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

применении различных профилей лопастей, но не об объеме эрозии, который можно ожидать в натурных условиях. При скоростях течения меньше 25—30 м/с при любой интенсивности кавитации

. нержавеющая сталь не разрушается бесконечно долго. В то же время лаковое покрытие разрушается полностью за 5 мин при ско­

Рис. VI.5. Зависимость интенсивности кавитационной эрозии лопастей турбины Верхне-Туломской ГЭС от мощности при разных способах ее оценки:

1 — по объему потерянного материала; 2 — по площади зо­ ны эрозии; 3 — по глубине язвин

например, кривые оценки интенсивности кавитационной эрозии лопастей турбины Верхне-Туломской ГЭС методом скоростной эрозии (алюминиевые пластины) в зависимости от мощности тремя различными способами: по объему деформированного материала V

уменьшения коэффициента запаса k0 до 1,00— 1,02 с целью умень­ шения кавитационной эрозии. Действительно, в тех случаях, когда интенсивность эрозии характеризуется кривой типа 1 на рис. III.5, при уменьшении ka после ауст == стуст кр1 эрозия умень­ шается. Однако такая зависимость, как уже было показано, суще­ ствует не всегда. Кроме того, интенсивность эрозии, хотя и умень­ шается в этом случае по сравнению с максимальной, остается все-таки весьма значительной. Существенно уменьшить эрозию

224

таким путем нельзя. Важно также учитывать, что в процессе эксплуатации турбина работает при различных режимах. Пред­ положим, например, что максимальная интенсивность эрозии имеет место при некоторой мощности турбины ЛД2, при которой ka = 1,2. Тогда, при мощности N > 2 интенсивность эрозии будет меньше. Если при номинальной мощности принять kOHOM= = 1,0, то при нормальном эксплуатационном уменьшении мощ­ ности мы попадаем как раз в зону максимальной интенсивности эрозии. Это хорошо иллюстрируется кривыми на рис. VI.6, где дается зависимость ka от мощности для условий турбины Днепро-

Дзержинской ГЭС. Средняя линия соответствует существующему

и при kaПред = 2,0 эрозия вообще отсутствует. Конечно, надо не забывать, что переход к кСпред = 2,0 требует уменьшения высоты отсасывания от Hs = 1,0 до Hs = —5 м и, следовательно, увели­ чения капитальных затрат.

Таким образом, стремление к существенному сокращению кавитационной эрозии приводит к необходимости резкого увели­ чения коэффициента запаса ka.

Эффективным средством уменьшения интенсивности кавита­ ционных разрушений на лопастях рабочего колеса является эксплуатация турбины в зоне наименее эрозионно-опасных режи­ мов. Положение этой зоны режимов в поле универсальной харак­ теристики для различных рабочих колес будет, видимо, несколько отличаться друг от друга.

Анализ условий обтекания лопастей нескольких поворотно­ лопастных гидротурбин показывает, что в зоне высоких приведен­ ных оборотов на лопасти имеются условия для существования пузырьковой кавитации, в зоне оптимальных п{ и при п{ < п[опт возникают пленочные формы кавитации. Анализ эрозионной опасности различных режимов работы турбин Верхне-Туломской ГЭС показывает, что эрозионная способность каверны существенно уменьшается, во-первых, при увеличении п\ (уменьшении Н) и, во-вторых, при уменьшении QJ (N ). Первый результат является следствием возникновения на лопасти менее эрозионно-опасных форм кавитации, а также— уменьшения степени ее развития; второй результат — следствием как уменьшения степени развития кавитации, так и уменьшения скорости обтекания. В частности, при работе турбин Верхне-Туломской ГЭС в зоне расчетных на­ поров интенсивность кавитационных разрушений на лопастях была бы существенно меньше, чем при эксплуатации в зоне макси­ мальных напоров. Таким образом, можно сделать вывод, что эксплуатация турбин при несколько повышенных п{ приводит к уменьшению эрозионной опасности как вследствие существова­ ния на лопастях менее эрозионно-опасных форм кавитации, так и вследствие уменьшения степени ее развития. Зона благоприят­ ных в эрозионном отношении режимов работы турбины на каждой конкретной станции может быть найдена путем специальных рас­ четов.

Анализ условий обтекания лопастных систем радиально-осевых

характерно возникновение I-й формы кавитации. Причем зарожде­ ние кавитации' должно происходить в выходной части лопасти

инаибольшие кавитационные разрушения должны наблюдаться

врайоне выходной кромки, что и подтверждается опытом эксплуа­

тации. (Наблюдаемые на некоторых ГЭС, например Братской и Плявинской, разрушения лопастей рабочих колес в зоне вход­ ной кромки вызваны, видимо, наличием пика разрежения на входной кромке.)

29. ВПУСК ВОЗДУХА КАК СРЕДСТВО УМЕНЬШЕНИЯ КАВИТАЦИОННОЙ ЭРОЗИИ

Одним из возможных способов снижения интенсивности кави­ тационной эрозии является подвод воздуха в зону кавитации. Наличие свободного воздуха в очаге кавитации снижает вакуум внутри каверны и способствует насыщению жидкости воздуш­ ными пузырьками. Характеристики жидкости при этом меняются, она становится менее плотной, резко повышается сжимаемость. Возникающий при смыкании кавитационной каверны удар стано-

226

вится менее жестким вследствие снижения скорости смыкания и повышенной податливости водовоздушной смеси. Если рассмо­ треть конечную стадию кавитационного удара и учесть, что давле­

становится очевидным, что входящая в каверну коническая струя жидкости (рис. VI.7), наполненная воздушными пузырьками, не произведет такого разрушающего действия, как струя сплошной жидкости (рис. 1.11, б).

Для проверки эффективности впуска воздуха в зону кавитации на ЛМЗ были проведены испытания в гидродинамической трубе,

ного нагнетания. Было предусмотрено два варианта подвода воздуха: в узкое сечение сопла (в жидкость перед кавитационной каверной) и в диффузорную часть (в каверну). Расход воздуха регулировался с помощью дроссельных шайб. Замер расхода воздуха производился специальным расходомером. Продолжи­ тельность опыта 30 с. При этом воздух, подведенный в сопло, вторично не мог пройти через него, так как время обмена воды в стенде 90 с. Кроме того, из верхних слоев бака предусмотрен слив насыщенной пузырьками воды.

Для оценки интенсивности эрозии подсчитывалось количество кавитационных вмятин на образце во всей зоне. Хотя эта харак­ теристика интенсивности является приближенной, так как не учтена глубина вмятин, она дает возможность установить, при каких количествах воздуха эрозия сводится к минимуму.

Режимы испытаний и соответствующие им характеристики эрозии приведены в табл. VI.2.

С подводом воздуха интенсивность кавитационной эрозии резко падает и при расходе воздуха — 200 см3 (— 2%) эрозия практически отсутствует (рис. VI.8). Впуск воздуха перед каверной снижает эрозию при меньших расходах, чем в случае впуска не­ посредственно в каверну. Это объясняется более равномерным насыщением потока воздушными пузырьками. При впуске воздуха,

помимо снижения интенсивности эрозии, резко падает уровень шума.

Аналогичные результаты по влиянию воздухосодержания на эрозию получил в 1956 г. Р. Расмуссен при исследовании срывной кавитации на ротационном аппарате и в проточной установке [98].

Исследования Р. Расмуссена выявили, что подведенный воздух находится в потоке в виде мельчайших пузырьков диаметром 0,15—0,20 мм, количество которых достигает 200 шт. в 1 см3. Содержание ~ 1 % свободного воздуха приводит к полному устра­ нению кавитационной эрозии на алюминиевых образцах.

Процентное содержание воздуха в воде не может служить кри­ терием оценки подавления кавитационной эрозии. Соотношения между расходом воды и воздуха будут зависеть от конструкции установки, от способа подвода воздуха, от степени развитости кавитации. Кроме того, на расход воздуха будет влиять также тип, или форма, кавитации.

Известны также некоторые результаты наблюдения за влиянием впуска воздуха на эрозию натурных гидротурбин [4]. Впуск воздуха осуществлялся через клапаны срыва вакуума, которые открывались при разрежении 0,5—0,8 м вод. ст. Такое разрежение наблюдается на рассматриваемых турбинах при нагрузке 30— 60% Л^шах. На оптимальной нагрузке всасывание воздуха не происходит.

228