книги из ГПНТБ / Пылаев, Н. И. Кавитация в гидротурбинах

дования процессов зарождения и развития кавитации на профиле, позволяющими изучать формы кавитации, ее локализацию, степень развития, разрушующую способность в зависимости от параметров обтекания. Для успешного совершенствования про­ точной части необходимо знать, при каких формах, локализации, степени развития кавитации имеет место то или иное изменение энергетических параметров, появляется и существенно возра­ стает кавитационная эрозия. В связи с этим в последние годы обычные испытания на кавитационном стенде дополняются визуаль­ ными стробоскопическими наблюдениями через прозрачные ка­ меры, фото- и скоростной киносъемкой, эрозионными исследова­ ниями с помощью легкоразрушаемых материалов.

Однако такие исследования удобнее проводить на гидродина­ мической трубе, которая предоставляет для этого значительно большие возможности. Поэтому в Советском Союзе и за рубежом получают все большее распространение гидродинамические ме­ тоды исследования кавитации применительно к гидротурбинам.

19. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Гидродинамическая труба позволяет проводить исследования плоского течения, приближая условия эксперимента к расчетной схеме профилирования лопастной системы. В кавитационной гидродинамической трубе исследуются кавитационные и бескавитационные обтекания изолированных профилей, профилей в ре­ шетке, составляющих лопастную систему рабочего колеса, различ­ ных упрощенных тел для изучения процесса кавитации. На входе в рабочий участок трубы обеспечивается равномерное плоско­ параллельное течение с возможностью изменения в широких пределах скорости и давления потока.

Кавитационная гидродинамическая труба, предназначенная специально для исследования гидротурбинных решеток профилей, уже с начала 50-х годов функционирует в Токийском университете у профессора Ф. Нумачи [97]. Скорость и давление потока до и после изолированного профиля или иного тела одинаковы. Скорость и давление до и после бесконечной решетки профилей различны, причем степень различия зависит от параметров ре­ шетки. Чтобы при исследованиях решеток с ограниченным числом профилей создать условия, приближающиеся к условиям беско­ нечной решетки, Ф. Нумачи предусмотрел за рабочим участком диффузор с подвижными стенками.

Для исследования кавитационного обтекания решеток профилей была переоборудована высокоскоростная гидродинамическая труба Калифорнийского технологического института [63]. На выходе из решетки, как и у Ф. Нумачи, предусмотрены подвижные стенки. Одна из стенок рабочего участка позрачная.

В Советском Союзе для исследования решеток профилей гидро­ турбинного класса предназначена кавитационная гидродинами­ ческая труба ЦКТИ [81 ], схема которой представлена на

142

Рис. IV. 14. Кавитационная гидродинамическая труба:

I — компрессор; 2 — вакуумный насос; 3 — редуктор; 4 — электродвигатель; 5 — при ­ бор для определения воздухосодержания; 6 — бачок регулирования давления; 7 — де­ аэратор; 8 — конфузор; 9 — рабочий участок; 10 — диффузор; 11 — осевой насос; 12 — ресорбер; 13 — насос деаэратора; 14 — вихревой насос; 15 — фильтр песчаный

и з

рис. IV. 14. Экспериментальный рабочий участок располагается в верхней части трубы. Циркуляция потока обеспечивается спе­ циальным осевым насосом с поворотными лопатками 11, приводом которого служит двигатель постоянного тока. Питание двигателя осуществляется через трехмашинный агрегат Леонардо. В нижней части трубы располагается развитый ресорбер 12, обеспечивающий растворение большой части воздушных пузырей, выделившихся из воды при кавитации в рабочем участке. Все трубопроводы и ресорбер выполнены из нержавеющей стали, чтобы в максималь­ ной степени ограничить загрязнение воды продуктами коррозии. Для обеспечения равномерного потока перед рабочим участком установлены специально спрофилированный конфузор 8 со сте­ пенью поджатая около девяти и сотовый выпрямитель. За рабочим участком предусмотрен диффузор 10 с малым углом конусности и подвижными стенками. Все колена трубы имеют направляющие лопатки. Уровень давления в трубе регулируется с помощью вакуумного насоса 2 и компрессора /. Общее воздухосодержание меняется с помощью вакуумного деаэратора 7, снабженного цен­ тробежным насосом. Для измерения воздухосодержания исполь­ зуется усовершенствованный прибор Ван-Слайка 5. С его помощью определяется общее количество газа (растворенного и дисперс­ ного) в пробе воды, взятой из любого места установки.

Распространено мнение о том, что значение имеет не столько общее газосодержание, сколько содержание нерастворенного газа и даже спектральный состав газовых пузырьков. Возможно, этим объясняется расхождение некоторых экспериментальных данных по влиянию общего воздухосодержания. В связи с этим в послед­ ние годы ведутся работы по созданию соответствующей аппара­ туры. Разработан ультразвуковой прибор [13], позволяющий опре­ делять общее содержание нерастворенного газа в проходящем потоке (экспресс-анализ). Создана аппаратура для определения спектрального состава пузырьков газа в неподвижной воде [14]. В настоящее время осуществляются дальнейшее совершенствова­ ние и доведение этой аппаратуры до практического применения при кавитационных испытаниях [10]. Начаты также работы по внедрению оптических методов определения свободного газосодержания с помощью лазерной техники (голографии).

Труба позволяет создавать скорости течения на входе в рабо­ чий участок до 15—35 м/с, в зависимости от объекта исследова­ ния, идавленияот практически полного вакуума до ~ 5 ат избыточ­ ного давления, что позволяет изменять коэффициент кавитации

оо

р - г

в очень широких пределах. При испытаниях фиксируются ультра­ звуковые излучения кавитации. Прозрачные стенки рабочего

144

участка обеспечивают возможность визуальных наблюдений, фото- и скоростной киносъемки всех профилей решетки.

Исследования профилей как изолированных, так и в решетке, сопровождаются, кроме того, замером гидродинамических харак­ теристик в статике и динамике с помощью специального малога­ баритного и малоинерционного динамометра на тензометрах. Коэффициент кавитации k при испытаниях на кавитационной трубе изменяется путем регулирования давления рm или ско­ рости Uco перед решеткой или изолированным профилем, подобно тому как для изменения кавитационного коэффициента установки 0уст на кавитационном стенде изменяются высота отсасывания Hs (давление над нижним бьефом В*) или напор Н. Связь между коэффициентом кавитации k и кавитационным коэффициентом установки ауст была показана в п.5.

Кавитационная труба предоставляет хорошие возможности для исследования относительной интенсивности и локализации эрозионного воздействия кавитации при различных ее формах. Для экспериментальной оценки интенсивности кавитационного воздействия используются различные легкоразрушаемые мате­ риалы, в частности, двухслойное лаковое покрытие [11]. Эрозия на поверхности лака наблюдается в виде отдельных язвин, раз­ личных по глубине и диаметру, если продолжительность опыта не слишком велика. При длительных испытаниях лак полностью разрушается в зоне кавитации и площадь разрушения растет со временем за счет подмыва краев и смывается даже там, где наверняка нет кавитации. Поэтому интенсивность кавитацион­ ного воздействия обычно оценивается плотностью эрозии г, пред­ ставляющей число язвин, возникающих на единице площади обтекаемой поверхности в единицу времени, или иным параметром, учитывающим не только число, но и размеры язвин.

На рис. IV. 15 [20] представлено в качестве примера распреде­

кавитационного воздействия, оцениваемая параметром i, при кавитации в форме I I I в два с лишним раза больше, чем при форме II. Зона профиля, подверженная эрозии, при форме III тоже значительно больше. Максимальная интенсивность кавита­ ционного воздействия локализуется в зоне хвоста каверны (/кав — длина каверны). При форме III, кроме того, имеется зона интен­ сивной эрозии на входной кромке профиля. Удобно также харак­ теризовать интенсивность кавитационного воздействия отноше­ нием общего числа язвин на профиле к продолжительности испы­

видно, что интенсивность кавитационного воздействия суще­ ственно зависит от степени развития кавитации. С уменьшением числа кавитации интенсивность s быстро возрастает, достигает максимума, а далее начинает уменьшаться, хотя, как показы-

вают наблюдения, хвост кавитационной каверны еще не выходит за пределы профиля. График на рис. IV. 16 дает также возмож­ ность оценить влияние скорости и воздухосодержания на интен­ сивность эрозии. Характер зависимости s = f (k) не меняется, но величина s с ростом скорости резко возрастает, а увеличение

содержания воздуха в воде снижает интенсив­ ность эрозии.

интенсивность эрозии быстро растет, а затем резко падает, когда пузырьки начинают замыкаться за пределами профиля. Исследуя обтекание каждой из бесконечных плоских решеток профилей, составляющих лопастную систему осевого рабочего колеса, можно получить представление об условиях развития кавитации и кави­ тационной эрозии на лопасти рабочего колеса в целом. Таким образом, открывается возможность на стадии проектирования рабочего колеса экспериментально установить его кавитаци­ онно-эрозионные характеристики в широком диапазоне ре­ жимов.

146

Распределение давления на профиле в данной решетке, кото­ рое в конечном итоге и определяет условия развития кавитации, зависит от геометрии профиля и условий обтекания решетки. В свою очередь, условия обтекания решетки /-го сечения рабочего колеса определяются режимом работы турбины.

Анализ режимов работы поворотнолопастной гидротурбины показывает, что в поле универсальной характеристики различные сечения лопасти работают в широком диапазоне углов атаки а вх и

пленочных формах кавитации длина каверны растет по мере умень­ шения числа кавитации k, но абсолютные значения скорости обтекающего потока и общего воздухосодержания не влияют на характер этой зависимости. Ширина зоны эрозии увеличивается с развитием кавитации исоответствует области пульсации каверны, фиксируемой с помощью скоростной киносъемки.

Граница начала зоны эрозии при форме кавитации II I проходит сразу за окончанием участка действия растягивающих напряже­ ний /р. Это особенно заметно при начальных стадиях развития кавитации, когда длина каверны мала. В этом же месте про­ исходит периодический отрыв каверны. Ширина зоны эрозии при форме I I I увеличивается с ростом скорости, в то время как

147

положение максимума эрозии остается неизменным и располагается в районе видимого хвоста каверны. При форме кавитации II ширина зоны эрозии существенно меньше и ее границы не изме­ няются с изменением скорости. Местоположение максимума эрозии смещено вниз по потоку по отношению к видимому хвосту каверны.

Интенсивность кавитационного шума для кавитации в формах / / и I I I увеличивается с увеличением степени ее развития и с уве­ личением скорости, но если для формы I I I шум увеличивается

Рис. IV. 17. Линии постоянных значений углов атаки авх и относи­ тельных скоростей ац в поле универсальной характеристики для III сечения лопастной системы рабочего колеса ПЛ646

с уменьшением воздухосодержания, то для формы II влияние воздухосодержания на шум не обнаруживается. Аналогично влияние скорости и воздухосодержания на интенсивность эро­ зии при пленочных формах кавитации. Но зависимость интенсив­ ности эрозии от степени развития кавитации при форме I I I не монотонна (как зависимость шума), а имеет максимум. Уменьше­ ние интенсивности эрозии происходит задолго до выхода пульси­ рующего хвоста каверны за пределы профиля и не может быть объяснено этим обстоятельством.

Сопоставление экспериментальных данных с расчетными эпю­ рами, распределения давления показывает, что место возникнове­

согласуется с минимальным коэффициентом давления на профиле pmin, а при пленочной кавитации кнач < \ pmin\.

Как показывает эксперимент, при формах кавитации факель­ ной и особенно / ее развитие (с уменьшением числа k) происходит

148

Эрозионные исследования сводятся к решению следующих основных проблем:

1) определение зон и интенсивности кавитационных разруше­ ний при различных режимах работы турбин;

кавитационной эрозии.

Работы по этим направлениям ведутся как в лабораторных условиях, так и на действующих ГЭС.

20.ИССЛЕДОВАНИЕ ЭРОЗИИ НА МОДЕЛЯХ ТУРБИН

Внастоящее время при разработке новых рабочих колес все более широкое распространение получает исследование кавита­ ционной эрозии на моделях. Исследование эрозии на моделях позволяет на стадии проектирования оценить интенсивность кави­ тационного воздействия на рабочее колесо, а также определить, какие участки лопастей наиболее подвержены разрушениям и требуют покрытия кавитационностойкими материалами.

Наиболее простым способом обнаружения зон, подверженных кавитационным разрушениям, являются визуальные наблюдения за развитием процесса кавитации на лопастях при стробоскопи­ ческом освещении. Стробоскопический эффект основан на том, что если освещать вращающуюся деталь периодически повторяю­

щимися импульсами света, то при совпадении числа вспышек с числом оборотов детали благодаря инерционности зрительного ощущения изображение кажется неподвижным. Интервалы между вспышками должны быть не более 0,1 с. В качестве источника света в стробоскопических установках используются неоновые лампы, имеющие малую инерционность.

При хорошей оптической прозрачности воды в стенде, доста­ точно мощной стробоскопической вспышке и больших размера^ проточной части модельной турбины, у которой стенки камеры выполнены из органического стекла, можно проследить, при каких условиях начинается процесс кавитации в рабочем колесе,

150

как он развивается и на каком участке образуются кавитационные каверны.

Визуальные наблюдения могут сопровождаться фотографиро­ ванием.

Стробоскопические наблюдения обычно совмещаются по вре­ мени с опытами по определению сг1урб.

Интересные результаты получены при исследовании стробо­ скопическим методом поворотнолопастных турбин, проточная часть которых полностью доступна для наблюдения. Испытания позволили установить, что с увеличением разрежения за рабочим колесом первые кавитационные каверны появляются в зазоре лопасть—камера и лопасть—втулка рабочего колеса. Затем ка­ верны возникают на пере лопасти. Полное подавление кавитации происходит при значительном противодавлении за рабочим коле­ сом. Так, например, на колесе ПЛ587 кавитационные каверны

Стробоскопический способ исследования кавитации, отличаясь своей простотой, имеет ряд недостатков, во-первых, далеко не все участки лопастей, особенное радиально-осевых турбинах, доступны для наблюдения, во-вторых, неизвестно, в какой степени образо­ вавшаяся кавитационная каверна того или иного типа опасна для лопасти. В связи с этим, кроме стробоскопического наблюде­ ния, при исследовании кавитационной эрозии на моделях турбин, так же как на профилях в кавитационной трубе (п. 19), приме­ няется метод легкоразрушаемых покрытий. Такой метод более точен и надежен, так как позволяет выявить именно те места, где покрытие разрушается в первую очередь и, следовательно, кави­ тация наиболее опасна.

Испытания с помощью метода легкоразрушаемых покрытий весьма продолжительны и совместить их с обычными кавитацион­ ными испытаниями по определению сгтурб невозможно. Испытания по этому методу ведутся в определенной последовательности. Модель рабочего колеса с нанесенным покрытием испытывается определенное время (время устанавливается в зависимости от материала покрытия, напора установки, размеров модели) при одном режиме, характеризующемся постоянными значениями QJ, п[, сгуст. После этого турбина разбирается, обмеряется зона раз­ рушения, восстанавливается покрытие и затем задается следующий режим.

В качестве легкоразрушаемых покрытий обычно используются лаки и свинец.

На ЛМЗ исследования ведутся с лаковыми покрытиями. Метод требует строгого соблюдения технологии приготовления и нане­ сения покрытий. Лаки должны обладать хорошей адгезией как к металлу рабочего колеса, так и между собой. В противном слу­ чае будет происходить не эрозионное разрушение лакового покры­ тия в виде отдельных язвин, возникающих при кавитационных

15!