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

ударах, а скалывание покрытия целыми кусками. Методика ра­ боты с лаками разработана ВНИИгидромашем [11]. Рекомендо­ вано двухслойное лаковое покрытие.

Нижний слой — лак ЭЦ-106, состоящий из раствора смолы 106

В процессе эксперимента производится несколько промежу­ точных осмотров рабочего колеса. Во время осмотров фиксируется время начала разрушения каждого слоя лака и определяется скорость роста площади разрушения.

Верхний слой лака ЭГК менее стоек, он разрушается в 4—5 раз быстрее лака ЭЦ-106. По степени разрушения верхнего и ниж­ него слоев лака можно судить не только о местах разрушения, но и сравнивать в известной степени интенсивность кавитационного воздействия на разных режимах работы.

На рис. V.1 показаны зоны возникновения кавитационных ка­ верн на лопасти рабочего колеса ПЛ646, зафиксированные при стробоскопическом освещении, и места разрушения лакового покрытия. Испытания были проведены на стенде с рабочим коле­

152

В лаборатории гидромашин Ленинградского политехнического института в качестве легкоразрушаемого покрытия применялся свинец [8]. Свинец наносился на стальные лопасти рабочего ко­

леса электролитическим способом. Толщина покрытия 0,08— 0,1 мм.

В связи с тем, что рабочее колесо радиально-осевой турбины целиком покрыть при помощи электролитического способа не­ возможно, была создана разборная конструкция колеса с выем­ ными лопастями.

Испытания проводились при напоре 30—70 м, диаметр мо­ дельного колеса 250 мм.

При испытаниях на освинцованных лопастях фиксируются зона эрозии и косвенно интенсивность, характеризуемая видом разру­ шенного покрытия, — помутнение, губчатое разрушение, полное удаление покрытия. После снятия формуляра и фотографирова­ ния лопасть очищается от поврежденного покрытия и покрывается свинцом заново.

Повторяемость результатов при этих испытаниях достаточно хорошая — изменение площадей эрозии при одинаковых режимах не превышает 5%.

Исследование влияния продолжительности испытаний на эро­ зию, проводившееся при напоре 55—70 м, показало, что зона эрозии, выявившаяся за первые 6 ч испытаний, в дальнейшем увеличивается незначительно, изменяется лишь характер раз­ рушения — от помутнения к полному удалению покрытия.

Зона эрозии не зависит также от напора, с увеличением напора меняется лишь интенсивность кавитационного воздействия: за 6 ч испытаний при Н = 32 м — помутнение поверхности; при Н = = 42-^52 м — губчатое разрушение; Н = 62 — полное удаление покрытия.

Для серийных испытаний по определению влияния условий работы (QJ, п{, сгуст) на эрозию были выбраны: продолжитель­ ность одного режима 6 ч, напор 50—60 м.

В качестве примера на рис. V.2 приведены результаты испы­ таний рабочего колеса Р0697в. На рисунке показаны универсаль­ ная характеристика колеса с нанесенными на ней режимами испы­ таний 1, 2, . . 6 и соответствующие этим режимам формуляры кавитационной эрозии лопастей. Испытания на каждом режиме

к. п. д., до ka = 2,5, когда кавитация полностью подавлена. Испытания на рабочем колесе Р0697в выявили две зоны эро­ зии: за входной кромкой и около выходной кромки лопастей. Зона эрозии на выходной кромке появляется лишь при ka = 1,25. При увеличении и уменьшении ka эта зона на основных режимах (3, 4) исчезает. Лишь на пониженных нагрузках она сохраняется

и при ka — 1,0.

153

Основная зона кавитационной эрозии, расположенная За входной кромкой лопасти, с увеличением кавитационного запаса постепенно уменьшается и при ka = 2,5 практически исчезает. В оптимальной зоне характеристики и на малых расходах эта зона исчезает уже при ka = 2,0.

W

500 600 700 800 900 1000 1100

Рис. V.2. Зоны и интенсивность кавитационной эрозии на ра­ бочем колесе Р0697в при различных режимах работы

Рассматривая зависимость эрозии от мощности или от расхода, можно отметить, что наименьшие разрушения наблюдаются на режиме 1, где Q) = 50% Q\ max. С увеличением Q) эрозия воз­ растает, достигая максимума на режиме 4 (Q{max).

На рабочем колесе Р0697в разрушениям подвергается в основ­ ном тыльная сторона лопасти, однако на нерасчетных режимах, при больших п{ (малые напоры) разрушения возникают и на ра­ бочей стороне лопасти (режим 6, п\ = 95 об/мин).

154

Исследования кавитационной эрозии на моделях методом легкоразрушаемых покрытий позволяют выявить зоны кавитационного воздействия и оценить влияние режимов работы на интенсивность разрушений. Испытания наглядно показывают, что эрозия начи­ нается задолго до кавитационного срыва к. п. д. Так, например, для рабочего колеса Р0697в эрозия возникает при 0уст, в 2—2,5 раза превышающей атурб. Эти результаты согласуются с имею­ щимся опытом эксплуатации гидротурбин.

21. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭРОЗИИ НАТУРНЫХ ТУРБИН

Исследование кавитационной эрозии на натурных турбинах кроме выяснения основных закономерностей развития кавита­ ционных процессов в условиях действующих ГЭС, позволяет каче­ ственно оценить масштабный эффект и уточнить методы пересчета результатов эрозионных испытаний моделей турбин. Нужно отме­ тить сложность и большую трудоемкость исследования эрозии

внатурных условиях, однако без этих испытаний нет уверенности

вправильности методов пересчета результатов, полученных в ла­ боратории.

Натурные испытания имеют также большое значение для выяс­ нения влияния нагрузки, действующего напора и заглубления турбины на интенсивность кавитационной эрозии для конкрет­ ной ГЭС.

Первые публикации по исследованию кавитационной эрозии турбин в натурных условиях появились в 1958 г. [90, 91 ]. Кави­ тационная эрозия фиксировалась при помрщи легкоразрушаемых

покрытий.

В работе Р. Г. Кнаппа [911 излагаются результаты испытаний радиально-осевой турбины N = 30 МВт, Н = 24,4 м. В качестве легкоразрушаемого покрытия использовался чистый алюминий. Алюминиевая пластинка, изогнутая по форме лопасти, устанавли­ валась на входной кромке около нижнего обода как со стороны низкого, так и высокого давления. Крепление пластинки осуще­ ствлялось болтами, расположенными по ее краям.

Испытывался режим полной нагрузки и холостого хода. Время испытаний 5, 10, 20 мин. На каждый опыт ставились новые алюми­ ниевые пластинки. Интенсивность эрозии оценивалась по коли­ честву кавитационных вмятин на единицу площади в единицу вре­

мени.

Испытания показали, что на холостом ходу разрушения отсут­

ционной эрозии оценивалась с помощью радиоизотопов.

155

Испытания проводились на ГЭС Вамма в Норвегии. Испыты­

эрозии наносилось покрытие, содержащее радиоактивный мышьяк. Интенсивность эрозии определялась по уменьшению радиоактив­

новным металлом и исключало вспу­ чивание и отгиб пластин. Приклеивание алюминиевых пластин производилось карбинольным или эпоксидным клеем № 153.

С о с т а в к а р б и н о л ь н о г о к л е я (в весовых частях)

Для получения нужной вязкости приготовленный клей выдер­ живался в течение нескольких часов при комнатной температуре.

Поверхность алюминиевых пластин, подлежащая склейке, предварительно пескоструилась, а непосредственно перед нанесе­ нием клея обезжиривалась.

Пластины устанавливались и прижимались к лопасти рабочего колеса с помощью специального приспособления. Для быстрей­

156

шего схватывания клея осуществлялся подогрев участков склейки при 40—60° С. После отвердения клея приспособление снималось и производилась зачистка и заделка уступов и неровностей.

Время выдержки одного режима в зависимости от интенсивно­ сти кавитации на гидроэлектростанции выбиралось 10— 120 мин. За это время происходила пластическая деформация поверхности алюминиевых пластин кавитационными ударами без уноса мате­ риала.

При испытаниях, проводимых НИС Гидропроекта, оценка интенсивности эрозии производилась по количеству кавитацион­ ных вмятин на единицу площади или по отношению площади эрозии к общей площади лопасти.

Подсчет количества вмятин и площади эрозии производился после каждого режима испытаний без снятия пластин с лопастей. Перед новым режимом зона эрозии зачищалась. Таким образом, одни и те же пластины использовались для нескольких режимов.

Однако при большой интенсивности кавитации даже за 10 мин испытаний на алюминиевых пластинах появляются вмятины, которые трудно зачистить. К тому же, материал в процессе дефор­ мации меняет свои свойства за счет наклепа и условия испытаний становятся несопоставимыми. В связи с этим испытания, прово­ димые ЛМЗ, предусматривали после каждого режима испытаний снятие пластин и наклейку новых.

Следует также отметить, что для оценки эрозии показатель количества кавитационных вмятин на единицу площади недо­ статочен. Большое значение имеет и сила кавитационного удара, оцениваемая глубиной вмятины.

Можно представить массу слабых ударов, которые оставят лишь следы на алюминии, в то время как несколько сильных уда­ ров вызовут его разрушение.

Интенсивность кавитационного воздействия наиболее пра­ вильно определяется количеством унесенного металла, измеряе­ мого глубиной и площадью разрушенной поверхности. В связи с этим в качестве показателя интенсивности кавитации на ЛМЗ выбраны средняя глубина и площадь эрозии. Учитывая, что при испытаниях алюминиевые пластины не доводились до разрушения, связанного с весовыми потерями, средняя глубина эрозии под­ считывалась как средняя глубина деформированного металла. Этот показатель учитывает как количество, так и силу кавита­ ционных ударов. Поскольку на поверхности лопасти интенсив­ ность кавитационного воздействия неодинакова, вся зона эрозии разбивалась на отдельные участки, для которых определялась глубина деформации hR и площадь эрозии S3t-. Для определения глубины деформации из каждого участка поврежденной поверх­ ности вырезался образец размером 15 X 15 мм и для элемента поверхности 5 X 5 мм, расположенного в центре образца, строи­ лись профилограммы шести срезов длиной по 5 мм. Профило­ граммы строились с помощью микроскопа (Х320) с микрометри­

157

ческим перемещением стола и тубуса. Глубина деформации опре­ делялась как отношение суммарной площади выступов и впадин относительно линии исходной поверхности к длине рассматривае­ мого участка

к— — I— •

Осредненная по шести срезам глубина деформации служила характеристикой кавитационной эрозии на рассматриваемом уча­

стке.

Суммарный объем деформации всей площади эрозии можно определить суммированием объемов по отдельным участкам

с помощью легкоразрушаемых материалов получил название метода скоростной эрозии. Этим методом ЛМЗ проведены испы­

Нужно отметить, что существенных расхождений в эрозии каждой лопасти не обнаружено. На рис. V.4 показаны зоны эро­ зии на алюминиевых пластинах одной из лопастей. По резуль­ татам этих опытов можно установить влияние нагрузки турбины на интенсивность кавитационной эрозии.

158

Следует отметить, что при испытаниях величина Hs остаИаласЬ практически постоянной и с изменением мощности менялось значение k0, при этом максимальной мощности соответствовало минимальное значение ka = 1,09, а минимальной мощности — максимальное значение ka = 1,92.

Рис. V.4. Зоны эрозии на алюминиевых пластинах лопасти рабочего колеса Верхне-Туломской ГЭС; 1, 2, 3, 4 — номера режимов (табл. V.1)

В процессе обработки результатов испытаний для каждой зоны эрозии, показанной на рис. V.4, подсчитывались глубина деформации и площадь. Интересно отметить, что наибольшая глубина деформации на участке за входной кромкой лопасти наблюдалась на режиме 2 (N == 48 МВт).

Имеющийся максимум глубины деформации не может быть объяснен влиянием величины скорости обтекания. Как показали проведенные расчеты, относительная скорость при имеющих место пределах изменения нагрузки меняется незначительно. Наличие

159

Максимума связано с динамиком смыкания кавитационной ка* верны при изменении ее размеров.

Площадь эрозии за входной кромкой ^увеличением мощности возрастает, при этом происходит удаление^области максимальных повреждений от линии кромки. На периферийном участке лопасти зона эрозии также возрастает с увеличением мощности.

Интегральная интенсивность кавитационного воздействия, ха-

ляя эти результаты, можно отметить лишь качественное совпадение: как в лабораторных, так и в натурных условиях разрушение наблюдается вблизи входной

На модельной турбине разрушение лакового покрытия ло­ пасти происходит в виде небольшого пятна диаметром около 10% длины входной кромки. Увеличение продолжительности испы­ таний с 10 до 30 ч не приводит к увеличению размеров пятна.

На натурной турбине зона разрушений занимает широкую полосу, вытянутую вдоль входной кромки. Протяженность зоны максимальной интенсивности составляет примерно 50% длины

160

Существенно в ы ш е в натурных условиях и интенсивность ка­ витационной эрозии. Если на модельной лопасти лаковое покры­ тие разрушается путем выкола мельчайших частичек диаметром меньше 0,1 мм, то на натурной лопасти повреждения на алюми­

Для сравнения стойкости лакового покрытия и алюминия были проведены испытания в гидродинамической трубе с интен­ сивностью кавитационного воздействия, близкой к турбинам Верхне-Туломской ГЭС. При этом было обнаружено, что разру­ шение лакового покрытия происходит в первые же секунды опыта. Лак скалывается в виде пятен диаметром до 2 мм. Полное разру­ шение покрытия происходит через 20—40 с. Учитывая, что на модельной турбине сквозные разрушения лакового покрытия появились через 10 ч испытаний, можно заключить, что интен­ сивность кавитационной эрозии на натурной турбине в сотни раз выше, чем на модели. Это вызвано большими линейными раз­

кавитационного течения. На модельной лопасти кавитационная каверна в основном имеет гладкую поверхность и лишь в местах сильной турбулизации потока, расположенных ближе к перифе­ рийной кромке, гладкая поверхность каверны нарушается и происходит вынос за пределы каверны отдельных паровых пустот.

На натурной турбине степень турбулентности выше (ReH/ReM= = 32) и резкие возмущения каверны, сопровождаемые отрывом и выносом паровых пустот, могут иметь место по всей длине хво­ стовой части каверны, что и вызывает разрушения, расположен­ ные вдоль всей входной кромки лопасти.

Рассмотрим результаты испытаний на эрозию радиально-осе­ вых турбин.

Н а Б а к с а н с к о й ГЭС исследовалось рабочее колесо Р0697а опытной турбины. Кавитационные разрушения на этом колесе в условиях Баксанской ГЭС наблюдаются с тыльной сто­ роны лопастей вдоль всего нижнего обода. Наибольшая интенсив­ ность эрозии— в районе выходных кромок лопастей. В этом месте и были наклеены алюминиевые пластины. Размер пластин

155 X 120 мм.

На Баксанской ГЭС, кроме влияния мощности, было исследо­ вано влияние высоты отсасывания на кавитационную эрозию. Изменение высоты отсасывания производилось путем установки щитов в отводящей камере. Продолжительность одного режима была выбрана 2 ч.

Характеристика исследованных режимов приведена в табл. V.2. Результаты испытаний представлены на рис. V.6, где по оси абсцисс отложены мощность и ka, а по оси ординат — объем

деформации алюминия.