ЛекцииГМКН

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.

1

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 на чальной стадии процесса, когда внешне кавитация почти не проявляется. Полное устранение начальной стадии кавитации практически почти невозможно.

1.1.2 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 рв.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

2

протекает периодически, с большой частотой. Замыкание паро-газовых пузырьков в зоне потока, где абсолютное давление

рабс. > рв.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.

Сущность явления кавитации в гидротурбине. В отдельных частях проточного тракта (под рабочим колесом) гидротурбины давление может быть весьма низким, практически глубокий вакуум. Одним из основных факторов, определяющих движение жидкости при низком давлении, является прочность жидкости на разрыв. Так, по опытным данным, чистая вода, не содержащая твердых и газообразных примесей, выдерживает растяжение 0,2 − 0,3 МПа, а в особых условиях до 10 − 25 МПа. Теоретически прочность воды на разрыв еще больше. Однако прочность обычной воды на разрыв определяется давлением насыщенного пара рв.п значение которого зависит от температуры жидкости (рис. 1.1). Это объясняется тем, что в воде из водотоков и даже из водопровода содержится большое количество мельчайших твердых и газообразных включений, которые представляют собой слабые точки, ядра. Образованию ядер способствует и присутствие в воде растворенного воздуха.

Рисунок 1.1. Зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры.

3

Табл.1

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.

Как видно из рис. 7.1, давление насыщенного водяного пара при 100 °С равно атмосферному, что и определяет точку кипения. На отметке 2200 м над уровнем моря атмосферное давление равно 80 кПа и вода кипит при 93 °С. Если абсолютное давление снизить до 2 кПа, то вода может кипеть и при температуре ниже 20 °С.

Рассмотрим условия разрыва воды на опыте. Цилиндр с поршнем заполним водой так, чтобы в пространстве под поршнем не было пузырьков воздуха (рис. 1.2, а)., Потянем поршень вверх с силой Р.

Рисунок 1.2. Статический разрыв сплошности воды

Сначала он будет сопротивляться и заметного его перемещения не произойдет, но когда сила Р превысит

4

РКР = F (ратм. - рв.п),

где ратм. — атмосферное давление, a F — площадь поршня, то поршень начнет подниматься, а между поршнем и жидкостью создастся полость, заполненная в основном водяным паром с давлением рв.п (рис. 7.2, б).

При этом, сколько бы поршень ни перемещался вверх или вниз, пока существует каверна, давление под ним будет сохраняться неизменным, равным рв.п. Это статический разрыв сплошности жидкости.

В турбулентном потоке явление протекает иначе. Характерной особенностью турбулентного потока является пульсация скоростей и давлений в каждой точке, которая особенно интенсивна в пограничных зонах.

которые тотчас захлопнутся с повышением давления. С уменьшением рабс число каверн возрастает, но они также будут возникать и захлопываться — пульсировать.

Если в потоке имеются области с еще меньшим давлением, то могут возникать каверны, которые будут сохраняться в течение всего периода переноса через эту область. Жизнь такой каверны состоит из двух фаз: образование и рост — в основном это период прохождения области, где давление падает (вакуум нарастает), и захлопывание, которое происходит в области, где давление увеличивается. При этих условиях каверны могут достигать больших размеров и при их захлопывании в точке (центре)

создаются огромные удельные давления.

Вот это явление — возникновение в турбулентном потоке разрывов сплошности жидкости — образование каверн и носит название кавитации.

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.

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

5

в центре каверны в момент ее исчезновения, при наиболее невыгодных предположениях достигает 1500 атм. Среднее значение давления, неоднократно полученное при помощи пьезокварцевого датчика, помещенного в область кавитации, достигает нескольких сотен (до 1000) атмосфер. Это показывает, что вышеуказанные теоретические расчеты точечного повышения давления достаточно правильно определяют порядок величин.

При конденсации пара внутри каверн не только развиваются огромные давления, но и значительно повышается температура. Были проведены опыты, при которых эту температуру определяли по вспышке несмачиваемых взрывчатых порошков; она оказалась равной + 230° С. При сжатии кавитационного пузырька наблюдаются также электрические явления, вызывающие его свечение. Это свечение объясняется электрическим разрядом, который происходит в кавитационной полости при ее образовании.

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 несомненно способствует, помимо указанного механического, также и химическое действие кавитации.. Последнее обусловлено тем, что 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. Однако главной причиной разрушения металла следует считать все же механическое воздействие гидравлических ударов и вибраций на поверхность обтекаемых тел, находящихся в зоне кавитации. Это

6

подтверждается тем, что кавитационные разрушения были получены на таких химически стойких материалах, как стекло, агат и золото.

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.

1.1.3 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.

Кроме того, изменение расхода на ГЭС сопровождается колебаниями отметок уровня воды перед и за плотиной, что также вызывает изменение давления в потоке, протекающем через турбину. При некоторых значениях расхода и отметках установки турбины по отношению к нижнему бьефу абсолютное давление в потоке может приблизиться к давлению парообразования при заданной температуре воды. В результате чего

7

Рисунок 1.3. Изменение давления в каналах рабочего колеса реактивной гидротурбины.

Уменьшение потенциальной энергии давления потока при его прохождении через рабочее колесо турбины является естественным процессом преобразования гидравлической энергии потока в механическую энергию на валу турбины. Перепад давления на рабочем колесе, характеризуемый коэффициентом реактивности, тем больше, чем выше быстроходность гидротурбины. Большая разность давлений р1 > р2 на входе и выходе из рабочего колеса приводит к существенному падению давления на тыльной поверхности лопасти (рис. 1.3).

Следовательно, 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.

8

Наличие в проточной части развитой кавитации, влияющей на характеристики гидротурбины, недопустимо. Чтобы ее избежать необходимо знать, какие факторы влияют на падение давления в проточной части, какие формы и стадии кавитации могут существовать в потоке. Правильный учет факторов, влияющих на кавитацию, обеспечит надежную и экономичную работу гидротурбин на ГЭС

9

Лекция 2.

Кавитация в проточном тракте гидротурбин (продолжение). 2.1. Виды кавитации. Параметры кавитационного процесса.

2.1.1 Виды кавитации, стадии ее развития и последствия в гидромашинах.

В гидротурбинах различают следующие виды кавитации: профильную, щелевую, полостную на выходе из рабочего колеса, кавитацию при резком изменении направления потока, местную кавитацию, вызываемую шероховатостью проточной части (рисунок 2.1). Наибольшее падение абсолютного давления в турбине имеет место в рабочем колесе, где происходит процесс преобразования энергии потока в механическую энергию. При определенных условиях работы некоторые из перечисленных видов кавитации наблюдаются также в направляющем аппарате и отсасывающей трубе турбины. Однако энергетические и кавитационные характеристики гидротурбины определяются, в основном, рабочимколесом.

Рисунок 2.1. Виды кавитации в гидромашинах: а) профильная, б) щелевая, в) местная

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: рВАК = рАТМ / γ.

В том месте профиля, где давление приближается к значению рВ.П. / γ, возникает кавитация. Большое влияние на эпюру распределения давления

1