Явление кавитации и условия ее возникновения в потоке, протекающем через гидротурбину

Кавитацией называют процесс образования и роста пустот (каверн) в местах потока, где давление примерно равно давлению насыщенных паров р_в.п., и последующее их разрушение (замыкание или схлопывание) ниже по потоку в зоне более высоких давлений. При наличии кавитации сплошность потока нарушается. Из однофазной системы поток превращается в двухфазную — вода и пузырьки, наполненные паром, воздухом и газами. Процесс образования, роста и замыкания пустот протекает периодически, с большой частотой. Замыкание паро-газовых пузырьков в зоне потока, где абсолютное давление

р_абс. > р_в.п

происходит практически мгновенно, что вызывает значительное повышение давления в месте замыкания пузырьков, а затем его понижение. Под воздействием кавитационного процесса материал проточной части гидротурбины разрушается.

Когда давление в жидкости падает ниже давления насыщенного пара, на границе ядер начинается интенсивный переход жидкости в газообразное состояние — пар (кипение) и образуются местные разрывы сплошности — каверны, заполненные в основном водяным паром. После образования каверн дальнейшее понижение давления в жидкости не происходит, так как оно компенсируется быстрым увеличением объема каверн. При повышении давления каверны захлопываются и пар мгновенно конденсируется, превращаясь обратно в воду.

Разрушительное действие кавитации. При конденсации пара внутри каверн, окружающая жидкость устремляется к их центру с огромной скоростью, вследствие чего стенки каверн смыкаются, происходит столкновение жидких частиц и возникает гидравлический удар.

Громадные давления, возникающие в момент завершения кавитационного гидравлического удара и последующего расширения паровоздушной смеси каверны, вызывают упругие колебания соседних частиц жидкости с частотой звуковых колебаний. Эти вибрации, передаваясь металлу, вызывают быстрое разрушение его поверхности, особенно большое, если металл отличается хрупкостью. Гладкие полированные поверхности, отражая колебания, менее подвергаются кавитационному разрушению (эрозии). Неровные поверхности в значительной мере поглощают энергию упругих колебаний, а потому интенсивно разрушаются. Таким образом, если поверхность начала разрушаться, то, приобретая мелкогубчатую структуру, она продолжает разрушаться с возрастающей скоростью.

Обычно областями возникновения кавитации являются поверхности у выходных кромок лопастей рабочего колеса с тыльной их стороны, а также обод радиально-осевых колес и камеры рабочего колеса осевых турбин в зоне, близкой к выходным кромкам. При сильном развитии кавитация охватывает всю область рабочего колеса и в очень короткий срок разрушает его и окружающие его де тали.

Влияние кавитации на процесс эксплуатации гидротурбин.

Улучшение технико-экономических показателей гидротурбин достигается за счет уменьшения их размеров и веса при условии обеспечения их расчетной мощности.

Чтобы снизить размеры и вес агрегата, необходимо при тех же параметрах и приемлемых энерго-кавитационных характеристиках увеличить удельную пропускную способность турбины и ее частоту вращения, что связано с ростом скоростей потока в проточной части турбины и может привести к изменению ее гидродинамических и прочностных характеристик. Увеличение скоростей потока, как правило, вызывает рост потерь энергии, падение КПД турбины и дальнейшее понижение давления в потоке.

В процессе эксплуатации гидротурбин на ГЭС их мощность определяется графиком нагрузки энергосистемы. При регулировании мощности турбины меняется ее расход и, следовательно, величины скоростей и давлений в проточной части. Увеличение расхода обычно приводит к росту динамического вакуума в рабочем колесе и на входе в отсасывающую трубу.

Повышение скоростей в потоке, необходимое для увеличения быстроходности турбины, связано с опасностью появления кавитации в рабочем колесе.

Очевидно, что для дальнейшего улучшения технико-экономических показателей гидроагрегатов и здания ГЭС (уменьшение их размеров и стоимости) необходимо, в частности, применять проточную часть гидротурбин с улучшенными кавитационными характеристиками. Улучшение кавитационных характеристик проектируемых гидротурбин может достигаться такими способами: использованием совершенных расчетных методов расчета и экспериментальной доводки проточной части моделей известных типов гидротурбин; применением новых типов гидротурбин с улучшенными характеристиками.

Профильная кавитация. При обтекании лопастей рабочего колеса может возникнуть кавитация, которая явится причиной изменения характеристик турбины. Распределение скоростей и давления на лопасти зависит, в частности, от формы профилей, их толщины, очертания входной кромки, угла атаки и скорости обтекания (рис. 2.2). Теоретический максимум разрежения в потоке равен: р_ВАК = р_АТМ / γ.

В зависимости от режима работы гидротурбины могут наблюдаться следующие стадии профильной кавитации: начальная, развитая и отрывная.

Начальная стадия — обтекание лопасти почти не меняется, так как кавитация возникает только в отдельных местах лопасти. Характеристики гидротурбины не изменяются.

Развитая стадия — кавитационные каверны покрывают большую часть тыльной стороны профиля; поток отслаивается от поверхности профиля, но не отрывается. При этой стадии кавитации изменяются гидродинамические характеристики лопастей рабочего колеса.

Отрывная стадия приводит к резкому изменению формы потока, возрастанию потерь энергии, падению КПД и наличию периодических возмущающих сил, действующих на лопасть. Отрывная кавитация в рабочем колесе недопустима, так как характеристики гидротурбины существенно ухудшаются.

Щелевая кавитация. Щелевая кавитация. Через зазоры у втулки и на периферии рабочего колеса поворотно-лопастной гидротурбины часть воды движется в обход лопастей (объемные потери). Протечки воды и интенсивность вихреобразования в щели зависят от величины зазора, формы торцов и перепада давления на лопасти. При определенных условиях скорости в щели существенно возрастают, а давление падает. Возникает щелевая кавитация.

Для ослабления щелевой кавитации и уменьшения разрушения камеры рабочего колеса и торцов лопастей принимают следующие меры:

1. Обеспечение минимальных зазоров между лопастями поворотно-лопастного рабочего колеса, камерой и втулкой при различных углах установки лопастей, находящихся в пределах Δ = (0,0005 ÷ 0,001) D₁ (около 10 мм). С этой целью втулку рабочего колеса выполняют сферической формы. Камера рабочего колеса обычно полусферическая.

2. Закругление торцов лопасти (рис. 2.4, б). Местные скорости потока в щели в этом случае уменьшаются по сравнению с лопастями с необработанной кромкой (рис. 2.4, а).

3. Установка специальных буртиков вдоль периферии лопастей (рис. 2.4, в). Следует отметить, что буртики, снижая кавитацию, приводят, как показали исследования, к некоторому падению КПД турбины.

4. Изготовление камеры рабочего колеса и лопастей из нержавеющей стали, которая хорошо противостоит воздействию кавитации. В целях экономии возможна наплавка лопастей, выполненных, из углеродистой стали электродами из нержавеющей стали. Лопасти и камеры рабочих колес, средне- и высоконапорных турбин, как правило, выполняются полностью из нержавеющей стали.

Щелевая кавитация может наблюдаться также и в направляющем аппарате (в зазорах между торцами лопаток, верхним и нижним кольцами направляющего аппарата), а также в уплотнениях рабочих колес радиально-осевых гидротурбин.

Полостная кавитация. Полостная кавитация на выходе из рабочего колеса. На режимах, отличных от оптимального, за рабочим колесом радиально-осевых и пропеллерных гидротурбин наблюдается интенсивное вращение потока. При частичных нагрузках поток за рабочим колесом вращается в том же направлении, что и рабочее колесо; при нагрузках, больших оптимальной, вращение потока противоположно вращению рабочего колеса.

Последствия кавитации.

Кавитация в гидромашинах, особенно ее развитая стадия, вызывает значительное изменение структуры потока, его физических свойств и приводит к следующим последствиям:

1. Ухудшение энергетических характеристик гидротурбины, а именно падение ее КПД и мощности. Мощность турбины снижается не только из-за падения КПД, но также благодаря уменьшению пропускной способности турбины и массовой плотности потока.

2. Разрушение деталей проточной части, что приводит к вынужденным остановкам для производства ремонта и потери выработки электроэнергии.

3. Удары в проточной части и кавитационный шум, сопровождающие замыкание каверн и вихрей в потоке.

4. Вибрация гидроагрегата и здания ГЭС, приводящая, в частности, к образованию трещин на лопастях рабочего колеса.

Чтобы исключить развитую кавитацию, необходимо правильно назначить режимы эксплуатации и обеспечить необходимые высоты отсасывания при установке гидротурбины на ГЭС.

5. Регулирование расхода и мощности турбины. Потери энергии в проточном тракте турбины. Отсасывающие трубы гидротурбин.

Регулирование расхода и мощности турбины

Гидравлическая мощность турбины. Энергия теряемая жидкостью в 1 секунду при прохождении через рабочее колесо турбины, т.е. гидравлическая мощность отбираемая турбиной от протекающей жидкости, составляет:

N_Г = ρgQ_К H_Т

Гидравлические потери в турбине ∑h_ГИДР оцениваются величиной гидравлического КПД – η_Г. Тогда теоретический напор запишем в виде:

Н_ТЕОР = Н_ТУРБ - ∑h_ГИДР = Н_Т • η_Г

Расход воды через рабочее колесо турбины без учета потерь на протечки равен:

Q_К = Q_ТУРБ – q_УТЕЧЕК = Q_Т • η_О

В итоге, выражение для гидравлической мощности турбины принимает вид:

N_Г = ρg•Q_К • H_Т • η_Г •η_О

В радиально-осевых и пропеллерных турбинах расход регулируется поворотом лопаток направляющего аппарата, а в поворотно-лопастных — одновременным поворотом лопаток направляю­щего аппарата и лопастей рабочего колеса.

Основным регулирующим органом является направляющий аппарат, изменением открытия лопаток a₀ кото­рого достигается изменение расхода через турбину Q.

Воспользуемся уравнением турбины, которое позволяет установить зависимость пропускной способности от геометрических размеров и исследовать возмож­ности регулирования расхода и мощности в реактивных турби­нах.

η_Гg H = (ω/2π) • (Г₁ - Г₂)

Циркуляция на входе в рабочее колесо Г₁ создается направляющим аппаратом, рисунок 6.2, а). Из треугольника скоростей на выходе из НА следует:

Г₀ = πDv_Uo = πDv_roctgά₀ = Г₁

^Vm2

Рисунок 6.2 Связь между циркуляциями Г₁, Г₂ и расходом через турбину:

а) — меридиональная проекция полости гидротурбины;

б) — треуголь­ник скоростей на выходе из направляющего аппарата; в) — то же на выходе из рабочего колеса.

Из выражения для определения расхода через турбину Q следует, что на пропускную способность турбины влияют: геометрические размеры проточной части (F₂; D_2СР; b₀), форма потока в проточной части (углы потока (струйные) на выходе из направляющего аппарата ά₀ и на выходе из рабочего колеса γ₂ = 180° - β₂), напор Н и частота вращения n турбины.

Таким образом, исходя из выше приведенных зависимостей, имеется три параметра: ά₀; b₀ и γ₂ три возможности регулирования расхода.