Лекция 1.

Кавитация в проточном тракте гидротурбин.

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

1.1.1 Общие представления о кавитационном процессе.

Термин кавитация происходит от латинского слова cavus — пустой и происшедшего от него французского cavite — опустение, хорошо отражающего сущность процесса.

Кавитация является следствием основных законов природы, определяющих состояние энергии и вещества. При определенных условиях она становится неотвратимым процессом, поэтому очень важно знать эти условия, а также средства, позволяющие ему противостоять.

Впервые кавитация как физическое явление обратила на себя внимание в начале XX века, когда дальнейшее увеличение скорости морских судов стало невозможным из-за кавитационных разрушений гребных винтов. С тех пор вот уже более 60 лет кавитация является объектом внимания ученых и инженеров в целом ряде отраслей науки и техники. Явление кавитации настолько многообразно, что для его изучения оказалось необходимым привлечь физику и химию в их самом широком аспекте и такие прикладные науки, как гидромеханика, электрохимия, металлургия, теория прочности и др.

Кавитация − сложный физический процесс, вызывающий губчатое разрушение элементов проточной части турбины, сопровождающийся шумом, ударами, снижением КПД, повышенной вибрацией агрегата и пульсацией потока.

В реактивных гидротурбинах она играет исключительно важную роль. Кавитация, возникая в закрытых водоводах при достаточно больших скоростях в потоке, нарушает одно из основных физических свойств жидкости — ее сплошность. Это в свою очередь приводит к нарушению нормального рабочего процесса, а самое главное — к разрушению рабочих органов, делая невозможным их длительное использование.

Существуют различные теории, объясняющие разрушение проточной части. Наиболее распространенной и обоснованной, видимо, является механическая теория, сущность которой состоит в следующем:

− в местах конденсации паро-газовых пузырьков частицы жидкости устремляются навстречу друг другу с большой скоростью, в результате чего происходит местное повышение давления в потоке. После столкновения частицы жидкости двигаются в противоположном направлении, при этом местное давление в потоке резко снижается. Процесс повышения и понижения давления повторяется с большой частотой. В результате многократного воздействия на омываемые металлические поверхности высоких и низких давлений металл устает и разрушается. Кавитационное разрушение металла начинается с образования микротрещин в местах наличия включений (графит и пр.) и следов механической обработки. В дальнейшем процесс разрушения усиливается, и в итоге металлическая поверхность может быть разрушена настолько, что становится губчатой. Так как при замыкании кавитационных пузырьков значительно повышается давление и температура, то одновременно с механическим воздействием потока на обтекаемые поверхности имеют место химические и электрохимические процессы, приводящие к еще большему разрушению металла.

Кавитационное разрушение, или, как его принято называть, кавитационная эрозия (что не совсем точно отражает явление), возникает еще задолго до падения мощности и к. п. д., в начальной стадии процесса, когда внешне кавитация почти не проявляется. Полное устранении начальной стадии кавитации практически почти невозможно.