и , следовательно, н у ж но огран ич ить объем н аплавки . Для нержавеющей стал и 20Х 1 3Н Л (в св язи с ее большей склон ностью к п одкалке) объем н а плав ки должен быть зн ачительно меньше, чем для стали ОХ 1 2НДЛ . Оп ыт п р ов еден и я ремонтн ых р абот показыв ает, что п р и зав а р ке кавитаци он ных разр ушен и й глуби ной 5-8 мм н а стали 20Х 1 3НЛ и 1 0- 1 2 мм н а стали ОХ 1 2НДЛ трещи н не образ уется . Эти г.'lу· би н ы и следует, очевидно, п р и нять в качестве доп усти мых п р и назначении срока ремонта . Для деталей с нержавеющим защитным слоем целесообразно п р оизводить ремо н т п осле разрушен и я з а· щитного слоя . Угл ероди стые стали доп ускают значительно б о льшие объе 111 ь1 напл ав ки без п одогрев а , п р и этом глав ным станов ится фактор ,....__

244

снижен и я к . п . д. турби н ы . Н а некоторых ГЭС путем замера к . п. д. относител ьным методом обн а р ужен о, что при з н ач ительных к ав и тационных разрушен и я х н аблюдается з аметное снижен и е к . п . д . , достигающее 1-2 % . В этом случае в ыбор с роков ремонта определя ется экономически ми сообр ажен и я ми . В работе [ 27 ] доказыв ается , что п р оведен и е ремонта экономи­ чески оп р авдано уже п р и снижени и к . п. д. н а 0 , 2 % . В этой же работе р екомендуется оп редел ять н а и в ыгоднейший межремонтный период п утем п одсчета ч асовой амортизации А стои мости ремонта , п роизведенного после Х ч работы турби н ы , и средней часовой стои мости потерь от снижен и я к. п. д. В . В ремя , через которое н еобходи мо п роизводить ремонт, оп ределится абсциссой мини мума кривой А + В (рис. V I . 1 3) . Обыч­ н о для крупных гидротурбин р аз ­ р ушен и е деталей из углеродистых сталей допускается до 20-30 мм, что составляет п о отношени ю к ди аметру п р и мерно 0 , 004 . Межремонтный период в сред­ нем н е должен быть меньше А 20000 ч . Фактически н а многи х х гидроэлектростан ци я х межремонт­ ный п е р и од дости гает 30 000 ч Рис. VI . 1 3. Графическое определе­ и больше. н ие н а ивыгоднейшего време н и ре­ монта Х а р а ктерная особенность ре­ монта деталей гидроту рбин , раз­ рушенных кавитаци е й , заключается в том, что ремонт, как п р а ­ в и л о , п р оизводится без демонтажа агрегата . Весь цикл ремонта можно р аздел ить н а т р и эта п а : 1 ) п одготовительные р аботы ; 2) удален и е металл а , разр ушенного кавитаци е й ; 3) в осстановлен и е детали д о первон ачал ьного п рофиля . Подготовительные р аботы состоят и з осушен и я п р оточной части турби н ы , установ ки лесов п од р абоч и м колесом, п р ов одки в р еменного освещени я , составлен и я формул я р а кав итацион ных р а з р ушени й и уточнени я объема ремонтн ых работ, п рокладки сва рочных кабелей и в оздушных шлан гов , монтажа системы в енти л я ц и и и средств пожарной безопасн ости . Н ужно отметить большое разнообразие конструкци й вспомо­ гательного оборудов а н и я для р емантов н а ГЭС. Причем р емонтное обор удов ание отл ичается н е только п отому, что оно используется для турбин разных типов , оно отличается и дл я одноти п н ы х и даже для одинаков ых турбин . Н а п р и мер , од ина ковые турби н ы Усть- Каменогорской и Днеп ровской ГЭС и меют совершен н о р азное в спомогательное обор удов ание для ремонта . Б ольшинство констр у к ци й лесов , освещени я , венти л я ци и ­ местного п р оизводств а , л и шь в п оследнее в р емя заводы-изго тов и 245

teJI И вместе с поставкой турбин ы п оставляют и оборудование дл я ремонт а . В качестве п римера рассмотрим конструкци ю лесов , устанавливаемых под р абоч и м колесом турби ны Красноя рекой гидроэлектростанци и (рис. VI 1 4 ) Леса состоят из центральной стойки 1 , с которой ш а р н и р н о соеди нены балки - лучи 2 . Пери .

.

�1

Рис. V I . 1 4 . Конструкция лесов турбины l(расноярской ГЭС

фери йные концы этих балок с п омощью тяг 3 п одвешиваются к лопастям р абочего колеса . Н а балки устанавливаются рифленые л и сты 4. Центральная стойка фланцем крепится к кону с у р абочего колеса . Опускани е лесов п од р абочее колесо п роизводится через центральное отверстие в ал а турбины, п р и этом балки сложены . После опускан и я и креплен и я центр альной стойки к конусу балки р азводятся в стороны и п одвешив аются к лопастям. Грузо ­ п одъемн ость лесов такой конструкции до 5 те.

246

Металлические леса обеспечивают пол н ую п ожа р н ую безоп ас­ ность при сва роч ных работа х . Дерев я н ные настил ы , п р и меняемые н а некоторых ГЭС, могут загореться , особенно п р и в оздушно­ дугов ой строжке , когда с лопасти сдувается р асплавленный металл . Б ол ьшое значен и е п р и ремонт­ н ых работах и меет п р авильное освещение. Н а ГЭС при ремонте деталей п р оточной части устанав ­ ливается стаци о н а р н ое общее и переносное местное освещение.

Рис. VI . 1 5. Схема вентиляции камеры р абочего колеса турбины Братской ГЭС

Стационарн ое освещение выполняется в в иде ги р л я нд и л и п ро­ жектор ов . Применяемое н а п р я жен и е для ги рлянд 36 В, мощность ламп 60 Вт. Дл я п рожекторов н а п р я жение 220 В , мощность ламп 200 Вт. Местное освещени е выполняется с п омощью переносных л·а мп н ап р яжен и ем 12 В, мощностью 40 Вт. При использов а н и и н а п р я жени я 220 В особое в н и м а н и е должно быть обращено н а надежную изол я ци ю токоведущи х кабелей. 247

Св а роч ные работы п од р абочим колесом требуют хорош ей венти л я ци и . Н а ГЭС встречаются са мые разнообразные схе м ь1 вентил яции камер рабоч и х колес . В качеств е н а иболее рационал ь. н ой рассмотрим схему венти л я ци и , п р и менеи ную н а турби н е Б р ат­ ской ГЭС ( рис. V I . l 5 ) . По этой схеме в оздух п од р абочее колесо п одается и з 1\Iаши н н ого зала через полый в а л агрегата . Н агнета­ ющи й в ентил ятор 1 устанавливается н а н адстав ке в а л а генер а­ тора . З агрязненный в озДух отсасыв ается через спи р ал ь н ую ка­ мер у , напорный т рубоп р ов од 2 и аэр ационную трубу 3 в атм о­ сферу . Отсасыв ающи й вентилятор 4 уста н авлив ается н а выходе из аэр ационной т р убы. Схема в енти л я ци и в летнее и зимнее в ремя н е меняется , поэтому п од р абочее колесо в любой пери од в р емен и п одается теплый в озду х . При одн ов р емен ной н аплав ке, п роизводи мой шестью сва рщи ками , эта схема в енти л я ци и обес­ п ечив ает н ормальные услов и я работы . Кавитационные поврежден и я в гидротурби нах в стречаются как ч и сто эрозион н ого п р оисхождени я , так и механического (вследстви е п ул ьсаци и каверн ы) , когда п рои сходит отрыв за ­ щитного покрыти я . Н а р и с . V I . l б п р иведен ы х а рактерные п р и меры кавитаци онной эроз и и лоп асти р абочего колеса ради ально-осевой турби н ы и отрыв обл и цов ки н а камере р абочего колеса поворотнолопастной турбины. Удален и е разрушенн ого кавитацией металла п роизводится п утем шлифов ки и л и п р и п омощи в оздушно-дуговой строжки . П р и н ебольших глуби н а х разр ушени й , характер н ых для деталей из нержавеющи х сталей , обычн о п рименяется шлифов к а . На дета­ л я х и з углеродистой стали разрушен ный металл , как п равило, удаляется в оздушно-дуговой строжкой . Строжка в ыполняетс я угольными электродами . После строжки п оверхность целесо­ образно п рошлифов ать до п ол учени я чистого металла . В оздушно­ дугов ая стр ожка вследстви е в ысокой п роизводительности , отно­ сительно н ебольшага разогрев а основ ного металла п олучает все большее распространение п р и ремантах гидроту рби н . В осстан овлени е деталей , разрушенных кавитаци е й , р ассмо­ трим отдел ьно для углеродистых и нержавеющи х сталей . Н а деталя х и з углеродистых сталей р аз р ушен и я Появляютс я в первый же период эксплуатаци и . Очень в ажно своев ременн о п р овести р емонтные р аботы. В ыше было р ассмотрено в л и я н ие эроз и и н а к . п . д . Кроме того, задержка в ремонте в ызыв ает сер ье з ­ ные разр ушен и я , которые исключают в осстановлени е п утем н а· плавки и требуют в ырезки крупных п ов режден ных участков и устан ов к и в ставок. Так, н а п р и мер , первый р емонт р абочего ко­ леса (материал - ста.Тiь ЗОЛ) н а Мин гечаурской ГЭС был п р оведе н через 28 000 ч эксплуатаци и . За это в р емя были полностью р аз· р ушены выходные к р оl\l ки лопастей ( р и с . V I . l 7) , н а в х одн ых к ро м­ ках-р а з р ушен и я достигли глуби н ы 30 мм. Ремонт был длител ь ­ н ым, с больши ы объеl\lом р абот , п р ичем на многи х лоп астях былl! устан овлены встав ки . 248

О бычно восстановление деталей до первоначальноrо профиля п роизводится наплавкой, при этом два-три п оследн и х слоя вы­ пол н я ются нержавеющим и (электроды ЦЛ - 1 1 , ЦТ- 1 5) . Для боль-

Рис . Vl . 1 6. Разрушение лоп асти р абочего колеса р адиально-осевой тур­ бины (а) и обрыв защитной обл ицовки камеры р аб::>чеrо колеса позо­ ротнолопастной турбины (б)

ших площадей р аз рушени й нап л ав ка. становится весьма длител ь­ ны м и трудоемким п роцессом. Кроме того, большой объем н а ­ плав ки мо жет п ривести к недо пустимым дефор маци я м детал и . В связи с этим для ремонта камер поворотнолопастных турбин

24 9

широко п р и менялась обли цов ка полосами нержавеющей стали Х 1 8Н9Т ш и р и ной 40-50 мм. Одн ако наблюдаемый н а многи х ГЭС отрыв облицовки заставляет опять вер н уться к в осстановле­ нию деталей п р и помощи наплав ки . Н ужно, п равда , отметить , что в о многих сл учая х отрыв обли цов ки объясняется н аруше ­ н и ем техн ологи и п риварки п олос : в место п оложенных трех швов , п олосы сбли жаются и свариваются одн и м шво м . Иногда допускаются неп ров а р ы , вследстви е чего п од обли цов ку попадает в ода . В следствие знакопереыен ных нагрузок, возни кающи х в по -

Р не.

VI . 1 7 .

Разрушение выходных кромок лопастей Минrечаурской ГЭС

токе п р и п р охождении л опасте й , п од об л ицовкой в озникает п уль­ си рующее давление, способствующее разрушен и ю основного ма­ териала камеры . Разр ушен и е металла п роисходит также под швом соседней nлан ки , и в ода р асn ространяется все дальше. Таким образом отслаиваются з н ачительные п о в еличине участки обл и цованной п оверхности камеры (р ис. V I . I б, 6) . О вли ян и и качества п рива рки обл ицов ки можно судить п о тому факту , что на одн ой и той же гидроэлектростанции срывается на одн и х агрегатах д о 50 % обл и цовки , н а других - до 1 % . В т о ж е в р емя , н а п ри мер н а Цимл янской ГЭС, обли цовка сох ранилась полно­ стью. К существенным н едостаткам метода реr.юнта с помощью обл и ­ цов ки следует отнести сни жени е п р очностны х х а рактер исти к де­ тал и . Исследован и я , п р оведеиные ЦН ИИТмашем, показали , что устзлостная n рочность обли цов а н н ы х образцов снижается п ри ­ мер но в два раза [22 ) . Сн ижени е усталостной п р очности может

25()

быть в и звестн ой степени доп ущен о дл я камер р абоч и х колес , залитых в бетон , н о совершен н о н едоп усти мо дл я лоп астей , испы­ тыв ающи х п овторно-леремен н ые н а грузки и могущи х свободн о дефо рми р оваться . В н астоящее в ремя обли цов ка п р и ремантах п рактически н е п р и меняется , сорв анные с детал и куски обли цов ки восстан авл и ­ ваются н аплавко й . Дл я наплавки п р и мен яются электроды марок ЦЛ- 1 1 и ЦТ - 1 5 . Н а в н ов ь вып ускаеl\IЫ Х турби н а х п р и менен и я обл и цов ки дл я ремонта н е требуется , п оскольку все детали п р оточной части турби н ы , подвержен ные кавитационной эрози и , изготовляются и л и цели ком и з нержавеющей стали или · с защитны м слоем и з нержавеющей стали . В осстановление детали и з нержавеющи х сталей п роизводится н а п лав кой . Детали и з сталей 20Х 1 3НЛ и О Х 1 2НДЛ н аплавляются , как п р авило, электродами ЭА-395/9 или ЦТ- 1 0 без п одогрев а . Стал ь О Х 1 8Н 3Г3Д2Л н аплавляется электродом ЦЛ -33 ( 1 Х 22Н9) или ЦЛ - 9 . Б и металлические детали восстанавливаются с учетом материала защитного слоя . Н а н екоторых ГЭС н ебольшие кавитаци о н н ые разр ушен и я гл уби н о й 0 , 5- 1 , 0 мм зашлифовываются и н е зав а р и в аются . Такой метод н е дает существенного уменьшен и я в скорости эрози и , и скажает п р офил ь лопасти и может в ызвать доп ол н ительные разр ушен и я з а образовав шейся н еровн остью. В дальнейшем местные зашлифов ки создадут известные трудности при в осста ­ н овител ьных работах (увеличивается объем наплав ки , неточ н о устанавливается контрол ь н ы й шаблон и т . д. ) , п оэтому о т этого метода следует отказаться . В осстановительная н аплавка как н а углеродист ы х , так и н а нержавеющи х стал я х п роизводится н а постоя н ном токе обратной п ол я р н ости . Для ручной сварки и в оздушно-дуговой стр ожки н а ГЭС п р и мен яется следующее оборудов а н и е : сва р оч н ые п реобразов а ­ тели ПСМ- 1 000, ПСО-500, ПС-300 ; ба лластные реостаты Р Б -300 , Р Б -3 1 5 , Р Б -900. Испол ьзов а н и е многопостовы х и сточ н и ков п и ­ тани я т и п а ПСМ- 1 000 п р едпочтительнее, т а к как позвол я ет сок р а ­ тить количество един и ц св а р оч ного оборудова ни я и т е м самым умен ьшить зани маемую площадь и уп ростить обслуживан и е . Н а некоторых гидроэлектростан ци я х п р и ремонте п р и мен я ется пuлуавтоматическая наплавка в среде углекислого газа . Такой в ид наплавки п озволяет п ов ысить п роизводительность труда и сокр атить трудоемкость последующей обработки наплавлен н о й п оверхности [43 ] . В осстанов ительн ая наплав к а должна выпол н яться н есколько п ол н ее с учетом п оследующей шлифов ки . Проверка качеств а вы­ п ол н ен н ы х р абот п роизв одится п утем наложени я шаблонов . П р и это м неточиости формы и размеров детал и , допущенные п р и ремонте , н е должны п ревыш ать доп уски , зада н ные чертежом . 251

С П И С О К Л ИТЕРАТУР Ы

1 . А б е л е в А. С. Перспективы НИР в области гидротурбинных блоков и развитие экспериментальной базы ВНИИГ. - «Труды координационных со­ вещаний по гидротехнике», 1 965 , вып. 22 , с. 7- 1 6 . 2 . А г р а н а т В. А. О вли янии воздухосадержания н а плоскую пленочную кавер ну. - «Труды ЦКТИ», 1 965 , вып. 6 1 , с. 1 47- 1 65. 3. А к у л и ч е в В. А. , Р о з е н б е р г Л. Д. О некоторых соотношения х в кавитационной области. - «Акустический журнал», 1 965 , т. 1 1 , вып. 3, с. 287293. 4. Б а р к о в Н . К. , К у з е в а н о в Н. М. Вли ян ие выпуска воздуха на кавитационный износ радиально-осевых рабочих колес. - «Электр ические стан­ ции», 1 96 8 , .N'2 3, с. 80-8 1 . 5 . Б о г а ч е в И . Н . Кавитационное разрушение и кавитационноетой кие сплавы. М. , «Металлургия», 1 972 , 1 89 с . 6. Б о г а ч е в И . Н . , М а л и н о в Л . С. , М и н ц Р. И. Новые кавитацион­ ноетойкие стали дл я гидротурбин и и х термообработка . М. , НИИИНформтяж­ маш, 1 967. 7. Б у с ы р е в А . И . , И с а е в Ю. М. , С т а р и ц к и й В. Г. Исследова­ ние нестационарных явлен и й и кавитации в гидротурбинах. - «Труды ЛПИ», 1 967, ,N'g 286, с . 79-86. 8. Б у с ы р е в А. И . , С т а р и ц к и й В. Г. Исследован ие кавитационной эрози и на моделях РО гидротурбин . - «Энергомашиностроение», 1 970, .N'2 3, с. 36-39. 9. В а р г а И. И. , Ч е р н я в с к и й Б. А. , Ш а л ь н е в К. К. О методе исследования масштабного эффекта кавитационной эроз и и . - ЖПМТ Ф , 1 963, ,N'g 3 , с. 1 22- 1 29. 10. В о е в о д и н С. И . Измерение концентрации свободного воздуха в воде кавитационной трубы. - «Труды ЦКТИ», 1 97 1 , вып. 1 06, с . 1 02 - 1 09 . 1 1 . В о л и н В. Э. , Л у н а ц и Э. Д. Ускоренное определение качеств гидро­ машин с помощью легкоразрушаемых лаковых покрытий . -«Труды ВНИИгид­ ромаШ>>, 1 968 , вып. 37, с. 1 22- 1 3 1 . 1 2 . В о р о б ь е в Н . Б . , П у п к о Т . Е . Гидротурбинная лабор атор ия ХТГЗ . - «Энергомашиностроение» , 1 966 , .N'2 8 , с. 1 0 - 1 1 . 1 3. Г а в р и л о в Л . Р . Исследование объемной п р очности жидкости ультра· звуковым методом. - «Труды ЦКТИ», 1 967, вып. 79 , с. 1 44- 1 52 . 1 4 . Г а в р и л о в Л . Р. Экспер иментальные исследования спектрального распределен и я ядер кавитации в воде. - «Энергомашиностроен ие» , 1 966, .N'2 2 , с. 4 1 -42. 1 5. Г е л ь м а и А. С. , П ы л а е в Н. И . , Ц е м а х о в и ч Б. Д. Повыше· ние кавитационной стой кости издели й п р и помощи облицовки свар кой взрывом. «Энергомашиностроение» , 1 967, .N'2 1 2 , с. 34-35. 1 6 . Г е о р г и е в с к а я Е. П. Кавитационная эрозия гребных винтов и методы борьбы с ней. Л . , «Судостроение», 1 970. 1 7. Г л и к м а н Л . А. Коррозионно-меха ническая прочност ь металлов. М . -Л . , Машг и з , 1 955 , 1 1 5 с. 1 8 . Г о р ш к о в А. С. , Р у с е ц к и й А. А . Кавитационные трубы. Л . , Судпромгиз, 1 962 , 1 67 с . 1 9 . Г р и в н и н Ю . А . О механизме кавитационной эрозии п р и пленочны х формах кавитаци и в лопастных сис1 емах гидротурбин. - «Труды ЦКТИ», 1 97 1 , вып. 1 06 , с . 1 09 - 1 24. 20. Г р и в н и н Ю. А. , Э д е л ь Ю . У. О кавитацион ной эроз и и в гидра · турбинах. - «Энергомашиностроение», 1 970 , .N'2 1 , с . 5-8 . 2 1 . Е р а ш о в А . Ф . , М а л ы ш е в с к а я Е . Г. , П ы л а е в Н . И . , Ф е · д о р о в а Л . М. Исследование кавитационной стойкости наплавок, п р име няе · мы х в гидротурбостроении. - В сб . трудов ЛМЗ «Материалы, п р именяемые в турбостроению> . Л . , 1 97 1 , .N'2 1 3 , с . 1 42- 1 56. 22. 3 а й ц е в Г. 3 . , П о н а м а р е в В. А . Пр очиость облицованных де · талей гидротурбин п р и действии циклических нагрузок . - «Энергомаши но· строение», 1 967, .N'2 6 , с. 35-38. 252

23. 3 е л ь д о в и ч Я . Б . - ЖЭТ Ф , 1 942 , т. 1 2 , с. 525-537. 24. К а н а в е л и с Р. Струйный удар и кавитационное разрушение. «Trans. ASM E , s. D», 1 968, .N'2 3, с . 39-48. 25. К в я т к о в с к и й В. С. Диагональные гидротурбины. М. , «Машино­ строен ие» , 1 97 1 , 208 с. 26. К в я т к о в с к и й В . С. О кавитационных свойствах гидротурбин. «Труды МЭИ», 1 956, вып. 1 9 , с. 329-353. 27. К е р м а б о н Р. , Т у в е н и н Ж. Восстановление рабочих колес гидротурбин на гидростанциях Франции. М. , Госэнергоиздат, 1 957, 24 с . 2 8 . К о в а л е в Н . Н . Гидротурбины. Л. , «Машиностроен ие» , 1 97 1 , 584 с . 29 . Справочник конструктора гидротурбин. Под ред. Н . Н . Ковалева . Л . , «Машиностроен ие» , 1 97 1 , 304 с . 30. К о з ы р е в С. П. Гидраабразивный износ металлов п р и кавитации. М. , «Машиностроен ие» , 1 97 1 , 240 с . 3 1 . К о з ы р е в С. П. О кумулятивном за хлопывании кавитационных ка­ вер н . - «Trans. ASME , s . D», 1 968 , .N'2 1 , с . 1 28- 1 37. 32. К о л т о н А . Ю. , У м и к о в И. Н . , Э т и н б е р г И. Э. Основные прин­ цилы созда н и я новой номенклатур ы крупных ПЛ и РО гидротурбин. - «Труды ЛМЗ», 1 964 , .N'2 1 0 , с. 39-50. 33. К о н о в а л о в В. М. , Ш а б а л и н К. Н. К теор ии защиты металлов от ка витационного износа резиновыми покрьпиями. - «Защита металлов», 1 965 , ,N'g 5, с . 494-50 1 . 34 . К о р н ф е л ь д М . Упругость и прочность жидкостей. М. , ГИТЛ , 1 95 1 , 1 08 с . 35. К р я н и н И . Р. Металлы дл я гидротурбин. М. , «Машиностроен ие» , 1 969, 230 с . дл я гидротурбин. - «Труды 3 6 . К р я н и н И . Р. Исследование металлов ЦНИИТмаш», 1 972 , .N'2 1 0 1 , 62 с . 37. К у д р о в Н. Д. , Д е к с т е р А. Х . , Л и у к о н е н Ю. Н. Оборудо­ вание первой очереди новой лаборатор и и гидротурби н. - «Труды ЛМЗ» , 1 964, ,N'g 1 0 , с. 279 - 292. 38. Л о й ц я н с к и й Л . Г. Механика жидкости и газа . М. , «Наука», 1 970. 39. Л о м а к и н А. А. Услов� я п одобия п р и исследовани и н а моделях гидравл ических машин. - «Труды ЛПИ», 1 96 1 , .N'2 2 1 5 , с. 7-28. 40. Л ю б а р ц е в П. Т. Результаты испытаний по исследованию пульса­ ций давления в проточной части турбин Б р атской ГЭС. - «Труды ЛМЗ», 1 969 , ,N'g 1 2 , с. 286-292. 4 1 . Модельные исследован и я гидротурбин . Л . , Машиностроен ие, 1 97 1 , 286 с. Авт. Ф . В. Аносов , А. В. Белобородов, М. В. Гущи н , С. С. Кузминский , М. С. Куста нович , В. М. Малышев , Н. И. Пылаев. 42 . Международный код модельных пр иемо-сдаточных испытаний гидравли­ ческих турбин. М. , Комитет п о участию СССР в международных энергетических объединениях , 1 967, 53 с. 43. М и л и ч е н к о С. Л . Ремонт кавитационных разрушений гидротурбин. М. , «Энергия», 1 97 1 , 1 05 с. 44. М о р о з о в А . А . ред. Турбинное оборудование гидроэлектростанций. М. , Госэнергоиздат, 1 949, 360 с . 45. Н о д е С. , Э л л и с А. О механ изме кавитационных разрушен ий непалу­ сферическими пузырькам и , смыкающимися при конта кте с твердой пограничной повt;рхност ью. - «Техническа я механика» , 1 96 1 , .N'2 4 . 46. Н у м а ч и Ф. , О б а Р. , Ч и д а И. Влияние шероховатости повер хности на кавит ацион ные характер исти ки гидропрофилей . - ТОИР , 1 965 , .N'2 2 , се­ рия D, с . 269-280. 47. О р л о в В. И. Гидродинамические силы, действующие в направляющем аппарате ковшовой турбины. - «Труды ЛМЗ» , 1 96 1 , вып. 8, с . 296-304. 48. П е р н и к А . Д. Новая методика кавитационных испыта ни й м оделей гидротурб ин. - «Тр уды ЦКТИ», 1 964 , вып. 46 , с. 25-40. 49. П е р н и к А. Д. П робле�ш кавитации . Л . , «Судостроен и е», 1 966 , с. 439. 50 . П л е с с е т М. С. И мпульсный метод получения кавитацио нной эрозии . ­ «Тnаns. A SME , s . D» , 1 963, .N'2 3. ·

253

5 1 . П р о с т а к Ф. А. Некоторые особен ности методики и тех ники кави­ тацион ных испытаний модельных гидротурбин. - «Труды ЛМЗ» , 1 955, вып. 1 , с . 8 1 -9 1 . 52. П ы л а е в Н . И . Влияние интенсивности кавитации н а стой кость ма­ териалов. - «Энерго�fашиностроение», 1 964 , .N"2 1 0 , с . 26-29. 53. П ы л а е в Н . И . О кавитационной эрозии р адиально-осевых гидротур­ б и н . - «Труды ЛМЗ», 1 964 , .N"2 10, с . 229-240. 54. П ы л а е в Н. И . , С о т н и к о в А. А. Об электрохи�шческих методах защиты гидротурбин от кавитационной эрози и . - «ЭнергФfашиностроен ие» , 1 968, .N"2 2 , с . 26-29. 55. П ы л а е в Н. И . , С о т н и к о в А. А. О масштабном эффекте кави­ тационной эрози и . - «Энергомашиностроен ие» , 1 972 , .N"2 1 2 , с . 4 - 7. 56. П ы л а е в Н. И . , С о т н и к о в А. А . Ударные импульсы при кави­ тации в потоке. - «Энергомашиностроение», 1 97 1 , .N"2 5 , с . 36-39. 57. Р у к и н С. П. , С т о п с к и й С. В. Стробоскопические н аблюдения при кавитационн ы х испытаниях моделей турби н . - «Труды ЛМЗ», 1 955, вьш . 1 , с . 92- 1 03. 58. С а б а н е е в А . А. , Ч и с т я к о в А. М . Я вление кавитации в гидро­ турбинах и условия их бескавитационной работы. - «Известия ВНИИГ» , 1 95 1 , т . 44, с . 1 60 - 1 70. 59. С а г а в а Т. Уменьшение шума и вибраций в гидравлической турбине. «Trans. ASM E , s. D», 1 969 , .N"2 4. 60. С т а р и ц к и й В . Г. Высоконапорная кавитационная установка зам­ кнутого т и п а . - «Труды ЛПИ» , 1 96 1 , .N"2 2 1 5 , с. 47-57. 6 1 . Т и м е р б у л а т о в М . Г. Усовершенствование методи ки и определе­ н и я кавитационной стой кости металлов п р именительно к гидротурбинам. «Заводская лабораторию> , 1 968 , .N"2 1 2 , с. 1 508- 1 5 1 1 . 62. Т и р у в е н г а д а м А . Обобщенная теори я кавитационных разру­ шен и й . - «Тrans. ASME, s. D», 1 963, .N"2 2. 63. У э й д Р. , А к о с т а А . Исследова ние кавитирующих решеток профи­ лей. - ТОИ Р , 1 967, .N"2 4 , с . 1 - 1 4. 64 . Ф а с у л а т и Р. К. Опыт изготовлени я сварных лопастей для круп­ ной гидротурбины. - «Труды ЛМЗ», 1 964 , .N"2 1 0, с . 376-388. 65. Ф л и н н Г. Г. Физика акустической кавитации в жидкостях. - В кн. : Физическая акустика. Под ред. Мэзона , т. 1 , часть Б . М . , «Мир » , 1 967. 66. Х о л л И . В. , В и с л и с е н и у с Ж. Ф. Масштабные эффекты в кави­ тации. - «Техническа я механика», 1 96 1 , .N"2 3. 67. Х о л л, Т р и с т е р . Кавитацион ный гистерезис. - ТОИ Р , 1 966, .N"2 1 , с . 1 59- 1 7 1 . 68. Полвека н а службе электрификации. Под ред. П. С . Чер нышева . «Труды ЛМЗ», 1 967, 4 1 1 с. 69. Ш а л ь н е в К. К. Гидромеха нические аспекты кавитационной эрозии. «Известия АН СССР», 1 958, .N"2 1 . 70. Ш а л ь н е в К . К . Кавитация в гидродинамике . . - «Известия АН СССР» , 1 956, .N"2 8 , с . 72- 1 1 7. 7 1 . Ш а л ь н е в К. К. Масштабный эффект кавитационной эрозии. ЖПМТФ , 1 962 , .N"2 4 , с. 1 2 1 - 1 28. 72. Ш а л ь н е в К. К. Сопротивление металлов кавитацион ной эрози и в пресной и в морской воде . ДАН СССР , 1 954, .N"2 2 . 73. Ш а л ь н е в К. К. Энергетический п а раметр и масштабный эффект кавитацион ной эрозии. - «Известия АН СССР» , 1 96 1 , .N"2 5, с . 3 - 1 1 . 74. Ш а р а п о в Б . А . Кавитационные исследования диагональных ги дро­ турб и н . - «Труды ЦКТИ» , 1 97 1 , .N"2 106, с. 90- 1 02. 75. Ш л е м е н з о н К. Т . Экспериментальное исследование кавитацио н ­ ного обтека н и я изод ированных профидей. - «Труды ЦКТИ», 1 967, вып . 79 . с. 1 33- 1 43. 76. Ш м у г .'! я к о в Л . С. З ависимость кавитационного коэффицие нта гидротурбин от содержа н и я растворенного в воде воздуха. - «Энергомаш и но­ строение» , 1 956, .N"2 5, с. 1 1 - 1 4 . 77. Ш т е р н Е . П . И з опыта эксплуатации турбинного оборудования Водж· .

2 54

с ко й ГЭС и м . В. И . Лен и н а . - «Э нер r о м ашиностр оение» , 1 963, N2 1 0 , с. 24-27. 78. Щ а п о в Н . М . Наде ж н ость водян ых турбин н а опустен ие. - « Гидро техн ическое стр оительств о» , 1 933, ,N'g 7, с. 1 -Б . 79. Щ а п о в Н . М . Тур б и н н о е обор у дова н и е г и д р о ст а н ц и й М . , Го с э н ер г о ­ издат , 1 96 1 , 3 1 9 с. 80. Щ е г о л е в Г. С . Г и д р о т у рби н ы б ольш их ы ощносте й . - «Э н ерг о �I ашино­ стр оен ие» , 1 970, N2 4, с . 3-5. 8 1 . Э д е л ь Ю . У. Методы кавитационных исследова н и й в гидроту рбострое­ н ии . - «Труды Ц КТИ» , 1 97 1 , Ng 1 06 , с. 70-90. 82. Э д е л ь Ю. У. Ков ш овые ги др от ур бины. М. -Л . , Машгиз, 1 963, 2 1 1 с . 83. Э т и н б е р г И . Э. Теор и я и расчет проточ ной части п оворотнолопаст­ ных гидротурбин. М . -Л . , «Машиностроен ие» , 1 965, 350 с . 84. С о о k S. Erosioп Ьу Water На ттеr. - «Вrос. Roy. Soc. » , 1 928, v. 1 1 9А. 85. Е d е 1 Jп. U . , G r i v п i п J п. А . , К о v а 1 е v N . N . , S h а r а р о v В . А. Study of cavitatioп оп B1ades of а H igh-Head AdjustaЬle-B 1 a de Water Tur­ Ь iпe. - «J A N R X IY Coпgress» , Vol . 5 , 1 97 1 , Paris. 86. Н u t t о п Р. Nat ioпa1 Eпgiпeer iпg Laboratory. - N E L Fl u i ds Report No. 84, V l l l , 1 959 . 87 . G е r Ь е r Н . Sоте reflect ioпs оп тоdеrп sca1e forтu1ae for cavitat ioп · р hепотеп а . - «Cavitat ioп iп H y drodyпaтics» , Lопdоп , 1 956. 88. J а т а z а k i G . Cav itat ioп Erosioп оп the Back of Peltoп Turb lпe Bu­ cket. - « I A H R Syтposiuт оп Cav itat ioп апd Hydraul ic Mach iпery» , 1 962 , pa­ per No. 1 3-3. 89. J о h п s о п V . Е. Mechaпics of Cav itat ioп. - ASC E , 1 963, v. 89 , No. 3. 90. К е r r S. Z. , R о s е п Ь е r g К. Ап l п dex to Cavitat ioп Erosioп Ьу теапs of R a d io-lsotops. - «Тrапs. ASME», 1 958, v. 80 , No. 6. 9 1 . К п а р р R . Т. Accelerated Fiel d Tests of Cav itat ioп lпteпsity. - «Traпs. ASME», 1 958, v. 80, No. 1 . 92. К п а р р R . Т . Further Studies o f the Mechaп ics апd Da тage Poteп­ t ial of Fixed Туре Cavit ies. - «Cavitat ioп iп Hydrodyпaтics» , Lопdоп , 1 956 , . No. 19, р. 1 -19. 93. К п а р р R . Т. Rece:It l пvest igat ioпs o f t h e Mechaпics o f Cav itat ioп' апd Cav itat ioп Da тage. - «Traпs. ASME», 1 955, v. 77. 94. К п а р р R . Т. , Н о 1 1 а п d е r А. Laboratory l пvest igat ioпs _of the Mechaпisт of Cavitat ioп. - «Traпs. ASME», 1 948, v. 70. 95. М о u s s о п 1 . U . Pitt iпg Resistaпce of Metals uпder Cavitat ioп Coпdi­ t ioпs. - «Тrапs ASME», 1 937, v. 59. 96. N е с h 1 е Ь а М. Das РrоЬlет der Kavitat ioп. - «Maschiпeп bautechпik» , , 1 955 , 2 , 8 1 . 97. N u т а с h i F . Cavitat ioп Теь: o f Hydrofoils iп Cascade. - «Traпs. ASME» , 1 953, v. 7. 98. R а s т u s s е п R . Sоте Exper i тeпts of Cav itat ioп Erosioп , iп Water Mixed witg A I R . - «Cavitat ioп iп H y drodyпaтics» , Lопdоп, 1 956, No. 20, р. 1 -20. 99. Rayleigh. Оп the pressure Deve1oped iп а Liquid duriпg the Collapse of а Spherical Cavity. - «Phi l . Mag». 1 9 1 7, v. 34. 1 00. Parтakiaп , J асоЬsоп Measureтeпt of Hydraul ic Turb lпe v ibrat ioп. «Traпs. ASME», 1 952 , v. 74, No. 5. 1 0 1 . Р е t r а с с h i G . l пtorпo a l l ' iпterpretaz ioпe del processo d i corrosioпe · per cavitaz ioпe. - «La Metallurgia ltal iaпa», 1 949 , No. 1 , р . 1 -6. 1 02. Syaтala Rao, Laksh тaпa Rao, Seethara тiah. Cavitat ioп Erosioп Stu­ d iзs \Vith Veпtur i апd R otat iпg D isk iп Water. - «Traпs. ASME», 1 970 , N o . 3. 1 03. Тhота. E xper i тeпtal Research iп t he Fiel d of Water Power. - «Тrапs. of the Ist Worl d Po\ver Сопfеrепсе», 1 924, v. 1 1 , р. 536-55 1 . 1 04. V а r g а 1 . 1 . , S е Ь е s t у е п G . , S h а 1 п е v К . К . Effect o f t he Flow Veloc ity апd Character istic D i тeпsioп of а Model оп Cavitat ioп Erosioп over а R aпge of Reyпol d ' s Nu тbers froт 90 · 1 0 3 to 900 · 10з. - Proc. 3r d Сопf. Fluid Mech. апd Fl u i d Mach. , Budapest , 1 969. 1 05. W \1 е е 1 е r W. Н . Mechaпisт of Cav itat ioп Erosioп . - «Cavitation iп H y drody пaтics» , Lопdоп , 1 956 , No. 2 1 , р. 1 -2 1 . ­

.

•

·

ОГЛАВЛЕНИЕ 3

Предисловие Г л а в а I. 1. 2. 3. 4. 5.

5

М ехани з м кави таци и

Услови я возни кновения кавитации Кавитация и гидроди намические пара�1етр ы течения Развитая кавитация . . . . . Кавитацион ная эроз и я Кавитационный ш у м и вибрация

Г л а в а I I . Особенности кавитаци и г идро т урби н 6. Общие положен ия . . . . . . . . . 7. Кавитационный коэффициент и высота отсасыван и я 8. Кавитационные характер исти к и турбин . 9. Выбор заглубления турбин . . . . . . . . 10. Кавитация в повор отнолопастных турбинах 1 1 . Кавитация в р адиально-осевых турб и н а х . 1 2 . Кавитация в ковшовых турбинах . . . . . . . . 1 3 . В ли яние услови й эксплуатации н а интенсивность кавитационной эрозии .

Гл ава

Гл ава

Гл а ва

I I I . Модел ирование кави т аци и

·�

.

33 34 39 45 52 61 67 72 87

1 4 . Общие положени я . Осноаные критер ии подоби я 1 5. Подобие п р и кавитации . . . 1 6 . Масштабный эффект кавитации

93 1 05

IV. Исследовани я г идро ди н ами ки кави тац ии

1 18

1 7. Расчетные исследования 1 8 . Энергетические исследован ия 1 9 . Гидродинамические исследован и я

1 30 1 42

V . Иссл едовани я кавитационной эр оз и и

1 50

2 0 . Исследование эрозии н а модел ях турбин 2 1 . Исследование эрозии натурных турбин . 22. Испытания кавитационной стой кости матер и алов в условиях действующи х ГЭС . . . . . . . . . . . . 23. Лаборатор н ые стенды дл я исследования кавитационной эроз и и . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24. Исследование физической природы и основных закономерностей кавитацион ной эрозии . . . . . . . . . . . . . . 25. Методика исп ытан и й кавитацион ной стой кости матер иалов в лабораторных услови я х . Сопоста вление результатов лабор аторных испыта н и й с натурными . . . . . . . . . . . . 26. Прогнозирование и масштабные эффекты кавитационной эроз и и . . . . . . . Г л а в а V I . З а щи т а от кави таци и 2 7 . Создание антикавитацион ных лопастных систем . . . 28. В ыбор режимов работы турбин с пон ижен ной кавитацией . 29. В пуск воздуха как средство уменьшения кавитационной эроз и и . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30. Кавитацион ноетой кие м атери ал ы и з а • п ·п н ы е покрытп я . . 3 1 . Восстанов"1енне дета"1ей турбп : 1 , р а з р / шеа : 1 ы х 1\J знтацпей . Организаци я ре�юнтн ых рабс.т Список л итератур ы 253

10 13 23 28

1 55 1 70 1 76 1 82 1 94 202 214 217 226 23 1 244 252