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

так как при этом создаются условия для напала кавитации на про­ филе. Чем меньше число кавитации, тем большие растягивающие напряжения возникают в жидкости

В реальных условиях жидкость практически не выдерживает рас­ тягивающих напряжений и, следовательно, чем меньше число ка­ витации, тем более развита кавитация.

Как видно из формулы (1.4), число кавитации можно уменьшить

нения распределения давления при экспериментальных исследо­ ваниях крыловых профилей является изменение коэффициентов

где Ry и Rx — подъемная сила и сила сопротивления; b и I — размах и длина хорды профиля.

При бескавитационном обтекании изолированного профиля коэффициент подъемной силы возрастает с ростом угла атаки а (рис. 1.1) сначала линейно, затем рост коэффициента подъемной силы замедляется и при некоторых углах атаки начинает умень­ шаться. В дальнейшем будет рассмотрено влияние форм и степени развития кавитации на гидродинамические параметры.

12

3. Р А З В И Т А Я К А В И Т А Ц И Я

Гидродинамическую Кавитацию, т. е. кавитацию, возникаю­ щую при течении жидкости, можно подразделить на профильную (или пограничную) и срывную. Профильная кавитация возникает на хорошо обтекаемых телах, развивается в непосредственной бли­ зости к их поверхности. Замыкаются кавитационные каверны на обтекаемых телах или сразу за ними. Эрозия локализуется в ос­ новном на обтекаемом теле.

Срывная кавитация имеет место в вихревом следе за плохо обтекаемыми телами или элементами тел. Замыкание каверн про­ исходит в кормовой части обтекаемого тела или элемента или за ними.

Кавитационной эрозии подвергаются в основном поверх­ ности, располагающиеся за обтекаемым телом или элементом. Подобная срывной кавитация возникает на границе затопленной струи, вытекающей из отверстия с большой скоростью в мало­ подвижную жидкость, или на границе раздела между потоками, текущими в разных направлениях.

Впроточном тракте гидротурбины имеют место и профильная

исрывная кавитации. Иногда они существуют вместе, влияя друг на друга, создавая специфические формы кавитации.

Исследования последних лет показывают, что профильная ка­ витация имеет существенно различные формы в зависимости от

геометрии профиля и параметров течения. Причем, так как гео­ метрия профиля и параметры течения меняются поперек потока, проходящего через гидромашины, на лопасти могут одновременно иметь место разные формы кавитации, оказывающие влияние друг на друга. Поэтому экспериментальные исследования профильной кавитации обычно проводятся на изолированных профилях и про­ филях в плоских решетках.

Исследования кавитационных обтеканий изолированных про­ филей, близких .по форме к профилям, составляющим лопастную систему поворотнолопастной турбины, позволили получить пред­ ставление об основных формах профильной кавитации.

При малом угле атаки на профиле возникает так называемая пузырьковая кавитация — форма I. Вдоль поверхности профиля следуют друг за другом вместе с потоком кавитационные полости — каверны — приблизительно сферической формы. Каверны стано­ вятся видимыми в средней части профиля, быстро растут и затем замыкаются. На рис. 1.2 представлены две стадии развития пу­ зырьковой кавитации. Уменьшение числа кавитации достигалось путем уменьшения давления в системе. Скорость потока на входе поддерживалась постоянной Що = 10 м/с. Направление потока слева направо. Видны отдельные кавитационные пузырьки. Число и размеры следующих друг за другом пузырьков растут с уменьше­ нием числа кавитации. Зона замыкания пузырьков смещается по потоку.

13

Растягивающие напряжения z обусловлены не только эпюрой распределения стационарного давления, но и турбулентными пульсациями давления. Те зародыши, радиус которых меньше R 0, пройдут кавитационную зону, не увеличиваясь в размерах. Такой анализ согласуется с данными наблюдений за развитием пузырь­ ковой формы кавитации на профиле.

При достижении минимального давления на верхней поверх­ ности профиля (сторона разрежения) величины давления парооб-

фициент подъемной силы су = 0; б — су = 0,2; в — су — 0,3; г — су = 0,6;

1 — верхняя поверхность; 2 — нижняя поверхность

разования при данной температуре или несколько меньшего давления 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 действия и размеры пузырьков возрастают. Период следования отдельных пузырьков друг за другом в среднем уменьшается.

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 связанной с профилем пленочной кавитационной каверны [75]. Если пик разрежения не очень сильно развит (рис. 1.3, в), коэф­ фициент подъемной силы су = 0,3 ч-0,4, то образуется пленочная

)5

— п[ = 95; —• • — — п[ = 100; — — — — — nj = 105; —• — — л[ = 130

на рис. 1.8, а, б) — пузырьковая кавитация. Специфическая форма кавитации, не наблюдавшаяся на одиночных профилях, сущест­ вует на режимах, при которых эпюра давления имеет зону местного повышения давления за пиком на входной кромке (п{ = 95; 100; 105, см. рис. 1.8, б). В этом случае кавитация возникает в виде отдельных факелов, растущих из фиксированных точек поверх­ ности профиля. При уменьшении давления увеличивается длина факелов и их количество. При очень развитых стадиях кавитации факелы сливаются в стационарную каверну. Схема последователь­ ных стадий роста такой каверны показана на рис. 1.9. Механизм возникновения факельной кавитации объясняется особенностями

A A V v \ A A A A A A ^ ^ A / N A A A A A A / ^ V W

t»

эпюры распределения давления. Видимо, в зоне местного повыше­ ния давления за пиком на входной кромке создаются благоприят­ ные условия для возникновения микропиков разрежения за неров­ ностями поверхности, что и приводит к возникновению отдельных кавитационных факелов.

На некоторых режимах обтекания решетки наблюдались одно­ временно и факельная, и пузырьковая кавитации, причем факелы создавали своеобразную прослойку, которая отделяла пузырьки от поверхности профиля.

Характер развития формы III кавитации в решетках на режи­ мах, при которых на тыльной поверхности профиля за пиком раз­ режения на входной кромке имеет место выравненная эпюра разре­ жения вплоть до выходной кромки, и на режимах с зоной повы­ шенного давления за пиком различен. В первом случае каверна, возникнув на входной кромке, сравнительно медленно растет при понижении давления до тех пор, пока ее длина не достигнет зоны перехода пика разрежения в пологую часть эпюры. После этого происходит быстрый рост длины каверны, частота ее пульсаций уменьшается и происходит перерождение каверны в струйное те­ чение еще до момента выхода ее хвоста за пределы профиля (на одиночных профилях, где давление непрерывно увеличивается к выходной кромке, перерождение каверны в струйное обтекание происходит только после выхода ее хвоста за пределы профиля).

20

Во втором случае каверна, достигнув в своем развитии зоны повы­ шенного давления, прекращает свой рост, и с уменьшением давле­ ния происходит увеличение толщины каверны. Лишь при значи­ тельном уменьшении давления возобновляется рост длины ка­ верны.

В решетках отмечено существование кавитации в переходной форме от II к III. При этом кавитация возникала в виде гладкой каверны с замутненной поверхностью.

При особенно больших углах атаки на некоторых решетках возникает кавитация в виде отдельных вихрей, срывающихся

с входной кромки и локализующихся на передней четверти хорды профиля (форма /V). При этом вихри не касаются поверхности профиля и каверны на осях вихрей замыкаются в потоке. При уменьшении давления количество вихрей увеличивается и посте­ пенно формируется единая каверна, аналогичная форме II I кави­ тации. Каверна прилегает к поверхности профиля и далее разви­ вается так же, как форма I I I кавитации.

Анализ режимов работы быстроходной поворотнолопастной турбины показывает, что на лопастях рабочего колеса возможно возникновение любой формы кавитации. Причем при повышенных приведенных числах оборотов п{ ~> п{ опт можно ожидать формы

рис. 1.10 представлена зависимость коэффициента подъемной силы от числа кавитации, полученная при испытании изолированного профиля при малом угле атаки. Имела место пузырьковая форма

21