4. (58) Характерисики турбин. Гух. Сущность явления кавитации в гидротурбинах.

ОБЩИЕ

Общие характеристики (Эксплуатационные характеристики) имеют два определяющих параметра и представляют собой зависимость данного показателя от двух независимых переменных.

Например, напорно-мощностная характеристика η = f_η (N, H); H_S = f_Hs (N, H) при условии: D₁ = const, n = const.

Можно построить напорно-расходную эксплуатационную характеристику, с параметрами: η = f_η (H, Q); N = f_N( H, Q) при условии: D₁ = const, n = const.

ЛИНЕЙНЫЕ

Линейные характеристики (Рабочие характеристики) строятся в зависимости от одной переменной, по которой и получают свое название. При этом принимаются постоянными три параметра

Линейные характеристики гидротурбин:

а) – расходные, а₀ = f_а (Q), η =f_η(Q), N =f_N(Q);

б) – мощностные, η = f_η (N), а₀ =f_a(N);

в) – напорные, η = f_η(H), N = f_N (H);

г) – оборотные, η = f_η (n), N = f_N (n)

Линейные характеристики не так полно освещают свойства турбин, как общие, но они проще и нагляднее, поэтому их часто используют для сравнения свойств турбин различных типов и видов.

УНИВЕРСАЛЬНАЯ

Эта характеристика обычно определяет общие свойства турбин данного типа, ее строят в приведенных параметрах при D₁ = 1 м и Н = 1 м. Универсальная характеристика дается по результатам модельных испытаний (модельная характеристика), и все показанные на ней величины (η, σ, а₀ и др.) указаны для модели. В связи с этим на характеристике всегда указывают размер модели (диаметр) и приводят ее габаритный чертеж. Важной точкой характеристики является оптимальный режим, отвечающий абсолютному максимуму КПД.

Вид ее для радиально-осевой турбины показан на рисунке. По осям отложены переменные n′₁ и Q′₁. Нанесены изолинии гидравлического к.п.д. η_Г, коэффициента кавитации σ и открытий направляющего аппарата а₀.

Универсальная характеристика радиально-осевой турбины (D_М = 460 мм, Н =4м)

На универсальной характеристике часто указывается еще линия 5 %-ного запаса мощности (95 % N_МАКС). Правее этой линии можно получить увеличение мощности только на 5 %, и обычно в эту область заходить не рекомендуется.

Универсальная характеристика полностью освещает свойства турбин данного типа, и по ней, используя формулы пересчета:

5. n = (n′₁·√H) / D; Q = Q′₁· D²·√ H

можно определить все требуемые показатели и построить любую другую характеристику турбины данного типа для заданных параметров. С этой целью на характеристике указывают диаметр модели D_М и примерное значение напора, при котором проведены испытания.

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, происх. столкновение жидких частиц и возникает гидравлический удар.

В местах смыкания и исчезновения кавитационных каверн повышение давления вследствие гидравлических ударов достигает значительной величины.

При конденсации пара внутри каверн не только развиваются огромные давления, но и значительно повышается температура.

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. Разрушению металла способствует также и химическое действие кавитации. Кислород воздуха в момент его выделения из воды, взаимодействуя с паром, газом и твердым металлом в условиях быстрого и резкого изменения давления и температуры обладает весьма высокой химической активностью.

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 детали.