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

Согласно наблюдениям, на турбинах с впуском воздуха эрозия сократилась как по площади (~ на 30%), так и по глубине (до 50%). Эти результаты нуждаются в проверке. Действительно, как показали проведенные испытания ряда турбин (п. 21), наи­ большая интенсивность эрозии наблюдается в зоне оптимальных

При прохождении по лопасти воздух попадал последовательно во все зоны между входной и выходной кромками. На лопасти имелись три основные зоны эрозии (рис. V.9): зона 1 — за входной кромкой вблизи места максимальной кривизны лопасти; зона 2 — между нижним ободом и зоной 1\зона 3 — вблизи выходной кромки.

Количественная оценка влияния подвода воздуха на интенсив­ ность эрозии в этих зонах была выполнена на основании резуль­ татов испытаний методом скоростной эрозии. Для этого на всю нижнюю часть лопасти, включающую зоны /, 2 и 3, наклеивались пластины из отожженного алюминия АД1М. Турбине задавался определенный режим работы, и после 10 мин испытаний пластины снимались для последующего измерения кавитационных повреж­ дений.

229

Хаотичное движение объемов жидкости в местах захлопываний каверны в зоне 1 способствует рассеиванию воздуха по межлопаст­ ному каналу, поэтому в зону 3, расположенную ниже по потоку, также попадает только часть впускаемого возДуха, которая не обеспечивает такого резкого снижения эрозии, как в зоне 1.

Однако во всех зонах уменьшение интенсивности, достигаемое впуском воздуха, является существенным.

Впуск воздуха в пределах 0,05—0,1% расхода воды не приво­ дит к заметному изменению давления на поверхности лопасти. Косвенным подтверждением этого является идентичность положе­ ния зон эрозии без воздуха и при впуске воздуха. При таком ко­ личестве воздуха к. п. д. турбины не снижается. Возможно даже некоторое его повышение вследствие аэрации пограничного слоя.

Это подтвердили испытания, проведенные на турбине Братской ГЭС, оборудованной устройством для подвода воздуха на всех лопастях. Количество засасываемого воздуха на оптимальной нагрузке составляло — 0,1% от расхода. Причем воздух начинает засасываться с нагрузки 90 МВт и его количество существенно не меняется при увеличении нагрузки до 240 МВт. Впуск воздуха не приводит к снижению к. п. д. турбины, а в диапазоне нагрузок 200—235 МВт имеется тенденция его повышения. Подводимый воздух несколько уменьшает вибрацию агрегата. Так, например, вертикальные и горизонтальные вибрации верхней крестовины генератора уменьшились на 0,010—0,015 мм.

Проведенные исследования показывают, что впуск воздуха в зону кавитации является действенным средством снижения ка­ витационной эрозии и может быть рекомендован для турбин мно­ гих гидроэлектростанций.

30.КАВИТАЦИОННОСТОЙКИЕ МАТЕРИАЛЫ

ИЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ

Материалы, применяемые для изготовления деталей проточной части турбины. Детали, работающие в условиях кавитационного воздействия, кроме кавитационной стойкости должны обладать определенным комплексом технологических свойств, необходимым уровнем прочности, а также допускать подварку изношенных участков без подогрева.

С развитием гидротурбостроения, с повышением быстроход­ ности турбин и увеличением единичной мощности агрегатов широко применявшийся ранее для изготовления деталей проточ­ ной части турбины чугун был заменен углеродистой сталью, ко­ торая, в свою очередь, заменяется нержавеющей сталью.

Основные недостатки чугуна — низкая кавитационная стой­ кость и трудности с восстановлением изношенных участков де­ талей.

Углеродистая сталь, не обладая существенным преимуществом перед чугуном в кавитационной стойкости, допускает восстановле­

231

ние изношенных Деталей путем электродной наплавки. Углероди­ стые стали применялись следующих марок: сталь 25Л и ЗОЛ.

Внастоящее время они заменены сталью 20ГСЛ 135]. Применение нержавеющих сталей явилось эффективным сред­

ством борьбы с кавитационной эрозией. Нержавеющие стали при­ меняются как в качестве конструкционного материала для изго­ товления рабочих колес радиально-осевых, поворотнолопастных и ковшовых турбин, так и в качестве защитных облицовок и на­ плавок [35].

Отливки из сталей 25Х14НЛ и 20Х13НЛ имеют довольно сложный режим термообработки продолжительностью 9— 12 сут. Следует отметить также неоднородность структуры отливок сталей 25Х14НЛ и 20Х13НЛ по сечению, приводящую к нестабильности механических свойств и большому количеству отклонений, осо­ бенно по характеристикам пластичности.

К недостаткам этих сталей следует отнести необходимость Предварительного и сопутствующего подогрева до 300—400° С при заварке литейных дефектов. Сварка без подогрева вызывает подкалку околошовной зоны до НВ 450, что может привести к обра­ зованию трещин.

В настоящее время стали 25Х14НЛ и 20X1 ЗИЛ не применяются они заменены сталью 0Х12НДЛ. Сталь 0Х12НДЛ имеет более простую термообработку, по времени примерно на 100 ч короче, чем у стали 20Х13НЛ. Кроме того, сталь 0Х12НДЛ лучше сва­ ривается. Если при сварке больших толщин и требуется предва­ рительный и сопутствующий подогрев до 200° С, то сварка малых толщин (до 50 мм) и заварка поверхностных дефектов могут про­ изводиться без подогрева. Возможность местной подварки яв­ ляется весьма ценным качеством этой марки стали, так как позво­ ляет производить заварку деталей, разрушенных кавитацией, без разборки турбины.

Аустенитноферритная сталь 0Х18НЗГЗД2Л обычно исполь­ зуется для изготовления деталей турбин, работающих на воде с наносами. Объясняется это не тем, что сталь 0Х18НЗГЗД2Л имеет повышенную абразивную стойкость (ее стойкость на уровне обычных хромистых сталей, типа 0Х12НДЛ), а тем, что она хорошо сваривается. Сталь 0Х18НЗГЗД2Л сваривается без подо­ грева и, следовательно, позволяет вести большие восстановитель­

к понижению содержания углерода в нержавеющих сталях. ЦНИИТмашем [36] для изготовления рабочих колес предложена новая сталь 00Х12НЗДЛ с содержанием углерода 0,07%.

Нержавеющие стали широко используются также в качестве защитного слоя для предохранения углеродистых сталей от кави­ тационных разрушений. Так, например, многие рабочие колеса радиально-осевых турбин, изготовленные из стали 20ГСЛ, защи­

232

щены от эрозии наплавкой или облицовкой из нержавеющей стали (турбины Братской и Красноярской ГЭС). Камеры рабочих колес поворотнолопастных турбин изготовляются из биметаллического листа с наружным слоем из нержавеющей стали.

В качестве защитных облицовок применяются стали 1X18Н ЮТ, 0X13, 1X13.

Электродные наплавки обычно применяются типа ЦЛ-9, ЦЛ-11, которые по составу соответствуют стали с содержанием

18—20% Сг и 8— 10% N1.

Уральским политехническим институтом для гидротурбин предложена группа новых нержавеющих сталей [5, 6]. Среди них нестабильные аустенитные стали на железомарганцовой основе 30Х10Г10, 0Х14АГ12 и дисперсионно-твердеющие стали типа

1Х17Н5ТЮ, 00Х16Н4ЛД2, 1Х12Н6ТЮ.

В хромомарганцовых сталях под действием пластической де­ формации, возникающей при кавитационных гидроударах, аусте­ нит распадается с образованием мартенсита и тем самым происходит упрочнение поверхностного слоя. По мере разрушения упрочнен­ ного поверхностного слоя в работу вступают новые слои металла, вследствие чего разрушающему действию кавитации противо­ стоит все время упрочненный слой.

Рекомендуемая термическая обработка для хромомарганцовых сталей относительно проста: для стали 30Х10Г10 — закалка в воду с 1100° С, для стали 0Х14АГ12— нормализация с 1050° С. После окончательной термической обработки эти стали, относя­ щиеся по своей структуре к группе аустенитных, имеют следующие

тельно невысокий предел текучести сталей, а также значительные трудности в механической обработке затрудняют использование их в качестве конструкционного материала. Применение этих сталей возможно в качестве облицовки.

Дисперсионно-твердеющие стали имеют высокие прочностные характеристики благодаря старению мартенсита. Так, например,

= 6,5 кгс-м/см2, другая сталь 00Х16Н4МД2 после такой же термической обработки характеризуется следующим уровнем

Кавитационная стойкость этих сталей вследствие мартенсит­ ной структуры будет также повышена, но в значительно меньшей степени, чем у хромомарганцовых сталей. В настоящее время производится промышленное исследование предложенных марок сталей.

В мировой практике известно применение и других типов спла­ вов. Так, например, во Франции [27] кроме обычных хромистых и хромоникелевых сталей для изготовления рабочих колес

233