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

Т а б л и ц а V. &

Химический состав и твердость наплавленного слоя

П р и м е ч а н и е : н/о — не определялось.

дйлась в один слой, толщина наплавленного слоя 2—3 мм. Ра­ бочее колесо находилось в эксплуатации один год (-—6000 ч).

Состояние наплавок было следующее.

1.Наиболее сохранились наплавки аустенитными электро­ дами ЦЛ-11 и ЦЛ-9. Наплавки блестящие без следов кавитации.

2.Наплавки электродами ЭФ-13 и УПИ-2 имеют отдельные кавитационные разъедания в виде борозд, возникших в местах между сварными валиками.

3.Твердый сплав Т-590 под действием кавитации выкраши­

вается, причем разрушение идет по сетке трещин, возникающих при наплавке.

4. Наплавки электродами ЦМ-7 и 12АН/ЛИИВТ сильно раз­ рушены кавитацией с образованием характерной губчатой струк­ туры. Глубина разрушений до 5 мм.

Во время ремонта лопасти, разрушенные кавитацией (на­ плавки Т-590, ЦМ-7, 12АН/ЛИИВТ), были восстановлены путем заварки электродами ЦЛ-9, а лопасти с наплавками ЭФ-13 и УПИ-2 дополнительно подварены в местах разрушений теми же электродами.

После второго года эксплуатации наплавки ЦЛ-11 и ЦЛ-9 по прежнему не имели разрушений. В хорошем состоянии оказа­ лись также наплавки ЭФ-13 и УПИ-2, дополнительно подварен­ ные во время первого ремонта.

В дальнейшем на Баксанской ГЭС испытано рабочее колесо с защитными наплавками только аустенитными электродами ЦЛ-11 и ЦЛ-9. Трехлетняя эксплуатация такого колеса не вы­ явила каких-либо кавитационных разрушений на наплавках.

На Варзобской ГЭС лопасти были наплавлены электродами

На Братской ГЭС испытывались наплавки электродами ЭА-925, УПИ-2, ЦЛ-9 и ЦЛ-11. Наплавка была выполнена в два слоя. Испытания показали, что более высокой кавитационной стой­ костью обладают наплавки электродами ЭА-925, УПИ-2.

Таким образом, проведенные эксперименты показывают, что если в наплавленном слое содержится больше 10—-12% Сг, т. е. если слой нержавеющий, то его кавитационная стойкость неизме­ римо выше, чем у наплавок, не обладающих антикоррозионными свойствами. В последнем случае твердость наплавленного слоя не играет существенной роли. Так, например, наплавка электро­ дом 12АН/ЛИИВТ, имеющая высокую твердость, примерно НВ 500, разрушается так же, как и обычная углеродистая, выполненная электродом ЦМ-7 и имеющая твердость НВ 180.

В то же время наплавки электродами ЦЛ-9 и ЦМ-7, имеющие близкие механические свойства и отличающиеся лишь корро­ зионной стойкостью (ЦЛ-9—-нержавеющая, ЦМ-7 — обычная), разрушаются по-разному: одна в условиях Баксанской ГЭС не

174

v C n

разрушилась за три года (ЦЛ-9), а на другой (ЦМ-7) глубина разрушений за год достигла 5 мм.

О кавитационной стойкости нержавеющих и углеродистых сталей можно судить и по штатным деталям турбин. Наиболее наглядно это видно на лопастях поворотнолопастных турбин, изготовленных из различных материалов. Приведем несколько примеров.

по тыльной поверхности пера до 5 мм, на периферийной кромке — до 25 мм (рис. V. 14, а).

Турбина № 2 Цимлянской ГЭС была укомплектована лопа­ стями из нержавеющей стали 25Х14НЛ (2 шт.), из углеродистой стали ЗОЛ (2 шт.) и из стали ЗОЛ с облицовкой сталью 1Х18Н9Т (2 шт.). За четыре года эксплуатации (— 30 000 ч) разрушения на лопастях из углеродистой стали ЗОЛ достигли 30 мм (рис. V.14, б). На облицованных лопастях наблюдаются отрыв облицовки и последующее разрушение основного материала до 15 мм. На нержавеющих лопастях кавитационные повреждения отсутст­ вуют.

Таким образом, испытания штатных деталей, изготовленных из различных материалов, также убедительно свидетельствуют о значительно более высокой кавитационной стойкости нержаве­ ющих сталей.

23. ЛАБОРАТОРНЫЕ СТЕНДЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КАВИТАЦИОННОЙ ЭРОЗИИ

Кавитационная эрозия в лабораторных условиях может соз­ даваться в установках проточного типа за местным сужением канала или за телами различной геометрической формы; в уста­ новках, где источником кавитации является вибрирующий с боль­ шой частотой образец, и в установках, воспроизводящих заклю­ чительную фазу эрозионного процесса — удар воды о поверхность образца.

В установках проточного типа наиболее полно воспроизво­ дятся естественные процессы кавитации, имеющие место в кана­ лах гидравлических машин.

Одной из первых установок проточного типа (рис. V.15, а) является сопло Шретера (1932 г.). Это сопло в несколько модер­ низированном виде (один образец против направляющего гребня заменен двумя боковыми) было использовано Мауссоном для исследования кавитационной стойкости большой группы мате­ риалов [95].

К стендам с естественной кавитацией можно отнести также установки с вращающимся диском, где кавитация возникает за

176

отверстиями, расположенными на различном расстоянии от оси вращения диска [98].

Вибрационный метод создания кавитации был впервые пред­ ложен Кенсом в 1937 г. Впоследствии этот метод был усовершен­ ствован Шумсом и Петерсом. Созданный ими магнитострикционный вибратор получил широкое распространение для исследова­ ния кавитационной эрозии материалов. Сущность магнитострикции заключается в том, что некоторые материалы (никель, ко­

ливаемого на пути следования звуковых волн, испытывает знако­ переменное изменение давления, вызывающее последовательное образование и смыкание кавитационных каверн.

Способ разрушения образца ударом воды был впервые предло­ жен Хоннегером в 1927 г. Сущность этого метода заключается в следующем.

На диске, приводимом во вращение электродвигателем, за­ крепляются образцы, которые при вращении диска пересекают струю воды (рис. V.15, б). При пересечении образцом струи воды происходит гидроудар, вызывающий разрушение поверхности образца.

Для исследования кавитационной эрозии наиболее широко используются три типа стендов: кавитационно-эрозионный про­ точного типа, где кавитация возникает за местным сужением ка­ нала; магнитострикционный вибратор; ударно-струйный или ударно-эрозионный стенд.

Установка проточного типа, или кавитационно-эрозионный стенд, используется для исследования физической природы кави­ тационной эрозии, оценки влияния различных факторов на интен­ сивность кавитационного процесса, а также для исследования кавитационной стойкости материалов в условиях, близких к на­ турным.

Магнитострикционный вибратор и ударно-эрозионный стенд используются в основном для определения кавитационной стой­ кости материалов.

Остановимся на конструкции этих стендов на Ленинградском металлическом заводе им. XXII съезда КПСС.

К а в и т а ц и о н н о - э р о з и о н н ы й с т е н д Л М 3 представлен на рис. V.16.

Рабочей частью стенда является кавитационное сопло 10, представляющее собой конфузорно-диффузорный канал прямо­ угольного сечения. Угол конфузора на входе в щель постоянного

тока в кавитационном сопле, создается насосом типа ЗКМ-6, приводимым во вращение электродвигателем переменного тока. Насос и двигатель представляют собой единый агрегат 15, име­ ющий общий вал.

Регулирование давления воды на входе и выходе кавитацион­ ного сопла осуществляется задвижками 8 и 14.

В качестве основного резервуара для воды служит бак 3. В стенде предусмотрен непрерывный обмен воды за счет слива нагретой и насыщенной газовыми пузырьками воды из верхней части бака и наполнения его из системы технического водопровода. Этим достигается также постоянство воздухосодержания в воде стенда. Расход обмениваемой воды и давление в баке регулируются задвижкой от технического водопровода 4 и сливным вентилем 12. Бак снабжен предохранительным клапаном 2. Давление воды в приемной трубе перед баком, в баке, на входе и выходе из сопла измеряется манометрами 5, 7, 9.

Скорость потока в кавитационном сопле измеряется с помощью трубки Пито 16, устанавливаемой перед соплом, и водовоздушного дифманометра 17.

Для уменьшения вибрации кавитационного сопла и напорного трубопровода предусмотрена специальная опора 13. Предусмо­ трено также охлаждение стенда, регулируемое вентилем 1.

Испытываемый образец И устанавливается на боковой стенке сопла. Крепление образца осуществляется двумя планками. Детали сопла, подвергающиеся кавитационному воздействию (боковые стенки и крышка), выполнены из капролона или поли­ этилена, имеющих высокую кавитационную стойкость.

Днище сопла для возможности наблюдения за зоной кавита­ ции изготовлено из органического стекла. Для уменьшения шума

178

устанавливается глушитель 6 и сопло дополнительно закрывается специальным кожухом из органического стекла. С этой же целью трубопровод за соплом покрыт слоем губчатой резины. Снижению

уровня шума способствует также изготовление сопла из неметал­ лических материалов.

В зависимости от цели исследования конструкция кавитацион­ ного сопла может быть изменена. Для исследования масштабного фактора кавитации меняются габариты сопла; для фиксации

частоты и характера смыкания кавитационной каверны, производи­ мой с помощью скоростной съемки, боковые стенки делаются из оргстекла; для исследования спектра кавитационных ударов на образец наклеиваются мягкие материалы: свинец, отожженный

зуется обычной конструкции. Принципиальная схема магнитострикционного вибратора показана на рис. V.17. Основной ча-

Рис. V.17. Принципиальная схема магнитострикционного вибра­ тора

стью установки является никелевая трубка 1. На верхней части трубки установлена катушка возбуждения 2, которая создает в трубке переменное магнитное поле. Колебания этого поля уси­ ливаются за счет постоянного поля, создаваемого катушкой подмагничивания 4, питающейся от селенового выпрямителя 8.

Результирующий магнитный поток пульсирует от минималь­ ного значения, когда поля катушек 2 и 4 направлены навстречу друг другу, до максимального значения, когда эти поля склады­ ваются. Благодаря большой магнитострикции никеля, пере­ менное магнитное поле вызывает продольные колебания трубки. Амплитуда колебаний становится максимальной, если частота переменного тока в катушке возбуждения 2 совпадает с собствен­ ной частотой трубки.

180

1

9 3 5

Рис. V. 18. Ударно-эрозионный стенд

181