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

означают, что на данном режиме, характеризуемом мощностью й напором, чтобы избежать падения к. п. д. из-за кавитации, высота отсасывания должна быть не больше, чем соответствующая допу­ стимая величина Hs ^ H SRon.

Величина Я 5Д0П определяется по формуле (11.22), куда входят полученная при эксперименте на модели величина кавитационного коэффициента турбины сгтурб и коэффициент запаса k a. Таким образом, эксплуатационная характеристика гарантирует при

теристика этого колеса, на которую нанесены линии режимов ра­ боты при расчетном напоре турбин шести гидростанций. Справа линии ограничены кавитационными условиями каждой конкрет­ ной ГЭС, т. е. тем, какую высоту отсасывания можно было при­ нять и какую максимальную мощность должна была развивать

меняется в тех или иных пределах в зависимости от гидрометеоро­ логических условий, изменяющихся по времени в каждом сезоне и в течение суток, от числа работающих агрегатов и их нагрузки. Допустим, однако, для простоты, что высота отсасывания остается неизменной при изменении мощности и равной своему предельному

218

значению при максимальной мощности. Тогда, так как в соответ­ ствии с универсальной характеристикой (рис. П.З) кавитационный коэффициент монотонно возрастает с ростом приведенного рас­ хода при всех шести рассматриваемых случаях, кавитационный коэффициент запаса kg будет уменьшаться с ростом мощности. Действительно, если высота отсасывания Hs постоянна, то в соот ветствии с формулой (II.5) при постоянных напоре Я и давлении парообразования кавитационный коэффициент установки ауст тоже не меняется. А так как кавитационный коэффициент тур-

Рис. VI.2. Зависимость величины ka от мощности для турбин некоторых ГЭС при номинальном напоре и фиксированных значениях Hs (см. табл. V I.1)

бины отурб возрастает с ростом расхода (мощности), то по фор­ муле (VI.2) коэффициент запаса ka уменьшается. На рис. VI.2 представлены кривые изменения ka в зависимости от мощности при оговоренных здесь допущениях для турбин рассматриваемых ГЭС, а также для турбины Верхне-Туломской ГЭС с рабочим ко­ лесом ПЛ646. По оси абсцисс отложена мощность в процентах, причем 100% соответствует максимальная мощность по эксплуа­ тационной характеристике. При ka = 1,0 запас по кавитации отсутствует. Из графика на рис. VI.2 видно, что разные кривые пересекают горизонтальную прямую ka = 1 при разных значениях относительной мощности. Если, например, для Кременчугской ГЭС точка пересечения характеризуется относительной мощно­

стью — 100% = 104,2%, т. е. запас по мощности составляет

'Vmax

4,2%, то для Борисоглебской ГЭС точка пересечения соответствует

-дД— 100% = 110%, т. е. запас 10%. При этом в случае Кремен-

*vmax

чугской ГЭС кавитационный коэффициент запаса при максималь­ ной мощности каном^ 1,167 (табл. V I.1) больше, чем в случае

219

ющие принятым кавитационным коэффициентам. Особенно боль-

= 14,5% (рабочее колесо ПЛ646). Если учесть возможные погрешности эксперимента и ошибки пересчета с модели на натуру, то фактический запас по мощности может оказаться еще

больше.

На некоторых гидростанциях были проведены натурные испы­ тания гидроагрегатов, в результате которых были определены, в частности, фактические запасы мощности по кавитационным условиям. На Верхне-Туломской ГЭС испытания проводились

видно, что при фиксированной высоте отсасывания Hs — —4,0 м

кавитации. При натурных испытаниях достигнута мощность

N = 69 МВт.

Аналогичная кривая для турбин Цимлянской ГЭС при напоре

бины Цимлянской ГЭС может быть увеличена в соответствии с ха­ рактеристикой до N = 46,5 МВт. Натурные испытания показали, что мощность турбин Цимлянской ГЭС можно довести до N =

— 46,5 МВт при напоре Я = 22,15 м без заметного снижения энер­ гетических качеств.

Запасы по кавитации позволили практически исключить кави­ тационные срывы мощности турбин в натурных условиях, однако о двух таких случаях уже упоминалось в п. 16 (Бухтарминская ГЭС, Иркутская ГЭС). Снижение к. п. д. из-за кавитации в экс­

220

плуатационных условиях трудно обнаружить без специальных

натурных исследований. Поэтому нельзя утверждать, что оно нигде не имеет места.

Опыт эксплуатации некоторых крупных гидростанций показы­ вает, что иногда бывает целесообразно иметь возможность уве­ личить мощность ГЭС сверх проектной номинальной для покры­ тия пиков нагрузки и сработки паводковых расходов. Кроме того, иногда фактический уровень нижнего бьефа оказывается по ряду причин ниже проектного. В таких случаях персонал ГЭС, ориен­ тируясь на заводскую эксплуатационную характеристику, огра­ ничивает мощность, не доводя ее даже до номинальной. Вскрытие

Рис. VI.4. Зависимость коэффициента запаса k0 от

мощности при различных его номинальных значе­ ниях £аном для турбины Цимлянской ГЭС

фактических запасов путем специальных натурных испытаний в подобных ситуациях может сыграть существенную положитель­ ную роль, позволит расширить зону допустимых режимов работы турбины по условиям кавитации в сторону увеличения мощ­ ности.

Проведению натурных испытаний должен предшествовать ана­

вышающей номинальную, необходимо установить допустимость этого по условиям работы генератора, по гарантиям регулирования, по прочности.

означают, что завод-поставщик гарантирует работу турбины без срыва мощности и даже без снижения к. п. д. из-за кавитации при любых Hs =<: Н8доа на соответствующих режимах работы. Гарантии даны с запасом, с учетом коэффициента незнания, т. е. действительное значение # 5Д0П, при котором начнется снижение

221

энергетических качеств турбины, может принимать любые зна­ чения в интервале

где HSM— высота отсасывания, определенная по модельным испы­ таниям без запаса (k„ = 1,0);

—абсолютная величина запаса по высоте отсасывания. Очевидно, что вероятность того, что

Hs пред доп, (VI.4)

мала и на всех натурных турбинах фактически имеется тот или иной запас. Величину этого фактического запаса можно опреде­ лить только специальными испытаниями в процессе эксплуатации. Испытания покажут, какая степень перегрузки по мощности и

Номинальная мощность и степень заглубления турбины выби­ раются проектировщиками по характеристике водотока и потреб­ ностей энергосистемы, исходя из условия (VI.4). На эту номи­ нальную мощность рассчитываются гарантии регулирования, ге­ нератор и все другие элементы агрегата. Принятое заглубление турбины учитывает все возможные колебания нижнего бьефа. Поэтому при нормальных условиях, при достаточно обоснованном выборе параметров необходимость в реализации фактического запаса практически не должна возникнуть. В действительности, как показывает опыт, некоторые станции с одной стороны заинте­ ресованы в форсировании мощности агрегата, в частности, для покрытия пиков нагрузки, и с другой стороны имеют для этого возможности по водотоку.

Эксплуатационная характеристика с линиями //5Д0П = const гарантирует отсутствие влияния кавитации на энергетические

ниями [53]. В интервале от анач до (%рб кавитационная эрозия

относительно невелика. При оуст < о*турб интенсивность кави­ тационной эрозии начинает быстро расти. Иногда этот рост проис­ ходит монотонно, с уменьшением ауст, но чаще обнаруживается

222

(п. 3). Наибольшей разрушающей способностью обладает пузырь­ ковая кавитация, наименьшей— пленочная с гладкой каверной. По мере развития кавитации зона замыкания пузырьков при пузырьковой или пленочной с шероховатой каверной кавитации смещается по потоку и постепенно выходит за пределы профиля. Интенсивность эрозии уменьшается. При пленочной кавитации с гладкой каверной локализация эрозии мало меняется с разви­ тием кавитации. Поэтому происходит монотонное возрастание интенсивности эрозии по мере развития кавитации.

2.На интенсивность эрозии существенное влияние оказывает абсолютное значение скорости обтекающего потока, т. е. напора турбины (п. 16). С ростом напора интенсивность эрозии резко воз­ растает.

3.Интенсивность эрозии в большой степени зависит от мате­ риала, из которого изготовлены обтекаемые элементы турбины, причем не только абсолютная величина интенсивности эрозии, но и характер ее зависимости от кавитационного коэффициента установки. Для разных материалов в зависимости от их кавита­ ционной стойкости требуется различная степень развития кави­ тации для начала эрозии (кривая <3 на рис. II 1.5). Каждый мате­ риал характеризуется предельным минимальным значением кави­ тационного воздействия, при котором эрозия вообще не возникает.

Механизм кавитационной эрозии различных материалов тоже

во многом различается, и потому связь между эрозионной способ­ ностью кавитации и кавитационной эрозией существенно различна для разных материалов. Например, при кавитационной эрозии углеродистых сталей большую роль играет коррозия со специфи­ ческим механизмом разрушения. При кавитационной эрозии алюминиевых сплавов, свинца в начальный период происходят в основном пластические деформации, потери веса почти нет. Совсем иначе разрушаются различные защитные покрытия.

В связи с этим уместно указать, что нельзя по результатам испытаний эрозионной способности кавитации с помощью легкоразрушаемых лаковых покрытий прогнозировать объем кавита­ ционной эрозии металла. Лак является хрупким покрытием по структуре и механическим свойствам, существенно отличаю­ щимся от металлов. Его кавитационная стойкость зависит от вида материала, на который он нанесен, от чистоты обработки поверх­ ности материала, от технологии нанесения. Лаковое покрытие Дает хорошую информацию о локализации эрозии, об относитель­ ной эрозионной способности кавитации при различных режимах работы турбины, о сравнительной интенсивности эрозии при

223