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

вмятины в зоне максимума интенсивности неоднократно перекры­ вали друг друга, но ниже по потоку от этой зоны они располага­ лись изолированно. Характер, форма и размеры этих вмятин почти ничем не отличаются от тех, которые были измерены на алюминиевых образцах, устанавливаемых в диффузоре. Макси­ мальный диаметр в обоих случаях составляет ~ 1 мм, глубина вмятин в натурных условиях несколько больше, чем на образцах.

Направление

потока

Рис. V.21. Топограммы кавитационных вмятин

Таким образом, условия кавитационного воздействия потока на стенку в диффузоре близки к условиям в натурной турбине, и основные выводы, которые могут быть сделаны на основе настоя­ щего эксперимента, можно распространить на кавитацию в гидро­ турбинах.

Характер повреждений металлов под действием кавитационных импульсов свидетельствует о том, что эти повреждения вызваны высокими избыточными давлениями. Наибольшие давления воз­ никают в центральной части площадки нагружения импульсом. В местах приложения высоких давлений поверхностные слои перемещаются в глубь металла, образуя описанные выше вмятины.

Относительно происхождения ударного кавитационного им­ пульса существуют две основные точки зрения (п. 4). Согласно первой точке зрения повреждения материала возникают под действием сферических ударных волн, генерируемых пузырьками,

187

захлопывающимися в жидкости вблизи стенки. Вторая гипотеза объясняет разрушающее действие кавитационных пузырьков не­ посредственными ударами струек воды о поверхность стенки. Возникновение струек связано с потерей устойчивости формы пузырьков при их захлопывании. Теоретический анализ захлопы­ вания осесимметричного пузырька, находящегося в контакте с пограничной стенкой, показывает, что поверхность пузырька прогибается и образуется струя, движущаяся с большой скоро­ стью к стенке (рис. 1.11, б).

На основе обобщения результатов многих исследований, в ра­ боте [24] делается вывод, что почти во всех случаях пузырьки, захлопывающиеся на стенке или вблизи нее, теряют устойчивость. В результате образуются струи, ударяющие по стенке. Скорости соударения струй с твердой поверхностью, по данным работы [45 ], могут достигать 1000 м/с, что вполне достаточно для разрушения любых материалов. Диаметр смыкающейся каверны, равный 1/15 диаметра вмятины на алюминии [45], достигает при испыта­

Анализируя форму вмятин, полученных на образцах в диффу­ зоре (рис. V.20), -можно сделать некоторые выводы о соответствии действительных кавитационных импульсов рассмотренным выше схемам.

Изображенные вмятины не могли возникнуть при распростра­ нении сферической ударной волны от пузырька, захлопываю­ щегося в жидкости. В этом случае след на пластичном материале представлял бы собой элемент сферы и поверхность вмятины, за исключением краев, была бы обращена выпуклостью в сторону металла. В действительности, почти вся поверхность обращена выпуклостью в сторону жидкости. Форма вмятины более всего соответствует удару струи, идеализированная схема образования которой представлена на рис. 1.11, б. В момент удара о твердую поверхность конус струи имеет малый радиус закругления гс як; 0,01 -^-0,05 мм, о чем можно судить по размерам дна вмятины. На свинце встречаются также вмятины большого диаметра с пло­ ским дном, которые образованы струями с большим радиусом закругления, достигающим 0,5 мм.

Большое различие вмятин, встречающихся на одном и том же образце, по глубине, крутизне поверхности и по диаметру сви­ детельствует о том, что на стенку диффузора воздействуют разные импульсы. Скорость соударения струи со стенкой, радиус закруг­ ления и масса струи могут изменяться в широких пределах. Пара­ метры струй определяются условиями их образования: формой захлопывающихся пустот, которая согласно работе [31 ] может быть самой разнообразной, их расположением относительно стенки и полем давлений вокруг них.

Ударные импульсы, как и создающие их струи, имеют широкий диапазон характеристик. Основными характеристиками являются максимальное давление в месте удара и характерная площадка,

188

на которую приходится удар. Наибольший интерес представляют собой давления, вызываемые ударами.

Очевидно, что удары, оставляющие на поверхности металла следы в виде пластических деформаций, создают давления, превы­ шающие предел его текучести от. Подсчитывая кавитационные вмятины на образце из металла с известным пределом текучести, можно определить количество ударов с давлениями, превыша­ ющими этот предел.

Результаты непосредственного подсчета вмятин на образцах после определенного времени испытаний приведены в табл. V.9.

Т а б л и ц a V.9

Количество видимых кавитационных вмятин на различных материалах

Для сопоставления результатов испытаний количество вмятин

где z60 — количество вмятин, приведенное к 60 с; ги — количество вмятин, появившееся за время испытаний.

Зависимость количества вмятин от предела текучести металлов изображена на рис. V.22, б. С увеличением сгт количество вмятин резко уменьшается. Это свидетельствует о том, что число ударов с высокими давлениями составляет небольшую долю от общего их количества. Разбивая всю совокупность кавитационных ударов на четыре группы, где первую группу будут составлять удары с давлениями свыше 100 кгс/см2, вторую — свыше 1000 кгс/см2, третью — свыше 2000 кгс/см2 и четвертую — свыше 3000 кгс/см2, можно получить, исходя из рис. V.22, б, распределение ударов по группам (табл. V. 10). Количество ударов с давлениями, превы­ шающими 3000 кгс/см2, даже на режиме максимальной скорости составляет лишь 5% от количества ударов, входящих в первую группу. На режиме со скоростью потока v = 22,2 м/с на стали 3X13 вообще не возникало вмятин, т. е. на этом режиме им­ пульсы с давлениями свыше 3000 кгс/см2 отсутствуют.

189

С увеличением скорости потока возрастают как количество ударных импульсов, так и максимальный уровень давлений, о чем можно судить по количеству и глубине вмятин на испытанных образцах (рис. V.22).

Глубина вмятин h, приведенная на графике (рис. V.22, а), получена путем осреднения величин, измеренных по десяти наи-

Рис. V 22. Глубина (а) и количество (б) кавита­

ционных вмятин в зависимости от предела текучести металла:

/ и V — v = 22,2 м/с; 2 — v — 30,4 м/с; 3 и 3* — 36,9 м/с

более крупным вмятинам на каждом образце. С увеличением пре­ дела текучести металла осредненная глубина вмятин резко па­ дает. На материалах с низким пределом текучести большая часть

Т а б л и ц а V.10

Распределение кавитационных ударов по группам энергий

190

Энергии ударного импульса расходуется на пластическую дефор­ мацию, а на стали значительная часть энергии тратится на упру­ гую деформацию. Энергия образования наиболее крупных вмятин на различных металлах оценивалась по объему пластической деформации. Предполагая, что при одиночной вмятине упрочне­ ние металла незначительно, эту энергию можно вычислить по формуле E — aTV, где сгт— предел текучести; V— объем вмятины.

Результаты для режима с максимальной скоростью приведены в табл. V. 11. Из таблицы следует, что при одинаковой для всех образцов общей энергии ударов энергия, затраченная на пласти­

длине каверны I число Струхаля Sh = ~ также постоянно. В этом

случае частота пульсации каверны / пропорциональна скорости по­ тока V. Если при v = 36,9 м/с частота пульсации каверны /я« 100 Гц, то при v -- 22,2 м/с / — 60 Гц. Количество же кавитационных импульсов с изменением скорости меняется значительно резче. За 15 с испытаний с v — 36,9 м/с на образце из свинца насчиты­ вается 834 вмятины (табл. V.9). Следовательно, на боковую стенку диффузора за 1 с приходится —55 ударов. Учитывая, что такое же количество ударов приходится на противоположную стенку и часть — на верхнюю профильную, при скорости 36,9 м/с каждому циклу каверны соответствует примерно один кавитационный удар, оставляющий видимый след на свинце. При скорости потока v = = 22,2 м/с число ударов за 60 с испытаний составит 253, или за 1 с на образец приходится четыре удара. В этом случае за 60 циклов пульсаций каверны число заметных ударов составит около десяти, т. е. для одного кавитационного импульса требуется — 6 пульса­ ций каверны. На малых скоростях потока значительная часть кавитационных импульсов, возникающих при захлопывании ка­ верны, не вызывает остаточных деформаций даже на таком пла­ стичном материале, как свинец. Количество заметных кавитацион­ ных ударов с уменьшением скорости резко снижается.

191