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

В номеклатуре [32], а также в некоторой технической лите­ ратуре можно встретить неправильное утверждение о том, что определенная описанным выше путем допустимая высота отса­ сывания Н8Д0П гарантирует «условия бескавитационной работы». Опыт эксплуатации гидротурбин уже давно показал, что кави­ тация и кавитационная эрозия имеют место даже в том случае, если ограничения по Hs не нарушаются. Выше уже отмечалось, что кавитационный коэффициент гидротурбины атурб определяет момент начала влияния кавитации на энергетические параметры турбины, в том числе на к. п. д., но это происходит при достаточ­ ной степени развития кавитации. В то же время условия для воз­ никновения кавитационной эрозии создаются одновременно с воз­ никновением кавитации. По-видимому, для правильного выбора высоты отсасывания или допустимого режима работы с учетом не только влияния кавитации на энергетические качества турбины, но и на эрозию, целесообразно ввести в практику кроме обычного кавитационного коэффициента атурб эрозионный коэффициент турбины аэроз.

Методика определения эрозионного коэффициента турбины, по данным экспериментов, методом скоростной эрозии уже отра­ батывается в ЛПИ [8] и на ЛМЗ. Аналогичные работы для насосов при несколько своеобразном подходе проводятся во ВНИИгидромаше.

Первые же опыты показали, что по крайней мере для высоко­ напорных поворотнолопастных рабочих колес ПЛ646 кавита­ ция начинается при кавитационном коэффициенте установки ауст

в 2—3 раза большем кавитационного коэффициента турбины сгтуРб,

адля радиально-осевых рабочих колес Р082, Р0697 и Р0662— приблизительно в 2,0—2,5 раза большем [8]. Однако принимать значения эрозионного коэффициента просто соответствующими моменту появления кавитации, как предлагается в работе [8],

по-видимому, тоже неправильно, так как для начала эрозии не­ обходима достаточная степень интенсивности кавитационного воздействия. Кроме того, эрозия может быть настолько малой, что ею можно практически пренебречь. Это зависит не только от интенсивности кавитационного воздействия, но и от свойств материала, подверженного эрозии, и от абсолютных размеров турбины и значений скоростей обтекающего потока (напоров). Чем больше кавитационная стойкость материала, чем меньше размеры турбины и скорости обтекания, тем меньше может быть принят эрозионный коэффициент, тем необходимее большая сте­ пень развития кавитации для возникновения эрозии.

Борьба с эрозией путем увеличения коэффициента запаса k„ предполагает, что между атурб и аэроз имеется функциональная зависимость, но она различна для разных турбин, материалов, параметров и пока неизвестна. Можно утверждать лишь, что всегда

59

Систематические лабораторные экспериментальные исследо* вания эрозионной способности кавитации при различных ее фор­ мах и стадиях развития в зависимости от режима работы турбины позволят в будущем выпускать главные универсальные характе­ ристики с линиями равных значений не только кавитационного, но и эрозионного коэффициентов или даже нескольких эрозион­ ных коэффициентов для разных материалов и абсолютных раз­ меров и значений напоров. Такие характеристики позволят бо­ лее обоснованно назначать высоты отсасывания при проекти­ ровании и выбирать режимы работы турбины при эксплуатации. Некоторые зарубежные фирмы, например «Эшер-Висс», «Нейерпик», уже сейчас наносят на универсальные характеристики линии постоянных значений сгнабл — кавитационных коэффициен­ тов, соответствующих моменту визуального проявления кави­

тации. По-видимому,

*

^ н а б л СГ т ур б * ( 11. 26)

Таким образом, существующая практика назначения высот отсасывания требует совершенствования. До настоящего времени не учитывалась степень эрозионной опасности кавитации, не принимались во внимание щелевая кавитация и кавитация пери­ ферийной кромки лопасти в поворотнолопастных турбинах, ко­ торые тоже играют существенную роль при эксплуатации турбин. Для разработки достаточно совершенной методики выбора высоты отсасывания, учитывающей эти факторы, необходимо проведе­ ние широкого комплекса лабораторных и натурных исследова­ ний, которые в настоящее время только начаты. До завершения намеченного комплекса исследований, основываясь на имеющихся пока ограниченных данных, можно предварительно рекомендо­ вать следующий способ выбора высот отсасывания.

Для полного устранения кавитационной эрозии в современ­ ных отечественных радиально-осевых турбинах (рабочие колеса Р082, Р0123, Р0211, Р0662, Р0697) необходимо принимать коэф­ фициент запаса k0 2,0-ь2,2. Для кавитационностойких метал­

рабочего колеса ПЛ646, тоже требуют коэффициент запаса ka « 2,0-ь2,5. Однако для рабочего колеса ПЛ642 той же быстро­ ходности, а также для того же рабочего колеса ПЛ646 при повы­ шенных приведенных числах оборотов п{ ^ \ \ 5 об/мин коэф­ фициент запаса может быть снижен до ka «=* 1,8-ь2,0. Такой же коэффициент запаса можно рекомендовать для рабочих колес ПЛ495 и ПЛ661. Для низконапорных поворотнолопастных тур­ бин, судя по данным эксплуатации, может приниматься сущест­ венно меньший коэффициент запаса k„ ^ 1,1-ь 1,2.

Общее увеличение коэффициента запаса повлечет за собой существенное увеличение заглубления станций или соответствую-

tii.ee увеличение габаритов турбины. Поэтому полное устранение кавитационной эрозии в большинстве случаев вряд ли окажется экономически целесообразным. Очевидно, придется допускать тот или иной объем кавитационных разрушений, соответственно сни­ жая коэффициент запаса. Однако пока нет данных о том, какое снижение ka допустимо для того, чтобы объем кавитационной эрозии не превысил какого-то разумного, наперед заданного пре­ дела. Такие данные должны быть получены в результате спе­ циальных экспериментальных исследований. С другой стороны, разработка новых, более совершенных в кавитационном отноше­ нии рабочих колес и других элементов проточной части, очевидно, позволит в недалеком будущем снизить упомянутые здесь вели­ чины коэффициентов запаса.

10.КАВИТАЦИЯ В ПОВОРОТНОЛОПАСТНЫХ ТУРБИНАХ

Вгидротурбинах различают следующие основные типы кави­ тации: профильную, щелевую и местную. Профильная кавитация возникает при обтекании решетки профилей за счет общего понижения давления на стороне разрежения до давления парооб­ разования. Щелевая кавитация образуется в зазорах между вра­ щающимися и неподвижными деталями турбин при существова­ нии определенного перепада давления. Местная кавитация воз­ никает при обтекании неровностей поверхности за счет местного понижения давления.

На поворотнолопастных турбинах наблюдаются все три типа кавитации. В большей степени для поворотнолопастных турбин характерна щелевая кавитация, которая возникает в зазорах между лопастью и камерой рабочего колеса и между лопастью и втулкой. Под действием щелевой кавитации разрушаются камера, периферийная кромка лопастей, нижняя поверхность фланца лопасти и частично втулка рабочего колеса.

На рис. II.8 показано типичное разрушение периферийной кромки лопасти. Разрушение вызвано кавитационной каверной, образовавшейся при обтекании верхней кромки лопасти, и кон­ цевыми вихрями, образующимися при выходе из щели.

Профильная кавитация вызывает разрушение тыльной стороны лопастей по всей поверхности. Основные разрушения наблю­ даются, как правило, за входной кромкой лопастей. Иногда наблюдается разрушение и на лицевой стороне лопасти, вызван­ ное обычно отступлениями в режимах работы от расчетных.

Местная кавитация на поворотнолопастных турбинах воз­ никает за неровностями и уступами в сопряжении поясов камеры рабочего колеса, за утопленными или выступающими монтажными заглушками лопастей, а также за отверстиями при выпадении этих заглушек.

Рассмотрим кавитационные разрушения ряда поворотноло­ пастных турбин. В настоящее время в СССР эксплуатируются

52

Основные данные некоторых поворотнолопастных турбин и режимы их работы приведены в табл. П.З. Из приведенной таб­ лицы следует, что все турбины работают с достаточными заглуб­ лениями при коэффициентах кавитационного запаса в среднем около 1,5. Однако на всех обследованных турбинах имеются значительные кавитационные разрушения. Наибольшие разру­ шения наблюдаются на лопастях и в камерах, изготовленных из углеродистой стали.

В качестве примера приведем формуляр кавитационных раз­

бин располагаются, как правило, с тыльной стороны за входной и периферийной кромками. При развитых разрушениях зона эрозии лопастей, изготовленных из углеродистой стали, зани­ мает 20—50% всей тыльной поверхности. Глубина разрушений за 18 000—20 000 ч (три года эксплуатации) достигает 10— 15 мм.

Особую опасность вызывают разрушения торцовой кромки лопастей вследствие щелевой кавитации. Разрушению подвер­ гаются не только углеродистые, но и нержавеющие лопасти. Глу­ бина разрушений на нержавеющих лопастях турбин Волжских ГЭС за 23 000 ч работы достигает 8 мм. Заварка этих мест — весьма трудоемкий процесс, иногда требующий демонтажа съемного сегмента.

Кроме разрушения торцовой кромки, щелевая кавитация вызывает повреждения тыльной поверхности лопастей вдоль всей периферийной кромки. Зона максимальной эрозии располагается обычно около оси поворота лопастей. Например, на нержавею­ щих лопастях рабочего колеса турбины Борисоглебской ГЭС за 21 000 ч работы глубина повреждений в этой зоне достигла 4—6 мм. Участок эрозии расположен на расстоянии 80— 100 мм от пери­ ферийной кромки и имеет вид вытянутого эллипса длиной 400— 500 мм и шириной 100— 150 мм.

Размеры кавитационных повреждений, вызываемых щелевой кавитацией, определяются формой и величиной зазора, образуе­ мого лопастью и камерой. На ЛМЗ величина зазора принимается O.OOIDj. Однако в процессе эксплуатации зазоры существенно изменяются и на некоторых турбинах достигают 0,002—0,003Dt .

Наряду с разрушением пера на углеродистых лопастях кави­ тационный эрозии подвержена также нижняя часть фланца. На Волжских ГЭС за 19 000 ч глубина разрушения на фланце до­ стигает 5 мм. Наибольшая интенсивность кавитационной эрозии на лопастях наблюдается при выпадении заглушек монтажных отверстий. Так, например, на лопасти рабочего колеса турбины Верхне-Свирской ГЭС, изготовленной из нержавеющей стали 25Х14НЛ, за год эксплуатации разрушения за выпавшей заглуш-

54

Рис. II.9. Кавитационные разрушения камеры рабочего колеса (а) и лопасти (6) поворотнолопастной турбины

Волжской ГЭС:

кои достигли глубины 40 мм. Большие разрушения за выпадающи­ ми заглушками наблюдаются на лопастях турбин Рыбинской ГЭС.

За развитием эрозии в процессе эксплуатации можно просле­ дить по формулярам обследования лопастей рабочего колеса тур­

эксплуатации лопасти из углеродистой стали разрушились на глубину до 35 мм, то на лопастях из нержавеющей стали разрушения полностью отсутствовали. На лопастях, обли­ цованных сталью 1Х18Н9Т, кавитационная эрозия также отсут­ ствовала, но наблюдались отрыв облицовки и разрушение основ­ ного материала.

Нержавеющие лопасти не подвержены профильной и щелевой кавитации и на других низконапорных турбинах— Нижне-Свир- ской, Верхне-Свирской, Рыбинской. Лопасти на этих гидроэлект­ ростанциях разрушаются только за отверстиями при выпадении монтажных заглушек.

В то же время на высоконапорной турбине Верхне-Туломской ГЭС за счет профильной кавитации входных кромок лопастей

57

(в зонах, аналогичных турбине Цим­ лянской ГЭС) глубина разрушений на нержавеющей стали за 7100 ч достигла 5 мм. При этом режимы работы турбины не выходили за до­ пустимые пределы эксплуатационной

60МВт.

Анализ кавитационных разруше­

арина полосы разрушения камер об­ следованных турбин колеблется от 300 мм на Верхне-Свирской ГЭС до 3000 мм на Волжских ГЭС, что со­ ставляет по отношению к диаметру рабочего колеса 0,04—О.ЗГЦ.

Для количественной характери­ стики разрушений углеродистых ка­ мер приведем разультаты обследо­ вания нескольких агрегатов Волж­ ской ГЭС им. XXII съезда КПСС

(табл. II.4).

Агрегаты работали при среднем напоре 20—22 м и средней высоте отсасывания от — 2,5 до — 3,0 м.

Интенсивность эрозии камер рабочих колес, которую лучше характеризовать глубиной кавитационных разрушений за опре­ деленный период эксплуатации, существенно зависит от напора.

из стали ЗОЛ, появились после —50 000 ч эксплуатации.Глубина повреждений — до 5 мм.

На турбинах Верхне-Свирской ГЭС (# = 14 м) кавитацион­ ная эрозия глубиной до 6 мм возникла на камере рабочего колеса

кавитационной стойкостью нержавеющей и углероди­ стой сталей в условиях эксплуатации камер рабочих колес

в то время как следующий за ним пояс из стали МСт.З разрушился на глубину 10 мм.

а следующее за ней фундаментное кольцо из стали МСт.З разру­ шилось на глубину до 5 мм.

Однако на некоторых ГЭС кавитационные разрушения имеются

значительные кавитационные разрушения на корпусе рабочего колеса, изготовляемом из углеродистой стали. Зоны эрозии рас­ полагаются между окнами—ниже оси поворота лопастей. За

60