ЛекцииГМКН

Лекция 4.

Кавитация в проточном тракте гидротурбин (продолжение).

4.1. Методы кавитационных испытаний гидротурбин.

Методы исследования кавитации в проточной части агрегатов основаны на изменении характеристик гидротурбины и физических свойств потока, вызванных кавитацией. В гидромашинах применяют следующие методы кавитационных испытаний:

1.Энергетический метод определения значений критического кавитационного коэффициента модели турбины на различных режимах работы, при которых наблюдается изменение КПД и мощности турбины. Этот метод проведения кавитационных испытаний моделей реализуется на кавитационном стенде.

2.Вспомогательные методы исследования кавитации и определения кавитационных зон в проточной части:

2.1 фотометрический и визуальный методы,

2.2 стробоскопирование и скоростная киносъемка потока.

Подобные исследования предназначены для выявления начальных форм и процесса развития кавитации в рабочем колесе и отсасывающей трубе. Такие экспериментальные данные используют для дальнейшего совершенствования проточной части и улучшения кавитационных характеристик гидротурбин.

3.Методы исследования кавитации в натурных гидротурбинах, основанные на изменении физических свойств потока при начальной и развитой кавитации, когда поток насыщается пузырьками пара и газов, количество и размеры которых зависят от стадии развития кавитации. К ним относятся:

3.1 омический метод;

3.2 акустический метод.

Омический метод. Этот метод основан на том, что омическое сопротивление потока зависит от его насыщения пузырьками пара и газов и растет по мере развития кавитации в потоке. Пропуская электрический ток через кавитирующий поток, замеряют его сопротивление и фиксируют начальную и развитую стадии кавитации по резкому возрастанию сопротивления электрической цепи. Применяемый прибор — омический

1

анализатор кавитации — регистрирует изменение сопротивления электрического тока, пропускаемого через пару электродов, установленных на выходе из рабочего колеса и включенных в одно плечо электрического моста прибора. Для того чтобы исключить влияние изменений температуры и физических свойств воды на показания прибора, другая пара электродов, подсоединенных к другому плечу электрического моста, помещается в ванну, заполненную водой из спиральной камеры.

Дифференциальный омический метод, разработанный сотрудниками ХПИ им. В. И. Ленина и Харьковского авиационного института под руководством Л. С. Шмуглякова, позволяет определять степень развития кавитации в потоке под рабочим колесом в зависимости от режима турбины. Он прошел успешные лабораторные и натурные испытания на ряде турбин отечественных ГЭС.

Акустический метод. В данном случае для исследования кавитации используют ультразвуковые колебания в потоке, которые возникают при зарождении, росте и последующей конденсации кавитационных пузырьков в зоне повышенного давления. Как показали опытные исследования, наибольшая интенсивность кавитации в турбине соответствует полосе частот ультразвуковых колебаний f = 100 ÷ 250 кГц. Регистрируя частоты и интенсивность ультразвуковых колебаний в потоке при помощи специального прибора (гидрофона), судят о наличии и развитии кавитации в гидротурбине. Метод достаточно прост и надежен при исследовании кавитационных характеристик гидротурбин на ГЭС.

4. При наличии кавитации в потоке наблюдаются механические вибрации определенной частоты отдельных деталей гидротурбин, величина которых используется для оценки степени развития кавитации.

4.2. Методика кавитационных испытаний моделей гидротурбин.

Кавитационный стенд. Как уже отмечалось выше, критический кавитационный коэффициент σКР определяется экспериментально, путем испытания на специальных кавитационных стендах моделей турбин обычно небольших размеров (D1 = 240 ÷ 460 мм). Устройствами кавитационного стенда предусматривается возможность менять величину вакуума в зоне отсасывания в больших пределах.

2

Рисунок 4.1. Схема кавитационного стенда (замкнутая установка).

По конструктивной схеме кавитационные установки выполняются весьма разнообразно. Характерным признаком являются условия циркуляции воды в системе. Замкнутые установки перед испытанием заливаются водой из технического водопровода, и в дальнейшем циркулирующая вода, благодаря работе насоса нигде не соприкасается с наружным воздухом. На практике чаще всего применяют именно замкнутые установки (схема представлена на рис. 4.1).

Циркуляция воды в системе обеспечивается центробежным насосом 1 с приводом от двигателя, позволяющего изменять число оборотов вала насоса в широких пределах, например от электромотора постоянного тока. Переменное число оборотов от двигателя требуется для обеспечения во время опытов разной величины напора и расхода, зависящее от рабочего режима работы модельной турбины.

От насоса через трубопроводы 12, 10 и 8 и баки 13, 9 и 7 вода поступает в модельный блок 4 и далее через вакуумный бак 2 и всасывающий трубопровод она возвращается к насосу.

На вертикальном участке напорного трубопровода устанавливается устройство 11 для измерения расхода воды — сопло или диафрагма, с применением в качестве вторичного прибора дифференциального манометра

16.

3

На нагнетательной и всасывающей линиях водоводов имеются значительные емкости в виде баков 13, 9,7 и 2, что способствует улучшению условий растворения пузырьков воздуха за счет большего времени циркуляции воды в установке. Для дополнительного улучшения растворения воздуха, например в установке лаборатории гидромашин ЛПИ, вода в баке 9 движется вниз — навстречу всплывающим пузырькам воздуха.

Изменение кавитационного коэффициента установки σУСТ производится путем изменения давления в вакуумном баке 2, что равносильно изменению в формуле (2.3) барометрического давления НАТМ. Необходимое разрежение (вакуум) в пределах от 0 до 9,0 м вод. ст.(от 101,3 кПа до 10 кПа) производится вакуумным насосом 3.

Рабочий напор на установке измеряется при помощи манометра 15 и вакуумметра 14.

Момент на валу турбины и число оборотов вала замеряются соответственно нагрузочным устройством 5 с весами 6 и счетчиком оборотов.

Кроме указанного, кавитационная установка оборудуется водомерными стеклами, термометрами и пускорегулировочной аппаратурой. Все контрольно-измерительные приборы и аппаратура установки сосредоточиваются вблизи пульта, с которого ведется управление работой тормозного устройства, питательного и вакуумного насосов, а также записи показаний измерительных приборов.

Кавитационный стенд позволяет изменять в больших пределах σУСТ , определяемую по формуле (2.3):

σУ = НАТМ −НS −НВП

Н

Указанное изменение осуществляется путем изменения одной из величин или барометрического давления НАТМ, или высоты отсасывания HS, или напора Н.

Практически при кавитационных испытаниях в большинстве случаев остаются неизменными Н и HS, а меняется барометрическое давление НАТМ, в вакуумном баке за счет большего или меньшего разрежения, создаваемого в нем вакуумным насосом.

В подавляющем большинстве случаев для определения критического значения кавитационного коэффициента турбины при данном режиме ее работы пользуются методом «срывных характеристик», основанном на том, что при развитых кавитационных явлениях происходит резкое падение

4

мощности и к. п. д. модельной турбины.

Методика ведения экспериментов и обработки экспериментальных материалов. Целью кавитационных испытаний модели является определение значений критических кавитационных коэффициентов гидротурбины при различных режимах ее работы. При помощи экспериментальных значений σКР вычисляют допустимые значения высоты отсасывания HS, обеспечивающие отсутствие развитой кавитации на всех режимах работы турбины на ГЭС.

Кавитационные испытания модели проводят после завершения ее энергетических испытаний и построения универсальной характеристики. Поэтому величины открытий направляющего аппарата a0, углы установки

лопастей φ и значения n′I данной модели, при которых должны быть

проведены кавитационные испытания, известны. Установив определенный режим модели, последовательно уменьшают величину кавитационного коэффициента установки σУ до значения критического коэффициента турбины σКР (рис. 4.2).

Рисунок 4.2. Срывные кавитационные характеристики модели тихоходной радиально-осевой гидротурбины.

Как следует из выражения (2.3)

σУ =	НАТМ −НS −НВП	,
	Н

этого можно достичь, изменяя значение давления НАТМ на свободной поверхности бака нижнего бьефа замкнутой кавитационной установки или обеспечив, необходимую величину напора на модели.

Последовательность проведения кавитационных испытаний модели

5

следующая. При достаточно больших значениях σУ, обеспечивающих отсутствие развитой кавитации модели, устанавливают необходимый режим

(a0	и n′I	). Поддерживая постоянными напор во время испытания и момент
на	валу	модели, через определенные интервалы меняют величину вакуума

НВАК над свободной поверхностью бака нижнего бьефа. При каждом значении НВАК замеряют величины Н, Q, n, МКР и температуру воды в

системе, вычисляют значения η, n′I , σУ и заносят их в протокол. При тех же

значениях Н и МКР устанавливают следующую величину вакуума, проводят новые замеры и вычисления и т. д. По полученным данным строят кривые:

η = f (σУ), n′I = f (σУ ), Q′I = f (σУ)

так называемые «срывные» характеристики (рис. 4.2).

До тех пор, пока развитая кавитация в модели отсутствует, частота вращения и момент на валу не меняются, и кривая η = f (σУ), не имеет излома. При определенной величине σУ = σТ наблюдается падение частоты вращения турбины при той же нагрузке на тормозном устройстве.

Дальнейшее повышение величины вакуума в системе вызывает еще большее падение КПД модели. Величина σУ, при которой начинается падение КПД, принимается в качестве критического коэффициента модели σКР на данном режиме. Такие испытания и построения срывных характеристик выполняют для ряда исследуемых режимов. Описанная методика применяется для испытания различных типов гидротурбин. В случае радиально-осевых или пропеллерных гидротурбин после построения срывных

характеристик и определения значений		σКР	на исследованных режимах
строят кривые σКР = f (Q′I )	при n′I = const (рис. 4.3).
Выполняя разрезы этих кривых при помощи горизонтальных линий
σКР = const, определяют	значения	Q′I и	n′I которые наносят на

универсальную характеристику; соединяя точки равных значений акр, получают изолинии σКР = const (рис. 4.4).

6

Рисунок 4.3. Кривые σКР = f (Q′I ) при n′I = const модели тихоходной радиально-осевой гидротурбины.

Рисунок 4.4. Главная универсальная характеристика модели радиально-осевой гидротурбины (D1 = 460 мм)

Для поворотно-лопастных гидротурбин объем испытаний несколько больше. В результате энергетических испытаний известны комбинаторные значения открытий а0К и углов φК°, далее:

1. При выбранном угле установки лопастей φ и нескольких величинах n′I приведенных оборотов, достаточно полно охватывающих центральную часть универсальной характеристики, при выбранном значении n′I проводят

7

кавитационные испытания при трех открытиях направляющего аппарата, близких к найденному значению а0К.

2. На основании полученных данных для каждого угла φ строят кривые σКР = f (Q′I ) и наносят на них точки комбинаторных режимов (а0К и QI'),

соединяя которые получают кривую σКР = f (Q′I ) для каждого значения n′I

= const (рис. 4.5)

Рисунок 4.5. Кривые σКР = f (Q′I ) при n′I = const модели поворотнолопастной гидротурбины.

3.	Рассекают кривые σКР = f (Q′I ) горизонтальными		линиями	для
каждого значения σКР, определяют величины Q′I и n′I		и	переносят	их
на поле характеристики.
4.	Соединяя точки равных значений σКР, строят изолинии σКР = const

на поле главной универсальной характеристики модели (рис. 4.6).

8

Рисунок 4.6 Главная универсальная характеристика модели осевой поворотнолопастной гидротурбины (D1 = 460 мм).

4.3. Меры по предотвращению кавитации или ослаблению ее последствий.

Для исключения развитой кавитации или уменьшения ее последствий в практике гидротурбостроения используют ряд мер, из которых следует отметить следующие:

1. Разработка новых типов и дальнейшее совершенствование номенклатурных рабочих колес. При разработке лопастной системы колеса необходимо при помощи расчетных методов проанализировать такие ее параметры: кривизну, толщину и углы установки профилей, углы атаки на входе в рабочее колесо, густоту решетки, которые существенно влияют на величины скоростей, распределение давления на поверхности лопасти, а следовательно, на кавитационный коэффициент турбины. Меньшие значения σТ, а следовательно, большие допустимые значения высоты отсасывания имеют те рабочие колеса, у которых распределение давления на лопастях более равномерное. В результате всесторонних расчетных и экспериментальных исследований создан ряд рабочих колес, обладающих высокими энергетическими и кавитационными показателями.

Благодаря большим успехам, достигнутым в совершенствовании проточной части, разработке конструкций и технологии изготовления

9

гидротурбины применяют в настоящее время на более высокие напоры: осевые вертикальные — до 80 м, а радиально-осевые — до 700 м.

Другим эффективным средством предотвращения развитой кавитации в гидротурбине является правильный выбор минимальной допустимой высоты отсасывания. Принимаемые значения кавитационного коэффициента гидротурбин должны обеспечивать экономически приемлемые величины Hs. Максимальное заглубление турбины под нижний бьеф, допускаемое при строительстве приплотинных и русловых ГЭС, принимают примерно:

HS = - (6 ÷ 8) м.

Дальнейшее заглубление подводной части этого типа ГЭС экономически неоправданно, так как связано с чрезмерным увеличением объема строительных работ и стоимости подводной части здания.

2. Одной из мер по защите деталей проточной части гидротурбин от кавитационных разрушений является применение легированных сталей, покрытий, наплавок и обеспечение высокой чистоты обработки их поверхностей. Между начальной, эрозионной и критической кавитацией существует следующая зависимость:

σНАЧ > σКР.ЭР > σКР. Т

где: σНАЧ — кавитационный коэффициент турбины, при котором кавитация возникает в отдельных местах проточной части; σКР.ЭР — кавитационный коэффициент, при котором начинается разрушение

проточной части, изготовленной из стали с известными механическими характеристиками; σКР. Т — критический коэффициент турбины, который характеризует

высоту отсасывания турбины.

В процессе эксплуатации проточная часть турбины может разрушаться, вследствие чего ее КПД и мощность снижаются. Чтобы обоснованно выбрать марки стали для изготовления деталей проточной части, необходимо располагать экспериментальными данными по кавитационной стойкости различных материалов, которые характеризуются значением σКР.ЭР.

Поскольку таких данных пока недостаточно, то для изготовления проточной части гидротурбин желательно использовать кавитационностойкие стали и наплавки. Отбор сталей, наплавок и покрытий, которые хорошо противостоят разрушающему воздействию кавитации, проводят при

10