Файл: Пылаев, Н. И. Кавитация в гидротурбинах.pdf

Следовательно,

Кавитация в сопле будет отсутствовать, если давление в кожухе

Кавитация на лопастях рабочего колеса будет отсутствовать при условии

изогональных режимах одинаковы для всей серии подобных турбин.

Выше (п. 7) было показано, что кавитационный коэффициент

и потери энергии за рабочим колесом, так как в активных турби­ нах давление на выходе с рабочего колеса практически не зави­ сит от этих величин.

Выражение для кавитационного коэффициента установки с ре­ активной турбиной (II.5)

°уст --- [у

совпадает с левой частью формулы (11.34) при Hs = 0 и В * = В. Таким образом, для характеристики кавитационных качеств ковшовой турбины, так же как и реактивной, необходимо знать ее кавитационный коэффициент. Только для ковшовой турбины следует знать не один, а два коэффициента — сопла и рабочего

колеса.

69

Если известно из эксперимента или теоретически распреде­ ление давления по соплу или лопасти, то расчет можно вести по следующей формуле, аналогичной формуле (11.14)

На рис. 11.13 представлена характерная эпюра распределения давления по игле сопла ковшовой турбины, полученная экспери-

достигнет величины давления парообразования pd.

На рис. 11.13 штриховой линией показана эпюра давления при недопустимо большом напоре. Следовательно, для бескавитационной работы сопла турбина должна эксплуатироваться при напорах

g# ____ P d

Н< -----(11.44)

При исследованиях (экспериментальных или расчетных) рас­

быть следствием недостаточно тщательных исследований. Полоса низкого давления обычно невелика и имеет место лишь при не­ больших открытиях. Однако возможно и полное отсутствие зоны

70

Сниженного давления, если удается так спрофилировать сопло, что при всех его открытиях вдоль поверхностей иглы и насадка везде имеет место конфузорное течение. Тогда от входа в сопло до выхода давление монотонно падает от максимального до дав­ ления в кожухе. Возможно ли получить такое сопло—пока неизвестно. Требуется проведение специальных исследований. Однако очевидно, что путем рационального профилирования можно улучшить кавитационные качества сопла и добиваться возможности бескавитационной работы турбины при больших напорах.

При обтекании лопасти ковшовой турбины тоже нет принци­ пиальной неизбежности существования зон с пониженными дав­ лениями, в отличие от реактивных турбин, где такие зоны даже по расчетному распределению давления всегда присутствуют. В идеальном случае при обтекании лопасти ковшовой турбины вдоль любой линии тока на поверхности давление сначала нара­ стает от давления в кожухе до максимального (диффузорное течение) и затем падает до давления в кожухе (конфузорное те­ чение). Однако практически при движении лопасти по дуге актив­ ности, т. е. в период ее взаимодействия с напорной струей, на­ правление обтекающего потока непрерывно меняется и за счет взаимного влияния разных струек возможно появление зон с по­ ниженным давлением в районе входной и выходной кромок и ост­ рия ножа, где уровень давления в идеальном случае мало отли­ чается от давления в кожухе. Теоретически определить зоны пониженных давлений на лопастях с помощью известной мето­ дики [88 ] невозможно, так как эта методика исходит из допуще­ ния об отсутствии влияния соседних струек друг на друга. Экспе­ риментальные исследования обтекания неподвижной лопасти в этом отношениии тоже не могут помочь. Единственный путь — замер распределения давлений на лопасти вращающегося рабо­ чего колеса, причем обязательно в большом числе точек безынер­ ционными датчиками с малой базой (градиент давления и кривизна лопасти очень велики). Это задача технически очень сложная и пока далека от разрешения.

Таким образом, определить кавитационный коэффициент ра­ бочего колеса ор к в настоящее время не представляется возмож­ ным. Остается лишь статистическая обработка эксплуатацион­ ных данных по кавитационным разрушениям лопастей. Пока таких данных мало.

В начале настоящего параграфа отмечались факты кавита­ ционной эрозии боковой и тыльной поверхностей лопастей ков­ шовых турбин. Сходящий поток не обтекает, а лишь касается боковых поверхностей. Но этот поток сильно аэрирован и пред­ расположен к кавитации. При касании боковых поверхностей общий уровень давления равен давлению в кожухе, но за счет эжекции и недостаточной чистоты обработки могут создаваться местные зоны пониженного давления. Аналогичные явления

71

могут иметь место при касании напорной струи тыльной поверх­ ности. Кавитация тыльной поверхности и как следствие-— ухуд­ шение энергетических качеств могут быть уменьшены повышением качества обработки и применением специального профиля.

13. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ КАВИТАЦИОННОЙ ЭРОЗИИ

Под интенсивностью кавитационной эрозии следует понимать скорость процесса разрушения материала или потери веса, точ­ нее— объема детали в единицу времени. Существуют различличные способы измерения потерь объема. Наиболее простым и в то же время наиболее точным является весовой способ, когда объем определяется по потерям веса. При весовом способе взве­ шивание детали или образца производится до и после испытаний.

Рис. 11.14. Последовательность кавитационного разрушения по* верхности детали;

1—4 — зоны эрозии

Этот способ, широко применяемый в лабораторных условиях, непригоден для действующих ГЭС.

О потерях объема детали натурной турбины можно судить по расходу электродов при восстановительных работах. Однако проведенные наблюдения показывают, что расход электродов трудно контролируется, степень отходов при производстве работ у каждого сварщика различна, точность восстановления перво­ начальной поверхности недостаточна. Перечисленные факторы приводят к ошибке в измерениях в два-три раза.

Наиболее приемлемым способом определения объемных по­ терь детали в эксплуатационных условиях является метод непо­ средственного замера глубины и площади разрушения. Этот спо­ соб не требует сложных инструментов и зависит только от добро­ совестности исполнителя.

Имеющиеся сведения о развитии кавитационных разруше­ ний турбин показывают, что с течением времени глубина эрозии непрерывно возрастает, а увеличение площади эрозии постепенно замедляется. Последовательность этапов разрушения поверх­ ности схематично представлена на рис. 11.14.

Стабилизация площади эрозии объясняется постоянством ме­ ста возникновения и сжатия кавитационных каверн при опреде­

72

ленном режиме обтекания. Здесь следует иметь в виду, что такой процесс развития эрозии имеет место при условии, если разру­ шения относительно невелики и не влияют на характер обтекания.

На рис. П.14 можно видеть, что интенсивность эрозии в боль­ шей степени характеризуется глубиной разрушения за единицу времени. Следует отметить, что глубина разрушения, определяю­ щая прочностные характеристики детали, показательна также с точки зрения необходимости произвести ремонт. В связи с этим глубина разрушений за определенный период эксплуатации была выбрана основным критерием оценки интенсивности кавитацион­ ной эрозии в условиях действующих ГЭС.

При анализе влияния условий эксплуатации на интенсивность кавитационной эрозии были рассмотрены следующие факторы: а) длительность эксплуатации; б) заглубление турбины; в) раз­ меры и мощность агрегата; г) действующий напор.

Нужно отметить большие трудности при проведении подоб­ ного анализа, так как действие перечисленных факторов проис­

кого-либо фактора приходилось выбирать такой период эксплу­ атации, когда остальные условия работы существенно не менялись.

Влияние длительности эксплуатации на эрозию. Знание законо­ мерностей развития кавитационной эрозии во времени необхо­ димо для правильного прогнозирования глубины и объема раз­ рушений. Объем разрушений определяет сроки капитальных ремонтов, время простоя агрегата в ремонте, трудозатраты, по­ требное количество электродов и т. д. Отсюда понятно, насколько важно для эксплуатационного и ремонтного персонала ГЭС зна­ ние характера развития эрозии в процессе эксплуатации. Однако в опубликованной литературе отсутствуют сведения о развитии эрозии гидротурбин, имеются лишь отдельные данные по эрозии гребных винтов [16].

При анализе развития кавитационной эрозии в гидротурби­ нах были рассмотрены радиально-осевые и поворотнолопастные турбины. Детали проточной части рассматриваемых гидротур­ бин были изготовлены из углеродистой и из нержавеющей сталей. Наблюдение за развитием эрозии осуществлялось в начальный период эксплуатации, сразу же после пуска турбины. В этот период проточная часть турбины еще не ремонтировалась, и ма­ териал деталей соответствовал техническим условиям. Перио­ дичность проведения промежуточных осмотров состояния турбины составляла 3000—7000 ч эксплуатации. Глубина разрушений бралась максимальная. Для радиально-осевой турбины глубина

73