Файл: Фаддеев И.П. Эрозия влажнопаровых турбин.pdf

риод пуско-наладочных работ по вводу блока в действие и в на­ чальные годы его эксплуатации.

При эксплуатации котлов Мироновской ГРЭС производилась регистрация содержания кремнекислоты соединений и солесодержание в насыщенном, перегретом паре и кремнесодержание в конденсате турбины. Как показали наблюдения, кремне­ содержание насыщенного и перегретого пара котла после капи­ тального и текущего ремонта до включения котла в паропровод и длительное время после включения значительно превышало нормы ПТЭ и составляло 35—150 мкг/кг (при норме 20 мкг/кг).

Подсчитанное по данным химических анализов количество

ном распределении частиц на один квадратный сантиметр пора­ женной эрозией выпуклой поверхности лопатки приходится от 2 - 103 до 4 - 103 частиц. При учете частиц окалины, выносимых из котла, и частиц металла — продуктов разрушения от эрозии проточной части турбины концентрация частиц возрастает.

Протекание с паром через проточную часть примесей, продук­ тов коррозии и частиц металла, образовавшихся от разрушения деталей турбины, не принято рассматривать как одну из причин износа проточной части от ударов этих частиц. Однако приве­ денные выше данные по размерам и концентрации частиц показы­ вают, что они могут служить одной из причин не только возник­ новения, но и развития эрозии.

15. ОБЪЕМНАЯ ПРОЧНОСТЬ ВОДЫ ЯДРА РАЗРЫВА В ЖИДКОСТИ

Деформация такого изотронного тела, как вода, в каждой точке может быть представлена в виде суммы деформаций всесто­ роннего сжатия или растяжения и деформации сдвига. Вода обладает конечной прочностью как при всестороннем растяжении, так и при сдвиге.

Обычно при рассмотрении вопросов классической гидромеха­ ники ограничиваются использованием свойств жидкости в виде объемной упругости и тангенциальной вязкости. В случае высоко­ скоростных взаимодействий капель конденсата с поверхностями деталей влажнопаровых турбин указанных свойств воды недо­ статочно для объяснения явлений, происходящих при ударе

5')

капель. При ударе быстролетящей капли необходимо рассматри­ вать также объемную прочность воды [30].

Вопреки предположению классической гидромеханики, исклю­ чающему способность жидкостей (как и газов) воспринимать растя­ гивающие напряжения, многочисленные эксперименты [30, 401 показывают способность жидкости их воспринимать. Если бы вода была идеально чистой и одинаково сопротивлялась растя­ жению и сжатию, то при растяжении для нормальных условий

уже при положительном давлении, равном или близком к давле­ нию парообразования, гораздо ниже указанной величины.

Под объемной прочностью воды понимают [30, 40 ] величину растягивающего давления, приложенного к рассматриваемому объему, при котором в одной или нескольких его точках нару­ шается сплошность разрывом жидкости и образованием пустот, заполненных парами жидкости или смесью паров и газов.

Согласно молекулярно-кинетической теории жидкости наи­

ствует разрыву или распаду воды одновременно во всем рассма­ триваемом объеме. В действительности, как показали много­ численные эксперименты [40], разрыв происходит в слабом месте объема, определяемом наличием гидрофобных (несмачиваемых) примесей или зародышевых пузырьков газа.

Картина разрыва сильно меняется от присутствия в рассма­ триваемом объеме перед началом растяжения воды хотя бы одного пузырька газа или несмачиваемой частички примесей с неровной поверхностью. В любой трещине на поверхности частички захо­ дящая в нее вода образует относительно нерастворенного газа, содержащегося в трещине, выпуклый мениск. Силы поверхност­ ного натяжения воды будут стремиться уменьшить давление газа в трещине. Газообразные ядра разрыва могут существовать не только на гидрофобных примесях, но и на поверхностях деталей влажнопаровой части турбины, омываемых парокапельным по­ током или покрытых пленкой влаги. При последующем попада­ нии в основной паровой поток и дроблении капли и пленки будут содержать часть указанных газообразных ядер. Имеются сооб­ щения [40] об образовании ядер разрыва в жидкости под воздей­ ствием ультразвука, присутствия полимерных веществ, наличия в жидкости источника нейтронов, а также поверхностноактив­ ных веществ.

Исследование объемной прочности воды при изучении кави­ тационных явлений в гидротурбостроении показали, что в воде имеется целый спектр ядер разрыва как паровых, так и газо­ вых [29]. Ядра разрыва могут иметь различное распределение в объеме жидкости. Два достаточно больших равных объема жидкости с одинаковыми количеством и спектром ядер разрыва,

60

но с различной плотностью распределения ядер по объему не будут обладать равной объемной прочностью. Поэтому для реальных жидкостей вводится понятие удельной объемной прочности, т. е. объемная прочность единичного объема жидкости, способного

вединицу времени сопротивляться растягивающим напряжением.

Кнастоящему времени выполнено достаточно большое коли­ чество теоретических и экспериментальных работ по определению объемной прочности воды, чтобы судить о ее количественном

уровне. Например, по теории Зельдовича—Френкеля [30] ве­ личина объемной прочности чистой воды при разрыве на паровом ядре равна при 20° С около 160 МПа. Из предложенных теорети­ ческих положений также следует, что объемная прочность воды увеличивается с уменьшением радиуса ядра разрыва. Зависи­ мость между объемной прочностью и радиусом ядра разрыва в ло­

наиболее тщательно выполненными. Результаты измерений объ­ емной прочности воды в зависимости от температуры показали, что наибольшей объемной прочностью вода обладает при темпе­ ратуре 5—30° С. По-видимому, вода в этом случае проявляет свои аномальные свойства, как, например, для наибольшей удель­ ной плотности при атмосферном давлении и 4° С.

Объемная прочность движущейся воды была определена в опы­ тах А. А. Энштейна (1946 г.) и Г. Циглера (1956 г.) [40]. Опыты проводились с обычной водопроводной водой, насыщенной воз­ душными ядрами разрыва. Поэтому объемная прочность воды при наибольшей скорости течения 30 м/с была равна около 0,4 МПа.

Сопоставление результатов статических и динамических опы­ тов показывает, что ни в одном случае растягивающие напряжения не приближались к физической прочности чистой воды на разрыв. Данные Бриггса и расчеты по Зельдовичу—Френкелю при 20° С отличаются почти в 6—12 раз. Такое различие в данных объяс­ няется наличием ядер разрыва в воде.

В применении к образованию разрыва жидкости при ударе капли, куска пленки или струи жидкости о твердую поверхность интересен факт повышения стойкости обычной водопроводной воды предварительной обработкой ее давлением. Опыты Р. Кнеппа (США, 1958 г.) показали, что действие на образцы воды в течение десяти минут давления до 20 МПа значительно повышает ее объ­ емную прочность. Даже обжатие давлением до 3,5 МПа обеспе­ чивает водопроводной воде возможность выдерживать заметные растягивающие напряжения. Однако повышение давления от 20 МПа до 145 МПа не влияло заметно на объемную прочность воды.

61

Как показывает анализ характера удара быстролетящей капли или струи о твердую поверхность в некотором объеме жидкости, составляющем большую часть объема капли или элемента уда­ ряющейся части струи, на этапах от начала соприкосновения с поверхностью до полного исчезновения контуров меридиональ­ ного обвода капли или струи имеется динамическое сжатие жидкости. Установленный экспериментально факт образования ка­ верны в центре растекающейся капли только в отдельных каплях из большого количества, соударяющегося с поверхностью, можно связать с повышением объемной прочности жидкости в капле или струе за счет динамического сжатия. Оно в очень короткий отрезок времени уплотнением жидкости уничтожает ядра раз­ рыва в обжатом юбъеме капли или струи.

Сравнение результатов опытов по определению объемной прочности обжатой воды при статических и динамических экспе­ риментах показывает, что полученный результат растягивающих напряжений при статических опытах — 3,2 МПа и 1,8 МПа — динамических опытах для наблюдавшегося разброса опытных точек в таком виде экспериментов практически одинаков. Отсюда следует вывод об отсутствии заметного влияния движения воды на ее объемную прочность [40].

Опытами Р. Кнеппа была показана также необратимость про­ цесса увеличения объемной прочности воды обжатием. После девятнадцатидневной выдержки образцы воды сохранили повы­ шенную объемную прочность.

При рассмотрении эрозии от удара капель и пленок воды о рабочие и направляющие лопатки турбины и другие ее детали обычно не учитывают приведенных выше прочностных свойств конденсата. В научно-технической литературе приведены ре­ зультаты исследований прочностных свойств только для обычной водопроводной воды в связи с изучением кавитации в гидрома­ шинах. Турбинный конденсат, движущийся в проточной части влажнопаровых турбинных ступеней, помимо растворенных га­ зов, несет значительное количество мелкодисперсного твердого аэрозоля, снижающего удельную объемную прочность конден­ сата. Для возможности проведения расчетного определения удар­ ного воздействия капель и струй на поверхность турбинных дета­ лей с учетом прочностных свойств конденсата необходимо широ­ кое проведение исследования его реологических свойств.

16. ХРУПКОСТЬ жидкости

Некоторые свойства жидкостей, в том числе и воды, как твер­ дых тел, например хрупкое резрушение при высокоскоростном ударе, представляют определенный интерес для выяснения общей картины эрозии деталей паровых турбин под воздействием струй­ ного и капельного удара. Одним из признаков, характеризующих твердое тело, считают его способность сохранять свою форму.

62