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

Схема установки автоколебательная. По этой схеме колебания трубки происходят всегда в резонансных условиях, так как частота переменного поля задается частотой собственных колеба­ ний трубки. Это осуществляется при помощи катушки обратной связи 3, которая подает наведенный колебаниями трубки пере­

руется переключателем емкости входного контура, амплитуда колебаний трубки регулируется путем изменения выходной мощности усилителя.

Контроль за амплитудой колебаний осуществляется электри­ ческим указателем амплитуды 5. Никелевая трубка выбрана длиной 305 мм и диаметром 18 мм. На нижнем конце трубки кре­ пится образец 6, погружаемый в сосуд с водой 7. Глубина погру­ жения образца 4 мм. Частота колебаний трубки, определяемая ее размерами и весом образца, составляет — 8000 Гц. При такой частоте переменного поля велики потери на вихревые токи. Для уменьшения этих потерь в трубке делается узкая прорезь почти по всей длине, которая заполняется изоляционным материалом. Во избежание нагрева трубки 1 и воды в бачке 7 предусмотрено охлаждение этих узлов проточной водой.

Основным узлом стенда является диск 1 диаметром 500 мм, который приводится во вращение двигателем постоянного тока.

борам пульта управления и контролируются тахометром.

На диске 1, на равном расстоянии друг от друга, крепятся четыре образца 2.

Стенд представляет собой установку замкнутого типа. Вода насосом 5 подается в напорный бак 4. Давление в напорном баке

друг против друга по обеим сторонам диска. Отработанная вода сливается в сливной бак 3, служащий одновременно основанием стенда. Заполнение и слив воды стенда осуществляются при по­ мощи задвижек. Замена воды в стенде обычно производится через 1—2 ч испытаний. Контроль за уровнем воды в баке про­ изводится при помощи водомерного стекла.

24. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКО И ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ КАВИТАЦИОННОЙ ЭРОЗИИ

Исследование физической природы кавитационной эрозии производилось на кавитационно-эрозионном стенде (рис. V. 16). Рабочий участок стенда представляет собой конфузорно-диффу-

182

зорный канал, ограниченный тремя плоскими и одной профильной стенками. Кавитационная эрозия вызывается каверной, которая образуется в диффузорной части сопла и связана своим началом с местом перехода щели в диффузор. В гидротурбинах кавитация, связанная с возникновением каверны на обтекаемом теле, может иметь место при наличии резких пиков разрежения на обтекаемой поверхности. Такой тип кавитации характерен, например, для входных кромок лопастей.

Кавитационная каверна в диффузоре визуально восприни­ мается как неподвижная. Однако скоростная съемка, выполненная кинокамерой СКС-1М с частотой кадров 3200 в секунду, выявила, что каверна пульсирует, проходя стадии роста отрыва и последу­ ющего смыкания [93 J. Однако наблюдения показывают, что отрыв происходит не всей каверны, а лишь ее части. Причем отделив­ шаяся часть каверны при одном и том же режиме имеет неодина­ ковую длину. Разница в длине каверны в момент ее отрыва колеб­ лется в пределах 30%. Процесс смыкания каверны весьма кратко­ временный. При скорости потока 36 м/с время смыкания каверны составляет 0,001—0,003 с.

Была изучена также динамика кавитационной каверны в за­ висимости от степени развитости кавитации, характеризуемой числом k, и от скорости потока.

Течение в кавитационном сопле характеризуется тем, что при изменении давления на выходе из сопла постоянство скорости потока обеспечивается практически при неизменном давлении на входе. При этом изменение перепада давлений компенсируется гидравлическими потерями в зоне кавитации. Это обстоятельство

давление определяет степень развитости кавитации при постоянной скорости потока. Следовательно,

где р 2— давление на выходе из диффузора; v — скорость потока в щели.

Как показали исследования, уменьшение числа кавитации сопровождается увеличением длины каверны и уменьшением частоты ее пульсации.

На рис. V.19 показано, как меняются характеристики каверны для диффузора с размерами щели 6,5 X 40 мм в зависимости от числа кавитации при v = 36 м/с.

При смыкании кавитационной каверны возникают гидроудары, приводящие к эрозионному разрушению стенок диффузора. Про­ веденные сравнительные испытания позволили установить, что

183

интенсивность эрозии на боковых стенках в несколько раз выше, чем на верхней стенке. В связи с этим основные закономерности развития кавитационной эрозии были исследованы на образцах, расположенных на боковой стенке. Зона кавитационной эрозии на боковом образце непосредственно связана с размерами каверны

не происходит наложения нескольких импульсов в одном месте, и точечные повреждения на поверхности не перекрывают друг друга. Время испытаний на режимах 2 и 3 (табл. V.8) было уста-

Т а б л и ц а V.7

Механические свойства материалов образцов

Т а б л и ц а V. 8

Режимы испытаний

новлено 15 с, а для режима 1 оно было увеличено до 60 с, чтобы получить достаточное количество повреждений.

Форма и размеры отпечатков, оставленных на металле кави­ тационными импульсами, были изучены при помощи микроскопа с увеличением X 320. На всех металлах, использованных при испытаниях, первоначальные повреждения имеют характер углуб­ лений с пологими краями. Поверхность углублений за редким исключением не имеет каких-либо разрывов и сохраняет даже мельчайшие риски от полировки. Однако на мягких металлах (свинец и алюминий) изредка встречаются углубления, на дне которых поверхностный слой сильно нарушен: риски от обработки уже не видны, наблюдается сдвиг слоев, иногда повреждения

вглубине кратеров напоминают оплавление металла. На латуни

истали деформации слабые и повреждения, напоминающие оплавления, не встречаются. Описываемые углубления на по­ верхности представляют собой вмятины, не сопровождающиеся удалением металла.

На рис. V.20 представлены сечения типичных кавитационных

вмятин, проходящие через точки их максимальной глубины. Повреждения были получены при скорости потока v — 36,9 м/с. Для удобства рассмотрения масштаб по вертикали взят в два раза большим, чем по горизонтали. Для всех вмятин характерен плавный переход от неповрежденной плоской поверхности к углуб­ лению. Крутизна образующей сечения нарастает по мере прибли­ жения ко дну вмятины. Большая часть поверхности обращена выпуклостью в сторону жидкости, и только центральный участок дна — в сторону металла. Приподнятость краев над исходной поверхностью не обнаружена, хотя при отсутствии весовых по­ терь она должна существовать. Малая кривизна поверхности краев и незначительная высота приподнятости не позволяют ви­ деть ее в микроскоп достаточно отчетливо. Большинство вмятин имеет вблизи исходной поверхности форму, близкую'к кругу или эллипсу. Глубина кавитационных вмятин во много раз меньше их диаметра (за диаметр принимаем полусумму осей основания у исходной поверхности). Для большинства вмятин на свинцовом

185

образце характерно’оТношение диаметра к глубине d/h = 15ч-20. На том же образце встречаются вмятины большого диаметра и очень малой глубины, для которых d/h 100. Как глубина, так и диаметр уменьшаются с увеличением твердости металла. Отно­ шение d/h при этом возрастает, например для большинства вмятин

рами смыкающейся кавитационной полости, которая, в свою очередь, является частью пульсирующей каверны. В диффузоре на принятых для испытаний режимах каверна достигала 150 мм по длине и приближалась по своим размерам к кавернам, встре­ чающимся на обтекаемых поверхностях натурных гидротурбин.

Кавитационные вмятины, полученные на образцах в диффу­ зоре, были сопоставлены с вмятинами, зафиксированными на алюминиевых пластинах при испытаниях турбины Верхне-Ту- ломской ГЭС.

На режиме максимальной мощности длина каверны на входной кромке лопасти составляла около 200 мм. После 30 мин испытаний

186