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

другом стендах примерно одинаковы. При повышении интенсив­ ности воздействия соотношения аналогично изменяются. Это видно из сопоставления результатов испытаний Мауссона, где в диффузоре скорость потока равнялась 80 м/с (табл. V.12), и испытаний на ударном стенде при скоростях удара 65—75 м/с (п = 2500-ь2800 об/мин). При высоких интенсивностях воздей­ ствия стойкости углеродистых и нержавеющих сталей сближаются.

а)

АО, МГС

/

/

-20 ГСЛ

//

/

><

/Х18Н9Т

Рис. V.26. Испытания при натурной интенсивности воздействия на ударно-эрозионном стенде (а) и в диффузоре (б)

Сопоставляя результаты испытаний на магнитострикционном вибраторе (табл. V. 13), где интенсивность воздействия достаточно высокая, с результатами испытаний на ударном стенде и диффу­ зоре с той же примерно степенью интенсивности, можно заметить, что материалы располагаются по стойкости в той же последова­ тельности.

Таким образом, при одинаковой интенсивности кавитационного воздействия относительная стойкость материалов, испытанных на различных стендах, близка друг другу,

26. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И МАСШТАБНЫЕ ЭФФЕКТЫ КАВИТАЦИОННОЙ ЭРОЗИИ

При проектировании новых гидротурбин встает вопрос об ожидаемой кавитационной эрозии.

Для прогнозирования зон и интенсивности эрозии могут быть рассмотрены следующие методы:

1) расчетный метод, когда об эрозии можно судить по распре­ делению давлений на профиле;

2)метод эрозионных испытаний модели с использованием легкоразрушаемых покрытий;

3)метод сопоставления с аналогичной турбиной, находящейся

вэксплуатации.

202

При проведении необходимых расчетов с аналога на вновь проектируемую турбину нужно знать, как влияют на эрозию линейные размеры турбины, скорости обтекания или напоры, ма­ териалы, из которых изготовлены детали проточной части. Не­ обходимо учитывать также режимы работы турбины: мощность, высоту отсасывания. В пп. 13, 21 были рассмотрены некоторые ка­ чественные зависимости влияния размеров, напора и режимов работы турбины на эрозию. Известна также методика определения кавитационной стойкости материалов (п. 25). Однако еще не все аспекты влияния перечисленных факторов на эрозию полностью изучены. Когда исследования будут завершены, появится воз­ можность выдавать кроме эксплуатационной характеристики турбины эрозионную характеристику, где будут нанесены зоны

иинтенсивность эрозии в зависимости от режимов эксплуатации.

Внастоящее время при исследовании кавитации и кавитацион­ ной эрозии вновь проектируемых турбин наиболее распространен метод эрозионных испытаний модели.

При моделировании процессов кавитационной эрозии необ­ ходимо учитывать масштабные эффекты этого явления, возникшие вследствие несоблюдения полного механического подобия течений в модельной и натурной установках. Наибольший практический интерес представляет собой изучение эффектов, вызываемых изме­ нением линейного размера установки и скорости потока.

Влияние скорости потока на кавитационную эрозию исследо­ вано теоретически и экспериментально в работах [48, 73, 92, 104].

Все исследователи отмечают резкий рост интенсивности эрозии с увеличением скорости потока, однако количественные показатели этого роста неодинаковы. При представлении интенсивности эро­ зии выражением

тел на интенсивность кавитационной эрозии известны работы [73, 104], где зависимость дается также в виде степенной функции

с показателем 0 = 2ч-3.

Экспериментальное подтверждение выводов работ [73, 104] базируется на результатах испытаний с поперечным обтеканием цилиндров в камере прямоугольного сечения. Характер кавитации в этой установке сильно отличается от кавитации на лопастях гидротурбин. За цилиндром кавитация возникает в дискретно срывающихся вихрях, а на лопастях гидромашины кавитация обычно проявляется или в форме каверн, примыкающих к лопасти, или в форме отдельно движущихся пузырей.

В упомянутых работах [73, 104] не исследовано также измене­ ние единичных ударных импульсов в кавитационной зоне при

203

переходе от одних размеров установки к другим. Закономерности этого изменения необходимо знать при модельных испытаниях на эрозию с применением различных легкоразрушаемых покры­ тий, а также при использовании кавитационностойких эластичных покрытий для защиты лопастей натурных турбин.

В связи с этим были проведены более детальные исследования масштабных эффектов кавитационной эрозии применительно к ре­ ально существующей кавитации в гидромашинах. Кавитация рас­ сматривалась в форме пульсирующей каверны, связанной с обте­ каемым телом. Исследования проводились на кавитационно­ эрозионном стенде (рис. V.16).

Для исследования влияния линейных размеров на характери­ стики кавитационной эрозии были изготовлены пять геометрически подобных сопел с размерами щели 1, 2, 4, 6, 8 мм (табл. V.16). Подобными были выполнены также подводы и отводы потока.

Для исследования влияния ширины каверны на эрозию (при одинаковой скорости потока и при одинаковом распределении давления вдоль потока) были дополнительно изготовлены два сопла (32 и 3д) с тем же профилем, что и основное сопло Зг, но с увеличенной шириной канала.

При изготовлении сопел особое внимание было уделено точ­ ности исполнения щели и перехода щели в диффузор.

Образцы из легкоразрушаемого материала, наклеенного на стальную основу, устанавливались заподлицо с поверхностью боковой стенки. Интенсивность силового кавитационного воздей­ ствия оценивалась по результатам замеров единичных вмятин и по объемным потерям образцов. Для исследования единичных кавитационных импульсов применялись образцы со слоем свинца. Оценка производилась по размерам вмятин, возникающих на полированной поверхности свинца за 30 с. При использовании свинца для определения объемных потерь результаты опытов зна­ чительно искажались, так как пластические деформации быстро достигали стальной основы. В результате невозможно было выде­ лить установившийся период эрозии с линейным приращением объемных потерь.

Для определения объемных потерь применялся более хрупкий материал, разрушение которого происходило путем выкрашива­ ния мелких частиц. В качестве такого материала использовалась графито-свинцовая твердопрессованная пластмасса НАМИ-ГС-ТАФ

1000 кгс/см2. Пластина из этого материала наклеивалась на сталь­ ную основу образца эпоксидным клеем.

Влияние линейных размеров сопел на кавитационную эрозию исследовалось при постоянных значениях давлений на входе и выходе сопла (рг и р 2), что при условии автомодельности режимов должно обеспечивать постоянную скорость потока в сходственных

204

точках, а также постоянное число кавитации, определяемое пб

вмятин на свинце; F3— площадь зоны эрозии; ДG/Д/ — ДУ/Д / — потери веса или объема на пластмассовом образце в установившийся

где Л х и Л 2 — постоянные размерные коэффициенты.

Считая вмятину осесимметричной, можно представить ее объем в виде

(V.9)

Подставляя в формулу (V.9) значения D' и h' (V.7, V.8), полу­ чим

Таким образом, объем единичной вмятины и, соответственно, энергия кавитационного импульса увеличиваются с ростом ли­ нейного размера по степенной функции с показателем 4.

206

Секундное количество кавитационных вмятин невозможно было подсчитать с достаточной точностью для всех сопел, так как на образцах в малых соплах вмятины располагались вплотную одна к другой и имели очень малый объем. Однако по плотности расположения вмятин можно было заключить, что количество кави­ тационных импульсов уменьшается с ростом линейного размера.

Зависимость количества импульсов от размера сопла можно определить теоретически, исходя из следующих предположений:

1) число Струхаля при условии геометрического, кинематиче­ ского и кавитационного подобия остается постоянным для всех сопел

2) число кавитационных импульсов в единицу времени про­

Таким образом, при указанных предположениях секундное число импульсов обратно пропорционально линейному размеру, что качественно соответствует экспериментальным наблюдениям.

При условии подобия спектров кавитационных ударов для всего геометрического ряда сопел интегральную интенсивность эрозии можно представить в виде произведения энергии осредненного единичного импульса Е 1 на секундное число импульсов г

Учитывая, что величина Е г пропорциональна объему единичной вмятины V, подставим значения У и г из формул (V.9) и (V.13) в выражение (V.14)

Полученная зависимость показывает, что интегральная интен­ сивность эрозии, характеризуемая объемом унесенного материала, пропорциональна кубу линейного размера.

Из подобия кавитационной зоны следует, что

207

Полученные зависимости были проверены путем непосред­ ственного замера весовых потерь (с последующим пересчетом на объемные потери) образцов, изготовленных из графито-свинцовой

пластмассы НАМИТС-ТАФ.

Во время испытаний замерялись потеря веса образцов, пло­ щадь зон эрозии, а также максимальная и средняя глубина по­ вреждений материала (табл. V.16).

Для образцов из материала НАМИ-ГС-ТАФ характерно отсут­ ствие инкубационного периода. Скорость разрушения образцов во времени остается практически постоянной (рис. V.28, а).

Характеристики кавитационной эрозии (AV7A/; F3; Ahmax/At) в зависимости от линейного размера, построенные в логарифмиче­ ских координатах, приведены на рис. V.28, б. Нужно отметить некоторый разброс точек вокруг осредняющих прямых, который объясняется резкой зависимостью эрозии от точности изготовления сопел.

Полученные при испытаниях с пластмассовыми образцами зависимости можно представить следующими уравнениями:

дение зависимостей интегральной интенсивности эрозии от линей­ ного размера, полученных двумя различными методами. В обоих случаях величина / = AVI At пропорциональна кубу размера.

Следует отметить разницу в зависимостях средней и макси­ мальной глубины повреждений материала. Максимальная глу­ бина возрастает с увеличением размера более резко, чем средняя. Это объясняется увеличением энергии единичных импульсов, которое сопровождается ростом объема отдельных выкрашива­ ющихся частиц материала. В результате высота неровностей в зоне повреждения материала становится больше, чем и опреде­ ляется более быстрый рост максимальной глубины. Отмеченное обстоятельство необходимо учитывать при сопоставлении турбин по максимальной глубине кавитационных повреждений.

Кроме геометрически подобных сопел, на эрозию исследова­ лись сопла с различной шириной канала (З^. 32; З3). Профиль канала вдоль потока оставался неизменным. Ширина канала была выбрана: Ьг= 20 мм; Ь2 — 40 мм и Ь3 = 60 мм. Исследова­ ния проводились как на свинцовых, так и на пластмассовых образцах.

208

Результаты испытаний этой серии сопел приведены в табл. V.16. Как следует из таблицы, весовые потери и максимальная глубина разрушений резко возрастают с увеличением ширины сопла. Растут также диаметр и глубина отдельных вмятин. Пло­ щадь эрозии несколько уменьшается.

Представляя характеристики эрозии в виде степенных функ­ ций от ширины сопла или от размаха кавитационной каверны, получим следующие выражения:

Если предположить, что секундное количество кавитационных ударов для всех сопел постоянно и спектры ударов остаются подобными, то интенсивность кавитационного воздействия, опре­

Полученная зависимость интенсивности эрозии по единичным вмятинам не совпадает с зависимостью АV/At, полученной не­ посредственным определением потерь веса. Это объясняется изме­ нением количества импульсов с изменением ширины сопла.

В данном опыте фиксация эрозии производилась на боковой стенке, т. е. на поверхности, ограничивающей каверну по размаху. Однако и на профильной стенке наблюдается качественно такой же характер изменения эрозии с изменением ширины сопла.

Исследование влияния скорости потока на кавитационную эрозию производилось с использованием результатов замеров единичных вмятин, а также путем замера объемных разрушений пластмассовых образцов.

Интенсивность эрозии, выраженная через единичные вмятины [формула (V. 14)], определяется произведением объема единичных вмятин на их количество в единицу времени.

При одинаковых размерах каверны площадка нагружения кавитационным импульсом существенно не меняется и диаметр вмятин с ростом скорости увеличивается незначительно. Прене­ брегая увеличением диаметра вмятин и представляя z и h' в виде

степенных функций z = A ltvq и h' = A lbv™, получим следующее выражение для интенсивности^кавитационной^эрозии

Величины показателей п я т для различных материалов, определенные согласно исследованиям, изложенным в п. 24, приведены в табл. V. 17,

2Ю

затель т существенно возрастает с увеличением твердости мате­

Из сопоставления уравнений (V.27) и (V.28) видно, что методы оценки интенсивности по единичным вмятинам и по объемным потерям дают близкие результаты.

Т а б л и ц а V.18

Результаты испытаний образцов при изменении скорости

С увеличением скорости потока интегральная интенсивность кавитационного воздействия резко возрастает. Это связано с бы­ стрым ростом числа кавитационных импульсов, а также с увели­ чением их энергии. Площадь зоны эрозии остается постоянной.

Объединяя экспериментальные материалы по влиянию скорости и линейного размера на интегральную интенсивность эрозии, получим уравнение