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

Здесь следует остановиться на характеристике интенсивности кавитационной эрозии. Существуют многочисленные критерии оценки процессов эрозии, выдвинутые рядом авторов. Приведем основные из них:

1)потеря объема материала в единицу времени;

2)потеря веса образца за определенный период испытаний;

3)продолжительность испытания образца до достижения опре­ деленной степени разрушения;

4)число кавитационных вмятин на единицу площади за еди­ ницу времени;

5)число и глубина кавитационных вмятин за определенное время испытания;

6)глубина и площадь эрозии за некоторый период работы;

7)расход электродов на восстановление разрушенной кави­ тацией поверхности.

Тот или иной критерий оценки эрозии выбирается в зависимо­ сти от условий эксперимента. Наиболее полно эрозия характери­ зуется объемом унесенного материала, однако не всегда его можно точно замерить. В связи с этим используются и другие критерии, также характеризующие интенсивность кавитационной эрозии.

5. КАВИТАЦИОННЫЙ ШУМ И ВИБРАЦИЯ

Захлопывание кавитационных каверн, а также их пульсация кроме кавитационной эрозии создают шум и вибрацию деталей установок.

Известно, что появление звуковой волны связано с изменением во времени плотности среды. В конечной стадии сжатия кавита­ ционной каверны давление в жидкости резко возрастает, что при­ водит вследствие сжимаемости среды к образованию сферических звуковых волн. Сжатие кавитационных пузырьков может проис­ ходить как в жидкости, так и на поверхности твердого тела. В слу­ чае замыкания кавитационных пустот на поверхности тела удар­ ная волна распространяется и в металле.

В зависимости от величины кавитационной каверны и окру­ жающих условий процесс сжатия может привести как к эрозии, так и к пульсации давлений в проточной части турбины. При этом очевидно, что мелкие пузырьки, захлопывающиеся на поверхности детали, приводят к эрозионному эффекту. Крупные же полости, замыкающиеся как в потоке, так и на поверхности деталей, вызы­ вают преимущественно колебания давлений, приводящих к вибра­ ции деталей турбины, а также к колебаниям мощности турбины.

Образование больших кавитационных полостей может про­ изойти на поверхности лопастей, обычно на входной кромке, и в центре потока под рабочим колесом жестколопастных турбин при работе на нерасчетных режимах.

Кавитационные полости на входной кромке лопастей возникают при обтекании с большими углами атаки, когда на входе образуется большой пик разрежения.

28

Разрыв сплошности в центре потока под рабочим колесом свя­ зан с разрежением, возникающим вследствие больших скоростей вблизи оси вращения. При определенной высоте отсасывания это разрежение приводит к образованию в центре потока пустотелого вихревого жгута.

Визуальные наблюдения на моделях показывают, что централь­ ный вихрь образуется на режимах, лежащих как слева, так и справа от оптимума рабочей характеристики. В зависимости от режима (QJ, п\) и от типа рабочего колеса вихревая полость имеет форму вращающейся спирали или форму пульсирующего «мешка». Поперечник вихря на некоторых режимах достигает половины диа­ метра рабочего колеса. При расходах меньших оптимального вих­ ревая полость вместе с потоком вращается в направлении враще­ ния рабочего колеса, при расходах больших оптимального — в обратную сторону.

Нужно отметить, что центральный вихрь появляется на ранних стадиях кавитации, задолго до образования первых кавитацион­ ных каверн на лопастях, при этом значения кавитационного коэф­ фициента установки ауст в три и более раз превышает кавитацион­ ный коэффициент турбины сгтурб. Таким образом, пустотелый вихрь появляется на режимах, далеких от кавитационного срыва энер­ гетических характеристик, и не сказывается заметно на величине

*ЧурбПри соприкосновении образовавшейся вихревой полости со

стенками отсасывающей трубы наблюдаются мощные удары, опас­ ные для прочности турбины. Из практики эксплуатации известны случаи отрыва конусов рабочего колеса и облицовки отсасываю­ щей трубы.

Пульсации потока и связанные с ним вибрации агрегата в наи­ большей степени проявляются для радиально-осевых гидротурбин в зоне с нагрузкой 40—60% Nom. При работе агрегата с Афп, вибрации исчезают.

На Ленинградском металлическом заводе им. XXII съезда КПСС (ЛМЗ) проведены испытания по замеру пульсаций давления

в отсасывающей трубе, спиральной камере, под крышкой турбины, кроме того, замерялись пульсация осевой силы и колебания мощ­ ности.

Проведенные испытания выявили две зоны повышенных пуль­ саций давления при N = 80-н160 МВт и за линией ограничения мощности при N = 235-:-248 МВт. Максимальная величина пуль­ саций в отсасывающей трубе и спиральной камере составляет 9— 11 % от напора, под крышкой турбины — 5,5 %. Частота пульсаций в отсасывающей трубе при N = 80-И 60 МВт составляла 0,42— 0,44 Гц, при N = 235-г-248 МВт — равна 1,1— 1,4 Гц. Кроме того, на всех режимах имелись частоты, кратные числу лопастей и числу лопаток направляющего аппарата. Однако эти величины

29

пульсаций незначительны и не превышают 1 % Я. Характер пуль­ сации осевой силы и колебания мощности аналогичны пульсациям давлений.

Нужно отличать вибрацию агрегата за счет пульсации потока от вибрации, связанной с электрическим, гидравлическим , механиче­ ским небалансом агрегата, а также вибрации, вызванные изломом линии валов агрегата. Эти вибрации, как правило, непрерывно растут с увеличением мощности агрегата и достигают максимума при Ятах.

Существуют несколько способов борьбы с пульсациями потока. Для ликвидации пульсаций давления под рабочим колесом, обра­ зовавшихся за счет центрального вихревого жгута, основным сред­ ством является впуск воздуха в зону повышенного разрежения. Впуск воздуха может осуществляться:

1)через конус рабочего колеса, при этом могут быть использо­ ваны центральное отверстие и боковые отверстия в конусе;

2)через крестовину из труб, установленную под рабочим ко­

лесом;

3)через отверстия на стенке отсасывающей трубы. Проведенные на ЛМЗ исследования эффективности перечислен­

ных способов впуска воздуха показали, что впуск воздуха через центральное отверстие конуса рабочего колеса обеспечивает почти полное гашение пульсаций при наименьшем, чем в других вариан­ тах, падении к. п. д.

Впуск воздуха под рабочее колесо турбин Братской ГЭС, осу­ ществленный через центральное отверстие конуса, снизил пульса­ ции давлений в проточной части до 1—3% Я. Колебания мощности при впуске воздуха снимаются полностью.

В то же время впуск воздуха под рабочее колесо не влияет на пульсацию потока, вызванную кавитационными полостями на входной кромке лопастей. Частота пульсации кавитационной ка­ верны на лопасти существенно выше частоты пульсации осевого вихря. Как будет показано в дальнейшем, частота пульсации кавитационной полости достигает в зависимости от скорости потока и размеров полости десятков герц. Если предположить, что пло­ щадь лопасти, занимаемая каверной, составляет 20x25 см, а ам­ плитуда пульсации изменяется от полного вакуума до половины напора, то при Я = 90 м пульсирующая нагрузка на лопасть со­ ставит примерно 2,5 тс. Такой вид нагрузки опасен с точки зрения усталостной прочности конструкции. Не исключены также и резо­ нансные явления.

Появление пульсирующей каверны особенно характерно для жестколопастных, радиально-осевых и пропеллерных турбин, если они работают в широком диапазоне напоров и мощностей. При этом возможно появление не одной, а нескольких каверн на лопасти. С изменением режима работы турбины будут меняться размеры и частота пульсации образовавшихся каверн, и возможно на каком-то режиме частота пульсации одной из каверн совпадет с собственной

30

частотой лопасти. Это неизбежно приведет к усилению вибраций агрегата и образованию трещин в лопастях.

Интересную работу по исследованию и устранению ненормаль­ ного шума и вибраций, возникших вследствие отрывного течения

борьбы с шумом — впуск воздуха, установка распорок между ло-

Рис. 1.12. Модификация входной (а) и выходной (б) кромок лопастей

Впуск воздуха, производимый в отсасывающую трубу, в верх­ нюю полость уплотнений, в спиральную камеру, существенного влияния на снижение шума не оказал.

Установка двух распорок на выходе из лопастного канала не изменила шума, распорка на входе существенно снизила шум, но после трех месяцев эксплуатации на распорках были обнаружены трещины и отрыв распорок.

Заострение входной и выходной кромок лопастей не сказалось на интенсивности шума.

Наилучший эффект дала наделка на входной кромке лопасти (рис. 1.12, а). Это обстоятельство необходимо учитывать при проек­ тировании турбины и стремиться не допустить появления кавита­ ционных каверн на лопастях, необходимо также обеспечивать максимальную жесткость лопастной системы.

Правильное профилирование входной кромки лопастей не только способствует уменьшению шума и вибраций агрегата, но также способствует уменьшению кавитационной эрозии.

Устранение повышенных вибраций за счет изменения выходных кромок лопастей описывается в работе [100]. На гидроэлектро­ станции Паркер (река Колорадо), оборудованной радиально-осе­ выми турбинами (N = 30 МВт, Я = 24 м, D x = 4,27 м), наблю­ дались большие вибрации при максимальных открытиях направля­ ющего аппарата. После четырех лет работы на лопастях были обнаружены трещины. Трещины были заварены, но через год

31