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

Схема установки автоколебательная. По этой схеме колебания трубки происходят всегда в резонансных условиях, так как частота переменного поля задается частотой собственных колеба­ ний трубки. Это осуществляется при помощи катушки обратной связи 3, которая подает наведенный колебаниями трубки пере­

руется переключателем емкости входного контура, амплитуда колебаний трубки регулируется путем изменения выходной мощности усилителя.

Контроль за амплитудой колебаний осуществляется электри­ ческим указателем амплитуды 5. Никелевая трубка выбрана длиной 305 мм и диаметром 18 мм. На нижнем конце трубки кре­ пится образец 6, погружаемый в сосуд с водой 7. Глубина погру­ жения образца 4 мм. Частота колебаний трубки, определяемая ее размерами и весом образца, составляет — 8000 Гц. При такой частоте переменного поля велики потери на вихревые токи. Для уменьшения этих потерь в трубке делается узкая прорезь почти по всей длине, которая заполняется изоляционным материалом. Во избежание нагрева трубки 1 и воды в бачке 7 предусмотрено охлаждение этих узлов проточной водой.

Основным узлом стенда является диск 1 диаметром 500 мм, который приводится во вращение двигателем постоянного тока.

борам пульта управления и контролируются тахометром.

На диске 1, на равном расстоянии друг от друга, крепятся четыре образца 2.

Стенд представляет собой установку замкнутого типа. Вода насосом 5 подается в напорный бак 4. Давление в напорном баке

друг против друга по обеим сторонам диска. Отработанная вода сливается в сливной бак 3, служащий одновременно основанием стенда. Заполнение и слив воды стенда осуществляются при по­ мощи задвижек. Замена воды в стенде обычно производится через 1—2 ч испытаний. Контроль за уровнем воды в баке про­ изводится при помощи водомерного стекла.

24. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКО И ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ КАВИТАЦИОННОЙ ЭРОЗИИ

Исследование физической природы кавитационной эрозии производилось на кавитационно-эрозионном стенде (рис. V. 16). Рабочий участок стенда представляет собой конфузорно-диффу-

182

зорный канал, ограниченный тремя плоскими и одной профильной стенками. Кавитационная эрозия вызывается каверной, которая образуется в диффузорной части сопла и связана своим началом с местом перехода щели в диффузор. В гидротурбинах кавитация, связанная с возникновением каверны на обтекаемом теле, может иметь место при наличии резких пиков разрежения на обтекаемой поверхности. Такой тип кавитации характерен, например, для входных кромок лопастей.

Кавитационная каверна в диффузоре визуально восприни­ мается как неподвижная. Однако скоростная съемка, выполненная кинокамерой СКС-1М с частотой кадров 3200 в секунду, выявила, что каверна пульсирует, проходя стадии роста отрыва и последу­ ющего смыкания [93 J. Однако наблюдения показывают, что отрыв происходит не всей каверны, а лишь ее части. Причем отделив­ шаяся часть каверны при одном и том же режиме имеет неодина­ ковую длину. Разница в длине каверны в момент ее отрыва колеб­ лется в пределах 30%. Процесс смыкания каверны весьма кратко­ временный. При скорости потока 36 м/с время смыкания каверны составляет 0,001—0,003 с.

Была изучена также динамика кавитационной каверны в за­ висимости от степени развитости кавитации, характеризуемой числом k, и от скорости потока.

Течение в кавитационном сопле характеризуется тем, что при изменении давления на выходе из сопла постоянство скорости потока обеспечивается практически при неизменном давлении на входе. При этом изменение перепада давлений компенсируется гидравлическими потерями в зоне кавитации. Это обстоятельство

давление определяет степень развитости кавитации при постоянной скорости потока. Следовательно,

где р 2— давление на выходе из диффузора; v — скорость потока в щели.

Как показали исследования, уменьшение числа кавитации сопровождается увеличением длины каверны и уменьшением частоты ее пульсации.

На рис. V.19 показано, как меняются характеристики каверны для диффузора с размерами щели 6,5 X 40 мм в зависимости от числа кавитации при v = 36 м/с.

При смыкании кавитационной каверны возникают гидроудары, приводящие к эрозионному разрушению стенок диффузора. Про­ веденные сравнительные испытания позволили установить, что

183

интенсивность эрозии на боковых стенках в несколько раз выше, чем на верхней стенке. В связи с этим основные закономерности развития кавитационной эрозии были исследованы на образцах, расположенных на боковой стенке. Зона кавитационной эрозии на боковом образце непосредственно связана с размерами каверны

не происходит наложения нескольких импульсов в одном месте, и точечные повреждения на поверхности не перекрывают друг друга. Время испытаний на режимах 2 и 3 (табл. V.8) было уста-

Т а б л и ц а V.7

Механические свойства материалов образцов

Т а б л и ц а V. 8

Режимы испытаний

новлено 15 с, а для режима 1 оно было увеличено до 60 с, чтобы получить достаточное количество повреждений.

Форма и размеры отпечатков, оставленных на металле кави­ тационными импульсами, были изучены при помощи микроскопа с увеличением X 320. На всех металлах, использованных при испытаниях, первоначальные повреждения имеют характер углуб­ лений с пологими краями. Поверхность углублений за редким исключением не имеет каких-либо разрывов и сохраняет даже мельчайшие риски от полировки. Однако на мягких металлах (свинец и алюминий) изредка встречаются углубления, на дне которых поверхностный слой сильно нарушен: риски от обработки уже не видны, наблюдается сдвиг слоев, иногда повреждения

вглубине кратеров напоминают оплавление металла. На латуни

истали деформации слабые и повреждения, напоминающие оплавления, не встречаются. Описываемые углубления на по­ верхности представляют собой вмятины, не сопровождающиеся удалением металла.

На рис. V.20 представлены сечения типичных кавитационных

вмятин, проходящие через точки их максимальной глубины. Повреждения были получены при скорости потока v — 36,9 м/с. Для удобства рассмотрения масштаб по вертикали взят в два раза большим, чем по горизонтали. Для всех вмятин характерен плавный переход от неповрежденной плоской поверхности к углуб­ лению. Крутизна образующей сечения нарастает по мере прибли­ жения ко дну вмятины. Большая часть поверхности обращена выпуклостью в сторону жидкости, и только центральный участок дна — в сторону металла. Приподнятость краев над исходной поверхностью не обнаружена, хотя при отсутствии весовых по­ терь она должна существовать. Малая кривизна поверхности краев и незначительная высота приподнятости не позволяют ви­ деть ее в микроскоп достаточно отчетливо. Большинство вмятин имеет вблизи исходной поверхности форму, близкую'к кругу или эллипсу. Глубина кавитационных вмятин во много раз меньше их диаметра (за диаметр принимаем полусумму осей основания у исходной поверхности). Для большинства вмятин на свинцовом

185

образце характерно’оТношение диаметра к глубине d/h = 15ч-20. На том же образце встречаются вмятины большого диаметра и очень малой глубины, для которых d/h 100. Как глубина, так и диаметр уменьшаются с увеличением твердости металла. Отно­ шение d/h при этом возрастает, например для большинства вмятин

рами смыкающейся кавитационной полости, которая, в свою очередь, является частью пульсирующей каверны. В диффузоре на принятых для испытаний режимах каверна достигала 150 мм по длине и приближалась по своим размерам к кавернам, встре­ чающимся на обтекаемых поверхностях натурных гидротурбин.

Кавитационные вмятины, полученные на образцах в диффу­ зоре, были сопоставлены с вмятинами, зафиксированными на алюминиевых пластинах при испытаниях турбины Верхне-Ту- ломской ГЭС.

На режиме максимальной мощности длина каверны на входной кромке лопасти составляла около 200 мм. После 30 мин испытаний

186

вмятины в зоне максимума интенсивности неоднократно перекры­ вали друг друга, но ниже по потоку от этой зоны они располага­ лись изолированно. Характер, форма и размеры этих вмятин почти ничем не отличаются от тех, которые были измерены на алюминиевых образцах, устанавливаемых в диффузоре. Макси­ мальный диаметр в обоих случаях составляет ~ 1 мм, глубина вмятин в натурных условиях несколько больше, чем на образцах.

Направление

потока

Рис. V.21. Топограммы кавитационных вмятин

Таким образом, условия кавитационного воздействия потока на стенку в диффузоре близки к условиям в натурной турбине, и основные выводы, которые могут быть сделаны на основе настоя­ щего эксперимента, можно распространить на кавитацию в гидро­ турбинах.

Характер повреждений металлов под действием кавитационных импульсов свидетельствует о том, что эти повреждения вызваны высокими избыточными давлениями. Наибольшие давления воз­ никают в центральной части площадки нагружения импульсом. В местах приложения высоких давлений поверхностные слои перемещаются в глубь металла, образуя описанные выше вмятины.

Относительно происхождения ударного кавитационного им­ пульса существуют две основные точки зрения (п. 4). Согласно первой точке зрения повреждения материала возникают под действием сферических ударных волн, генерируемых пузырьками,

187

захлопывающимися в жидкости вблизи стенки. Вторая гипотеза объясняет разрушающее действие кавитационных пузырьков не­ посредственными ударами струек воды о поверхность стенки. Возникновение струек связано с потерей устойчивости формы пузырьков при их захлопывании. Теоретический анализ захлопы­ вания осесимметричного пузырька, находящегося в контакте с пограничной стенкой, показывает, что поверхность пузырька прогибается и образуется струя, движущаяся с большой скоро­ стью к стенке (рис. 1.11, б).

На основе обобщения результатов многих исследований, в ра­ боте [24] делается вывод, что почти во всех случаях пузырьки, захлопывающиеся на стенке или вблизи нее, теряют устойчивость. В результате образуются струи, ударяющие по стенке. Скорости соударения струй с твердой поверхностью, по данным работы [45 ], могут достигать 1000 м/с, что вполне достаточно для разрушения любых материалов. Диаметр смыкающейся каверны, равный 1/15 диаметра вмятины на алюминии [45], достигает при испыта­

Анализируя форму вмятин, полученных на образцах в диффу­ зоре (рис. V.20), -можно сделать некоторые выводы о соответствии действительных кавитационных импульсов рассмотренным выше схемам.

Изображенные вмятины не могли возникнуть при распростра­ нении сферической ударной волны от пузырька, захлопываю­ щегося в жидкости. В этом случае след на пластичном материале представлял бы собой элемент сферы и поверхность вмятины, за исключением краев, была бы обращена выпуклостью в сторону металла. В действительности, почти вся поверхность обращена выпуклостью в сторону жидкости. Форма вмятины более всего соответствует удару струи, идеализированная схема образования которой представлена на рис. 1.11, б. В момент удара о твердую поверхность конус струи имеет малый радиус закругления гс як; 0,01 -^-0,05 мм, о чем можно судить по размерам дна вмятины. На свинце встречаются также вмятины большого диаметра с пло­ ским дном, которые образованы струями с большим радиусом закругления, достигающим 0,5 мм.

Большое различие вмятин, встречающихся на одном и том же образце, по глубине, крутизне поверхности и по диаметру сви­ детельствует о том, что на стенку диффузора воздействуют разные импульсы. Скорость соударения струи со стенкой, радиус закруг­ ления и масса струи могут изменяться в широких пределах. Пара­ метры струй определяются условиями их образования: формой захлопывающихся пустот, которая согласно работе [31 ] может быть самой разнообразной, их расположением относительно стенки и полем давлений вокруг них.

Ударные импульсы, как и создающие их струи, имеют широкий диапазон характеристик. Основными характеристиками являются максимальное давление в месте удара и характерная площадка,

188

на которую приходится удар. Наибольший интерес представляют собой давления, вызываемые ударами.

Очевидно, что удары, оставляющие на поверхности металла следы в виде пластических деформаций, создают давления, превы­ шающие предел его текучести от. Подсчитывая кавитационные вмятины на образце из металла с известным пределом текучести, можно определить количество ударов с давлениями, превыша­ ющими этот предел.

Результаты непосредственного подсчета вмятин на образцах после определенного времени испытаний приведены в табл. V.9.

Т а б л и ц a V.9

Количество видимых кавитационных вмятин на различных материалах

Для сопоставления результатов испытаний количество вмятин

где z60 — количество вмятин, приведенное к 60 с; ги — количество вмятин, появившееся за время испытаний.

Зависимость количества вмятин от предела текучести металлов изображена на рис. V.22, б. С увеличением сгт количество вмятин резко уменьшается. Это свидетельствует о том, что число ударов с высокими давлениями составляет небольшую долю от общего их количества. Разбивая всю совокупность кавитационных ударов на четыре группы, где первую группу будут составлять удары с давлениями свыше 100 кгс/см2, вторую — свыше 1000 кгс/см2, третью — свыше 2000 кгс/см2 и четвертую — свыше 3000 кгс/см2, можно получить, исходя из рис. V.22, б, распределение ударов по группам (табл. V. 10). Количество ударов с давлениями, превы­ шающими 3000 кгс/см2, даже на режиме максимальной скорости составляет лишь 5% от количества ударов, входящих в первую группу. На режиме со скоростью потока v = 22,2 м/с на стали 3X13 вообще не возникало вмятин, т. е. на этом режиме им­ пульсы с давлениями свыше 3000 кгс/см2 отсутствуют.

189

С увеличением скорости потока возрастают как количество ударных импульсов, так и максимальный уровень давлений, о чем можно судить по количеству и глубине вмятин на испытанных образцах (рис. V.22).

Глубина вмятин h, приведенная на графике (рис. V.22, а), получена путем осреднения величин, измеренных по десяти наи-

Рис. V 22. Глубина (а) и количество (б) кавита­

ционных вмятин в зависимости от предела текучести металла:

/ и V — v = 22,2 м/с; 2 — v — 30,4 м/с; 3 и 3* — 36,9 м/с

более крупным вмятинам на каждом образце. С увеличением пре­ дела текучести металла осредненная глубина вмятин резко па­ дает. На материалах с низким пределом текучести большая часть

Т а б л и ц а V.10

Распределение кавитационных ударов по группам энергий

190

Энергии ударного импульса расходуется на пластическую дефор­ мацию, а на стали значительная часть энергии тратится на упру­ гую деформацию. Энергия образования наиболее крупных вмятин на различных металлах оценивалась по объему пластической деформации. Предполагая, что при одиночной вмятине упрочне­ ние металла незначительно, эту энергию можно вычислить по формуле E — aTV, где сгт— предел текучести; V— объем вмятины.

Результаты для режима с максимальной скоростью приведены в табл. V. 11. Из таблицы следует, что при одинаковой для всех образцов общей энергии ударов энергия, затраченная на пласти­

длине каверны I число Струхаля Sh = ~ также постоянно. В этом

случае частота пульсации каверны / пропорциональна скорости по­ тока V. Если при v = 36,9 м/с частота пульсации каверны /я« 100 Гц, то при v -- 22,2 м/с / — 60 Гц. Количество же кавитационных импульсов с изменением скорости меняется значительно резче. За 15 с испытаний с v — 36,9 м/с на образце из свинца насчиты­ вается 834 вмятины (табл. V.9). Следовательно, на боковую стенку диффузора за 1 с приходится —55 ударов. Учитывая, что такое же количество ударов приходится на противоположную стенку и часть — на верхнюю профильную, при скорости 36,9 м/с каждому циклу каверны соответствует примерно один кавитационный удар, оставляющий видимый след на свинце. При скорости потока v = = 22,2 м/с число ударов за 60 с испытаний составит 253, или за 1 с на образец приходится четыре удара. В этом случае за 60 циклов пульсаций каверны число заметных ударов составит около десяти, т. е. для одного кавитационного импульса требуется — 6 пульса­ ций каверны. На малых скоростях потока значительная часть кавитационных импульсов, возникающих при захлопывании ка­ верны, не вызывает остаточных деформаций даже на таком пла­ стичном материале, как свинец. Количество заметных кавитацион­ ных ударов с уменьшением скорости резко снижается.

191