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

другом стендах примерно одинаковы. При повышении интенсив­ ности воздействия соотношения аналогично изменяются. Это видно из сопоставления результатов испытаний Мауссона, где в диффузоре скорость потока равнялась 80 м/с (табл. V.12), и испытаний на ударном стенде при скоростях удара 65—75 м/с (п = 2500-ь2800 об/мин). При высоких интенсивностях воздей­ ствия стойкости углеродистых и нержавеющих сталей сближаются.

а)

АО, МГС

/

/

-20 ГСЛ

//

/

><

/Х18Н9Т

Рис. V.26. Испытания при натурной интенсивности воздействия на ударно-эрозионном стенде (а) и в диффузоре (б)

Сопоставляя результаты испытаний на магнитострикционном вибраторе (табл. V. 13), где интенсивность воздействия достаточно высокая, с результатами испытаний на ударном стенде и диффу­ зоре с той же примерно степенью интенсивности, можно заметить, что материалы располагаются по стойкости в той же последова­ тельности.

Таким образом, при одинаковой интенсивности кавитационного воздействия относительная стойкость материалов, испытанных на различных стендах, близка друг другу,

26. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И МАСШТАБНЫЕ ЭФФЕКТЫ КАВИТАЦИОННОЙ ЭРОЗИИ

При проектировании новых гидротурбин встает вопрос об ожидаемой кавитационной эрозии.

Для прогнозирования зон и интенсивности эрозии могут быть рассмотрены следующие методы:

1) расчетный метод, когда об эрозии можно судить по распре­ делению давлений на профиле;

2)метод эрозионных испытаний модели с использованием легкоразрушаемых покрытий;

3)метод сопоставления с аналогичной турбиной, находящейся

вэксплуатации.

202

При проведении необходимых расчетов с аналога на вновь проектируемую турбину нужно знать, как влияют на эрозию линейные размеры турбины, скорости обтекания или напоры, ма­ териалы, из которых изготовлены детали проточной части. Не­ обходимо учитывать также режимы работы турбины: мощность, высоту отсасывания. В пп. 13, 21 были рассмотрены некоторые ка­ чественные зависимости влияния размеров, напора и режимов работы турбины на эрозию. Известна также методика определения кавитационной стойкости материалов (п. 25). Однако еще не все аспекты влияния перечисленных факторов на эрозию полностью изучены. Когда исследования будут завершены, появится воз­ можность выдавать кроме эксплуатационной характеристики турбины эрозионную характеристику, где будут нанесены зоны

иинтенсивность эрозии в зависимости от режимов эксплуатации.

Внастоящее время при исследовании кавитации и кавитацион­ ной эрозии вновь проектируемых турбин наиболее распространен метод эрозионных испытаний модели.

При моделировании процессов кавитационной эрозии необ­ ходимо учитывать масштабные эффекты этого явления, возникшие вследствие несоблюдения полного механического подобия течений в модельной и натурной установках. Наибольший практический интерес представляет собой изучение эффектов, вызываемых изме­ нением линейного размера установки и скорости потока.

Влияние скорости потока на кавитационную эрозию исследо­ вано теоретически и экспериментально в работах [48, 73, 92, 104].

Все исследователи отмечают резкий рост интенсивности эрозии с увеличением скорости потока, однако количественные показатели этого роста неодинаковы. При представлении интенсивности эро­ зии выражением

тел на интенсивность кавитационной эрозии известны работы [73, 104], где зависимость дается также в виде степенной функции

с показателем 0 = 2ч-3.

Экспериментальное подтверждение выводов работ [73, 104] базируется на результатах испытаний с поперечным обтеканием цилиндров в камере прямоугольного сечения. Характер кавитации в этой установке сильно отличается от кавитации на лопастях гидротурбин. За цилиндром кавитация возникает в дискретно срывающихся вихрях, а на лопастях гидромашины кавитация обычно проявляется или в форме каверн, примыкающих к лопасти, или в форме отдельно движущихся пузырей.

В упомянутых работах [73, 104] не исследовано также измене­ ние единичных ударных импульсов в кавитационной зоне при

203

переходе от одних размеров установки к другим. Закономерности этого изменения необходимо знать при модельных испытаниях на эрозию с применением различных легкоразрушаемых покры­ тий, а также при использовании кавитационностойких эластичных покрытий для защиты лопастей натурных турбин.

В связи с этим были проведены более детальные исследования масштабных эффектов кавитационной эрозии применительно к ре­ ально существующей кавитации в гидромашинах. Кавитация рас­ сматривалась в форме пульсирующей каверны, связанной с обте­ каемым телом. Исследования проводились на кавитационно­ эрозионном стенде (рис. V.16).

Для исследования влияния линейных размеров на характери­ стики кавитационной эрозии были изготовлены пять геометрически подобных сопел с размерами щели 1, 2, 4, 6, 8 мм (табл. V.16). Подобными были выполнены также подводы и отводы потока.

Для исследования влияния ширины каверны на эрозию (при одинаковой скорости потока и при одинаковом распределении давления вдоль потока) были дополнительно изготовлены два сопла (32 и 3д) с тем же профилем, что и основное сопло Зг, но с увеличенной шириной канала.

При изготовлении сопел особое внимание было уделено точ­ ности исполнения щели и перехода щели в диффузор.

Образцы из легкоразрушаемого материала, наклеенного на стальную основу, устанавливались заподлицо с поверхностью боковой стенки. Интенсивность силового кавитационного воздей­ ствия оценивалась по результатам замеров единичных вмятин и по объемным потерям образцов. Для исследования единичных кавитационных импульсов применялись образцы со слоем свинца. Оценка производилась по размерам вмятин, возникающих на полированной поверхности свинца за 30 с. При использовании свинца для определения объемных потерь результаты опытов зна­ чительно искажались, так как пластические деформации быстро достигали стальной основы. В результате невозможно было выде­ лить установившийся период эрозии с линейным приращением объемных потерь.

Для определения объемных потерь применялся более хрупкий материал, разрушение которого происходило путем выкрашива­ ния мелких частиц. В качестве такого материала использовалась графито-свинцовая твердопрессованная пластмасса НАМИ-ГС-ТАФ

1000 кгс/см2. Пластина из этого материала наклеивалась на сталь­ ную основу образца эпоксидным клеем.

Влияние линейных размеров сопел на кавитационную эрозию исследовалось при постоянных значениях давлений на входе и выходе сопла (рг и р 2), что при условии автомодельности режимов должно обеспечивать постоянную скорость потока в сходственных

204

точках, а также постоянное число кавитации, определяемое пб

вмятин на свинце; F3— площадь зоны эрозии; ДG/Д/ — ДУ/Д / — потери веса или объема на пластмассовом образце в установившийся

где Л х и Л 2 — постоянные размерные коэффициенты.

Считая вмятину осесимметричной, можно представить ее объем в виде

(V.9)

Подставляя в формулу (V.9) значения D' и h' (V.7, V.8), полу­ чим

Таким образом, объем единичной вмятины и, соответственно, энергия кавитационного импульса увеличиваются с ростом ли­ нейного размера по степенной функции с показателем 4.

206