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

Рис. IV. 13. Зависимости <7тур6 = / (QJ) при п{ = const и раз­

личных способах назначения величины критического кавита­ ционного коэффициента

140

Энергетического параметра и наперед заданной величине его падения (например, на 1%).

Совокупность этих трех характеристик позволит получить более обоснованное представление о характере воздействия кави­ тации на энергетический параметр и уменьшить степень субъек­ тивности при назначении кавитационного коэффициента турбины.

Иную методику определения критического значения кавита­ ционного коэффициента установки предложил А. Д. Перник [48]. По этой методике следует снимать обычные энергетические харак­ теристики модельной турбины (рабочие кривые, линии открытия) при различных, наперед заданных значениях вакуума над нижним бьефом Hv. При малых нагрузках (при больших значениях п\) кривые, снятые при различных значениях вакуума, совпадают с кривыми, полученными при предварительных энергетических испытаниях при заведомом отсутствии кавитации. Затем при некотором значении п\ кривые п{ = / (Q(, HL) и т) = / {п{, Нг) начинают трансформироваться. Предложенная методика дает дополнительную интересную информацию о кавитационных каче­ ствах исследуемых вариантов модельных турбин. Однако по тех­ ническим причинам пока не удалось более детально ее отработать и использовать при исследованиях турбин разных быстроходно­ стей. Работы в этом направлении предполагается продолжить.

Проблемы масштабного эффекта кавитации требуют допол­ нять в той или иной степени лабораторные исследования испыта­ ниями в натуре. Технические возможности натурных исследова­ ний значительно более ограничены, чем лабораторных, и требуют специальных методов. Энергетический метод в натурных усло­ виях можно применять в очень редких случаях и только в сильно трансформированном виде. Испытания проводятся в несколько

в данный период на ГЭС. При испытаниях снимается зависимость к. п. д. или относительного к. п. д. от мощности при разных зна­ чениях высоты отсасывания с доведением этой зависимости по возможности до кавитационного срыва. По месту отхода кривой т1 = f (N) при кавитации от той же кривой без кавитации опре­ деляется кавитационный коэффициент турбины сгтурб, который можно сопоставить с коэффициентом, полученным при модельных испытаниях. Одновременно уточняются пределы режимов работы данной турбины без снижения к. п. д. из-за кавитации.

Рассмотренный здесь энергетический метод исследования кави­ тации является основным в гидротурбостроении. Но кроме того, что он обладает рядом недостатков, о которых говорилось выше, этот метод не указывает конкретных путей совершенствования проточной части, не дает никаких сведений о качестве проточной части в отношении разрушающей способности кавитации.

Энергетический метод, являющийся по существу интегральным, должен быть дополнен дифференциальными методами иссле­

141

дования процессов зарождения и развития кавитации на профиле, позволяющими изучать формы кавитации, ее локализацию, степень развития, разрушующую способность в зависимости от параметров обтекания. Для успешного совершенствования про­ точной части необходимо знать, при каких формах, локализации, степени развития кавитации имеет место то или иное изменение энергетических параметров, появляется и существенно возра­ стает кавитационная эрозия. В связи с этим в последние годы обычные испытания на кавитационном стенде дополняются визуаль­ ными стробоскопическими наблюдениями через прозрачные ка­ меры, фото- и скоростной киносъемкой, эрозионными исследова­ ниями с помощью легкоразрушаемых материалов.

Однако такие исследования удобнее проводить на гидродина­ мической трубе, которая предоставляет для этого значительно большие возможности. Поэтому в Советском Союзе и за рубежом получают все большее распространение гидродинамические ме­ тоды исследования кавитации применительно к гидротурбинам.

19. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Гидродинамическая труба позволяет проводить исследования плоского течения, приближая условия эксперимента к расчетной схеме профилирования лопастной системы. В кавитационной гидродинамической трубе исследуются кавитационные и бескавитационные обтекания изолированных профилей, профилей в ре­ шетке, составляющих лопастную систему рабочего колеса, различ­ ных упрощенных тел для изучения процесса кавитации. На входе в рабочий участок трубы обеспечивается равномерное плоско­ параллельное течение с возможностью изменения в широких пределах скорости и давления потока.

Кавитационная гидродинамическая труба, предназначенная специально для исследования гидротурбинных решеток профилей, уже с начала 50-х годов функционирует в Токийском университете у профессора Ф. Нумачи [97]. Скорость и давление потока до и после изолированного профиля или иного тела одинаковы. Скорость и давление до и после бесконечной решетки профилей различны, причем степень различия зависит от параметров ре­ шетки. Чтобы при исследованиях решеток с ограниченным числом профилей создать условия, приближающиеся к условиям беско­ нечной решетки, Ф. Нумачи предусмотрел за рабочим участком диффузор с подвижными стенками.

Для исследования кавитационного обтекания решеток профилей была переоборудована высокоскоростная гидродинамическая труба Калифорнийского технологического института [63]. На выходе из решетки, как и у Ф. Нумачи, предусмотрены подвижные стенки. Одна из стенок рабочего участка позрачная.

В Советском Союзе для исследования решеток профилей гидро­ турбинного класса предназначена кавитационная гидродинами­ ческая труба ЦКТИ [81 ], схема которой представлена на

142

Рис. IV. 14. Кавитационная гидродинамическая труба:

I — компрессор; 2 — вакуумный насос; 3 — редуктор; 4 — электродвигатель; 5 — при ­ бор для определения воздухосодержания; 6 — бачок регулирования давления; 7 — де­ аэратор; 8 — конфузор; 9 — рабочий участок; 10 — диффузор; 11 — осевой насос; 12 — ресорбер; 13 — насос деаэратора; 14 — вихревой насос; 15 — фильтр песчаный

и з

рис. IV. 14. Экспериментальный рабочий участок располагается в верхней части трубы. Циркуляция потока обеспечивается спе­ циальным осевым насосом с поворотными лопатками 11, приводом которого служит двигатель постоянного тока. Питание двигателя осуществляется через трехмашинный агрегат Леонардо. В нижней части трубы располагается развитый ресорбер 12, обеспечивающий растворение большой части воздушных пузырей, выделившихся из воды при кавитации в рабочем участке. Все трубопроводы и ресорбер выполнены из нержавеющей стали, чтобы в максималь­ ной степени ограничить загрязнение воды продуктами коррозии. Для обеспечения равномерного потока перед рабочим участком установлены специально спрофилированный конфузор 8 со сте­ пенью поджатая около девяти и сотовый выпрямитель. За рабочим участком предусмотрен диффузор 10 с малым углом конусности и подвижными стенками. Все колена трубы имеют направляющие лопатки. Уровень давления в трубе регулируется с помощью вакуумного насоса 2 и компрессора /. Общее воздухосодержание меняется с помощью вакуумного деаэратора 7, снабженного цен­ тробежным насосом. Для измерения воздухосодержания исполь­ зуется усовершенствованный прибор Ван-Слайка 5. С его помощью определяется общее количество газа (растворенного и дисперс­ ного) в пробе воды, взятой из любого места установки.

Распространено мнение о том, что значение имеет не столько общее газосодержание, сколько содержание нерастворенного газа и даже спектральный состав газовых пузырьков. Возможно, этим объясняется расхождение некоторых экспериментальных данных по влиянию общего воздухосодержания. В связи с этим в послед­ ние годы ведутся работы по созданию соответствующей аппара­ туры. Разработан ультразвуковой прибор [13], позволяющий опре­ делять общее содержание нерастворенного газа в проходящем потоке (экспресс-анализ). Создана аппаратура для определения спектрального состава пузырьков газа в неподвижной воде [14]. В настоящее время осуществляются дальнейшее совершенствова­ ние и доведение этой аппаратуры до практического применения при кавитационных испытаниях [10]. Начаты также работы по внедрению оптических методов определения свободного газосодержания с помощью лазерной техники (голографии).

Труба позволяет создавать скорости течения на входе в рабо­ чий участок до 15—35 м/с, в зависимости от объекта исследова­ ния, идавленияот практически полного вакуума до ~ 5 ат избыточ­ ного давления, что позволяет изменять коэффициент кавитации

оо

р - г

в очень широких пределах. При испытаниях фиксируются ультра­ звуковые излучения кавитации. Прозрачные стенки рабочего

144

участка обеспечивают возможность визуальных наблюдений, фото- и скоростной киносъемки всех профилей решетки.

Исследования профилей как изолированных, так и в решетке, сопровождаются, кроме того, замером гидродинамических харак­ теристик в статике и динамике с помощью специального малога­ баритного и малоинерционного динамометра на тензометрах. Коэффициент кавитации k при испытаниях на кавитационной трубе изменяется путем регулирования давления рm или ско­ рости Uco перед решеткой или изолированным профилем, подобно тому как для изменения кавитационного коэффициента установки 0уст на кавитационном стенде изменяются высота отсасывания Hs (давление над нижним бьефом В*) или напор Н. Связь между коэффициентом кавитации k и кавитационным коэффициентом установки ауст была показана в п.5.

Кавитационная труба предоставляет хорошие возможности для исследования относительной интенсивности и локализации эрозионного воздействия кавитации при различных ее формах. Для экспериментальной оценки интенсивности кавитационного воздействия используются различные легкоразрушаемые мате­ риалы, в частности, двухслойное лаковое покрытие [11]. Эрозия на поверхности лака наблюдается в виде отдельных язвин, раз­ личных по глубине и диаметру, если продолжительность опыта не слишком велика. При длительных испытаниях лак полностью разрушается в зоне кавитации и площадь разрушения растет со временем за счет подмыва краев и смывается даже там, где наверняка нет кавитации. Поэтому интенсивность кавитацион­ ного воздействия обычно оценивается плотностью эрозии г, пред­ ставляющей число язвин, возникающих на единице площади обтекаемой поверхности в единицу времени, или иным параметром, учитывающим не только число, но и размеры язвин.

На рис. IV. 15 [20] представлено в качестве примера распреде­

кавитационного воздействия, оцениваемая параметром i, при кавитации в форме I I I в два с лишним раза больше, чем при форме II. Зона профиля, подверженная эрозии, при форме III тоже значительно больше. Максимальная интенсивность кавита­ ционного воздействия локализуется в зоне хвоста каверны (/кав — длина каверны). При форме III, кроме того, имеется зона интен­ сивной эрозии на входной кромке профиля. Удобно также харак­ теризовать интенсивность кавитационного воздействия отноше­ нием общего числа язвин на профиле к продолжительности испы­

видно, что интенсивность кавитационного воздействия суще­ ственно зависит от степени развития кавитации. С уменьшением числа кавитации интенсивность s быстро возрастает, достигает максимума, а далее начинает уменьшаться, хотя, как показы-