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

Характеристики эрозии исследовались также при изменении числа кавитации k. Изменение k достигалось уменьшением давле­ ния на выходе из сопла при неизменном давлении на входе (рх —

^ 7,8 кгс/см2).

Испытания проводились при скорости потока в щели v = = 35,5 м/с. Число кавитации менялось от 0,39 до 0,7. При таком широком диапазоне изменения k стал неприемлемым метод оценки интенсивности эрозии по единичным вмятинам. Это связано с тем,

вмятин. Интересно отметить, что с уменьшением k, т. е. с умень­ шением противодавления, объем единичной вмятины неуклонно растет. Этот результат кажется парадоксальным: при падении среднего статического давления увеличивается давление кави­ тационного удара. Определяющим здесь является объем смыка­ ющей полости, а не среднее давление окружающей среды. Таким образом, динамика кавитационной каверны играет решающую роль в развитии кавитационной эрозии.

В настоящем параграфе рассмотрено развитие кавитационных повреждений в первый период, когда не происходит наложения нескольких импульсов в одном месте. Вмятины, возникшие на металле, безусловно оказывают влияние на последующие ударные импульсы.' При ударе кумулятивной струи по центру уже име­ ющейся вмятины, отдача ее энергии твердому телу должна воз­

192

расти [31]. Особенно сильно это должно проявляться на мягких металлах (например, на свинце), где первоначальные вмятины имеют большую глубину.

Материал испытывает при кавитации многократное ударное воздействие различных импульсов. Давления в местах ударов при достаточных скоростях потока (в нашем случае при v 5 »

^ 30 м/с) превосходят пределы текучести металлов, применяемых

вгидромашинах. Кроме нормальных составляющих гидроударов, имеются касательные составляющие. Это следует из рис. V.21.

Касательные составляющие ударов способствуют раскачиванию и скалыванию частиц металла. Таким образом, кавитационная нагрузка на металл может быть представлена как циклическая нагрузка с напряжениями от самых малых величин до величин, Превосходящих предел текучести.

Механическое воздействие при кавитации сопровождается интенсивной коррозией. Объясняется это тем, что кавитационные удары, приводящие к пластической или упругой деформации материала, образуют на его поверхности точки со свойствами, отличными от основного материала. Для металлов работа, затра­ чиваемая на деформацию, на 85% превращается в теплоту, а остальная часть — в потенциальную энергию внутреннего напря­ жения [105]. Тем самым на металлической поверхности, находя­ щейся в водной среде, служащей электролитом, образуются анодные участки, которые приводят к возникновению мгновенных микроэлементов. Периодически возникающие, как бы пульсиру­ ющие, микроэлементы резко усиливают электрохимические про­ цессы коррозии. Усилению процессов коррозии способствует также чередование водяной и парогазовой среды в месте пульса­ ции кавитационной каверны.

Рассмотрим в свете изложенного развитие кавитационных разрушений на нержавеющих и углеродистых сталях. В водяной среде на поверхности металла образуется защитная пленка окис­ лов. На нержавеющих сталях пленка является тонкой, весьма прочной и образует с основным металлом монолитное соединение. Защитная пленка и, следовательно, сама нержавеющая сталь является стойкой к электрохимическим процессам коррозии при кавитации. Разрушение нержавеющих сталей происходит глав­ ным образом под действием гидроударов, вызывающих давления выше предела текучести стали. Такие удары составляют менее 5% от общего количества, поэтому процесс разрушения нержавеющих сталей протекает замедленно. При этом в начальный период про­ исходит накопление деформаций без удаления материала. Затем частицы металла начинают выкрашиваться вследствие усталостных явлений (усталость с малым числом циклов) или отрываться под действием срезающих и изгибающих усилий, порождаемых куму­ лятивными струями в месте удара.

Углеродистые и низколегированные стали имеют сравнительно толстую и в то же время рыхлую пленку окислов, которая легко

скалывается Даже под действием слабых кавитационных ударов. В этом случае все ударные импульсы будут разрушающими. Вследствие электрохимических процессов, сопутствующих кави­ тации, происходит повторное окисление поверхности, очищенной от пленки окислов.

Совместное действие коррозии и кавитационных гидроударов приводит к быстрому и глубокому разъеданию углеродистых сталей.

На нержавеющих сталях, если скорость потока, даже при развитой кавитации, не превышает 25—30 м/с, напряжения, вызываемые кавитационными ударами, находятся в пределах упругой деформации и разрушения полностью отсутствуют.

На углеродистых и низколегированных сталях, когда даже весьма слабые кавитационные удары способны разрушить пленку окислов, избежать разрушений можно только при полностью подавленной кавитации.

25. МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ КАВИТАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ МАТЕРИАЛОВ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ.

СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНЫХ ИСПЫТАНИЙ С НАТУРНЫМИ

Различные типы лабораторных установок для исследования кавитационной эрозии и обилие методик испытаний на каждой из них способствовали получению результатов, несопоставимых друг с другом и во многом противоречивых.

Следует также отметить существенную разницу в энергии единичных кавитационных ударов на различных стендах. На стендах проточного типа, имитирующих естественные процессы кавитации, наблюдаются единичные удары значительной силы. Так, например, в диффузоре при средней интенсивности кавита­ ционного процесса v = 36 м/с на свинце образуются вмятины диаметром до 2 мм. На площади в 1 см2 за 1 с в среднем образуются две вмятины.

На ударно-эрозионном и магнитострикционном стендах интен­ сивное кавитационное разрушение достигается не высокой энер­ гией единичного удара, а большим количеством ударов. На ударно­ эрозионном стенде при однократном пересечении образцом струи воды с v = 30 м/с (средняя интенсивность) на образце из свинца образуются примерно четыре вмятины глубиной < 0,002 мм и 0 я» 0,05 мм. За 1 с на площади 1 см2 образуются — 90 вмятин. На магнитострикционном вибраторе объем единичных вмятин еще меньше, а их количество больше.

К существенным недостаткам проведенных исследований кави­ тационной стойкости материалов на лабораторных стендах следует отнести отсутствие согласования между результатами лаборатор­ ных испытаний и Действительными соотношениями стойкости материалов, наблюдаемыми в натурных условиях.

194

метода шло по пути увеличения диаметра струи и уменьшения

Из анализа результатов испытаний материалов на различных стендах следует, что углеродистые и нержавеющие стали, имеющие близкие механические свойства, разрушаются примерно одинаково. В то же время из практики эксплуатации действующих ГЭС известно, что нержавеющие стали по кавитационной стойкости превосходят углеродистые в десятки раз (п. 22).

Противоречия между лабораторными и натурными результа­ тами объясняются различием в интенсивности кавитационного воздействия. Стремление сократить время испытаний материалов привело к существенному увеличению интенсивности кавитацион­ ных процессов в лабораторных условиях.

196

Если сопоставить интенсивность кавитационного воздействия по принятым методикам в лабораторных условиях и на действу­ ющих ГЭС, то окажется, что на лабораторных стендах скорость разрушения образцов в тысячи, а иногда и в десятки тысяч раз превосходит натурную.

Исследования, проведенные на ЛМЗ, показали существенную зависимость стойкости материалов от интенсивности кавитацион­ ного воздействия. Испытания проводились на ударно-эрозионном стенде. Образцы для испытаний изготовлялись из материалов, применяемых в гидротурбостроении: углеродистая сталь 20ГСЛ и нержавеющая сталь 1Х18Н9Т. Образцы из стали 20ГСЛ были вырезаны из окончательно термообработанной лопасти, сталь 1Х18Н9Т взята в состоянии поставки. Испытания проводились при числе оборотов стенда 900—3000 об/мин. Эти обороты соот­ ветствовали скоростям пересечения струи воды или скоростям удара от 23,5 до 78,5 м/с.

Проведенными исследованиями установлено, что при умень­ шении интенсивности кавитационного воздействия не только изменяются количественные характеристики потерь веса металлов, но происходит и качественное перераспределение относительной кавитационной стойкости различных по коррозионным свойствам материалов. При этом показано, что относительная стойкость испытанных материалов меняется от 1 до оо [52].

Стремление приблизить результаты лабораторных испытаний к натурным характерно для многих исследователей. Основным направлением, принятым в настоящее время, является введение

вметодику испытаний коррозионного фактора.

В1962 г. М. С. Плессет [50] предложил импульсный метод исследования кавитационной эрозии. Сущность этого метода сво­ дится к тому, что образец в магнитострикционном вибраторе колеблется не непрерывно, а с некоторыми промежутками. Цикл, или период, импульсной кавитации М. С. Плессетом принят рав­ ным 216,67 мс, а время колебаний образца составляет 1/20 периода. Таким образом, время испытаний резко увеличивается: если при непрерывной кавитации образец испытывается обычно 3 ч, то при импульсной кавитации — 60 ч, из них 57 ч образец находится

вводе в неподвижном состоянии.

Примерно аналогичная методика испытаний предложена М. Г. Тимербулатовым [61 ]. Разница заключается в том, что обра­ зец испытывается на магнитострикционном вибраторе 5 мин и 24 ч находится в воде. По этой методике для достижения трехчасового кавитационного воздействия потребуется 36 дней. Естественно, во втором случае фактор коррозии проявляется в большей степени.

Существенным недостатком обеих методик является произволь­ ность в соотношении механического и коррозионного воздействий. При изменении этих соотношений будет соответственно изме­ няться относительная стойкость испытываемых углеродистых и нержавеющих сталей.

197

Нам представляется, что наиболее правильно можно прибли­ зить результаты лабораторных испытаний к натурным естествен­ ным путем, т. е. снизить интенсивность кавитационного воздей­ ствия до величин, имеющихся на действующих ГЭС.

Для сопоставления интенсивности кавитационного воздействия в натурных и лабораторных условиях были использованы резуль­ таты испытаний турбин методом скоростной эрозии.

Подбором соответствующего режима стенда можно достичь

Сопоставление кавитационной эрозии в лабораторных и натур­ ных условиях можно сделать также по степени разрушений мате­ риалов, из которых изготовляются детали проточной части тур­ бины.

Испытания при натурной интенсивности кавитации не озна­ чают, что длительность эксперимента увеличивается до нескольких тысяч часов. Для средней интенсивности натурной кавитации, характерной для радиально-осевых турбин типа Нива-Ш, Баксан, ДнепроГЭС, поворотнолопастных турбин волжских гидроэлектро­ станций, время лабораторных испытаний будет составлять 300— 400 ч. За это время обычные нержавеющие стали потеряют в весе 8—10 мгс, которые можно замерить в лабораторных условиях с достаточной степенью точности.

При максимальной интенсивности натурной кавитации потери веса 8— 10 мгс будут иметь место уже через 30 ч.

Учитывая, что в натурных условиях материалы могут работать при различной интенсивности кавитационного воздействия, пред­ ставляется целесообразным и в лабораторных условиях для все­ сторонней проверки кавитационной стойкости материалов испы­ тания проводить при широком диапазоне интенсивности воздей­ ствия.

Наиболее легко интенсивность воздействия регулируется на ударно-эрозионном стенде путем изменения числа оборотов диска

итем самым скорости удара образца о струю воды.

Вновой методике ЛМЗ приняты следующие режимы испытаний:

Давление в напорном баке, определяющее скорость истечения струи, и диаметр выходного сечения сопла остаются постоянными для всех режимов. Скорость истечения из сопла не оказывает суще­ ственного влияния на интенсивность разрушения и выбирается исходя из условия восстановления струи при пересечении ее образцами.

Нами выбраны: давление в напорном баке 0,8 эти, пстр =

— 8 м/с и диаметр сопла 5 мм,

198

при вУсоких интенсивностях (п = 2800 об/мин). Однако приме­ нительно к ударному стенду сопоставление стойкости отдельных материалов следует производить не по весовым потерям, как это

Рис. V.24. Кавитационная стойкость материалов при различной интенсивности воздействия

делается многими исследователями, а по времени испытаний до достижения определенных (-—10 мгс) потерь веса образцов. Это связано с особенностью разрушения образца при больших ско-

Т а б л и ц а V.15

Относительная стойкость сталей при различной интенсивности кавитационного воздействия

200

ростях удара. При появлении на образце начальных разрушений его поверхность становится неровной и интенсивность воздействия резко возрастает при неизменном режиме испытаний. В этом слу­ чае начавшиеся разрушения менее стойкого материала катастро­ фически возрастают. Поясним это на примере.

На рис. V.25 показано разрушение двух материалов: 1Х18Н9Т

и в то же время зона эрозии будет расположена в одном итом же месте.

На магнитострикционном вибраторе менять интенсивность ка­ витационного воздействия затруднительно и расширенная мето­ дика для этого стенда неприменима.

Сопоставим результаты испытаний на различных стендах между собой. Обязательным условием при сопоставлении должна быть одинаковость интенсивности воздействия. Возьмем для примера результаты испытаний углеродистых и нержавеющих сталей на ударно-эрозионном и кавитационно-эрозионном стендах при на­ турной интенсивности кавитационного воздействия, которая дости­

т