4. Кавитационный коэффициент, кавитация, кавитационные разрушения металла

Кавитационный коэффициент: в реактивных турбинах вода из рабочего колеса отводится в нижний бьеф с помощью отсасывающих труб, которые бывают прямоосными и изогнутыми.

Отсасывающие трубы имеют большое значение, т.к. они позво­ляют:

• использовать для формирования рабочего процесса атмо­сферное давление;

• производить установку рабочего колеса над уровнем ниж­него бьефа без потери напора на разность высотных отметок, что об­легчает конструкцию подводной части здания ГЭС.

Однако и то и другое имеет пределы, обусловленные возникно­вением кавитации, появление которой связано с гидродинамическими условиями движения частиц в зоне рабочего колеса и на входе в отса­сывающую трубу. Кавитация - сложное физическое явление. В гидро­турбинах наблюдаются 2 этапа:

• на первом этапе кавитация не очень интенсивна, появляются слабые шумы что сопровождается разрушением металла лопастей. Однако при этом кавитационные процессы не отражаются на энерге­тических характеристиках турбины, она вызывает лишь кавитацион­ную эрозию.

Установлено, что при высоких скоростях движения жидкости или какого-либо тела в жидкости сплошность потока нарушается и в зоне образования наивысших скоростей возникают полости или ка­верны, заполненные парами жидкости. Из уравнения Бернулли при z = 0 следует:

.

В местах, где скорости V возрастают, составляющая V²/2q будет также повышаться, а величина давления / - уменьшаться. В резуль­тате при понижении давления до давления парообразования при данной температуре воды вода начнет испаряться и внутри потока воды образуются полости наполненные паром, которые потоком воды переносятся в зону низких скоростей и высоких давлений, где в тече­ние коротких отрезков времени происходит конденсация пара (в тече­ние долей секунд). Наибольший интерес представляют процессы «схлапывания» этих полостей на поверхности металла. Они по суще­ству представляют собой микровзрывы, под воздействием которых поверхность контакта начинает разрушаться, так как они подвергаются при этом воздействию больших давлений и высоких температур, при­чем при некоторых параметрах течения жидкости эти величины при­нимают резонансный характер, и они достигают огромных величин. Так измерениями установлено, что давление может достигать 15 000атм.

Кавитационное разрушение металлов представляет собой очень сложное явление, которое проявляется в механических, тепловых, электро-химических и других воздействиях. Чисто механические при­чины связаны с ударными воздействиями на поверхность металла, те­пловые и термоэлектрические воздействия обуславливаются местным нагревом материала при деформациях в поверхностном слое и ком­прессии объема (быстрое сжатие) в каверне. Взаимодействие кавита­ции на поверхность металла комплексное и может проявляться раз­лично в зависимости от качества металла, скорости потока, содержа­ния растворенных газов в воде. Порой кавитация происходит одновре­менно с гидроабразивным износом, который возникает в потоках с высоким содержанием наносов.

Процесс кавитационных разрушений лопасти можно предста­вить так: нижняя поверхность лопасти турбины испытывает большое количество ударов, которые возникают при замыкании на ней кавита­ционных пузырьков. Частота кавитационных ударов очень велика. Пе­риод действия ударов составляет тысячные доли секунды, поэтому действие каждого удара ощущается в пределах тонкого поверхност­ного слоя лопасти глубиной около сотых долей миллиметра. Так как материал поверхностного слоя абсолютно не эластичен, имеет неодно­родную структуру, распространение напряжений происходит также неравномерно. В отдельных точках поверхности могут сосредотачи­ваться максимальные напряжения, превосходящие предел текучести, многократное воздействие этих напряжений вызывает пластическую деформацию в поверхностном слое. Кроме пластических деформаций поверхностный слой уплотняется, этот слой, подвергаясь действию знакопеременных нагрузок от ударов, растрескивается и отламывается, появляются каверны в металле лопасти, вода, проникая в эти трещины, облегчает процесс разрушения. Подобные процессы повторяются мно­гократно, каверны объединяются в сплошные раковины, которые в свою очередь превращаются в зоны разрушения. Кроме того, помимо механических воздействий, разрушению металла способствуют и хи­мические реакции, которые сопровождаются выделением газов, бога­тых кислородом, что активизирует процессы окисления, и металл ак­тивно коррозирует. Поэтому при изготовлении рабочих колес турбин применяют металлы, способные противостоять коррозионным разру­шениям. -

• на втором этапе по мере того, как происходит кавитацион­ное разрушение, происходит падение к.п.д., появляется сильная вибра­ция, падение мощности, эксплуатация турбины становится невозмож­ной.

Как указывалось выше, для возникновения кавитации необхо­димо, чтобы давление в потоке было ниже давления парообразования, т.е.:

.

Величина давления у выхода из рабочего колеса может быть оп­ределена с помощью уравнения Бернулли:

.

Уравнение Бернулли для точек 2 и 5 в нижнем бьефе:

,

где:В – атмосферное давление;

Z_k=h_s – отметка точки над уровнем НБ (называется теоретической высотой отсасывания).

Из уравнений получаем:

,

(величина в скобках по существу является динамическим раз­ряжением, которое создается в потоке).

Отношение этой величины ко всему напору называется кавита­ционным коэффициентом колеса или турбины.

,

введем коэффициент и получим:

.

Величина атмосферного давления зависит от высоты располо­жения станции над уровнем моря, обычно пользуются приближенной формулой:

,

где - отметка оси рабочего колеса над уровнем моря.

Окончательно получаем:

,

откуда видно, что чем выше значение кавитационного коэффициента, тем меньшую высоту отсасывания можно допустить.

Можно определить и допустимое значение кавитационного коэффициента

,

где - обычно называют кавитационным коэффициентом установки, так как его величина зависит только от Н, и hs, т.е. от параметров которыми характеризуется установка.

Развитие современных турбин направлено по пути увеличения пропускной способности рабочих колес и, следовательно, повышению скоростей и на сокращение потерь в отсасывающих трубах, что увеличивает возможность появления кавитации. Коэффициент _т, как вы уже должны знать, определяется опытным путем при испытаниях модели турбины в лабораториях. Он является определенным числом для каждого колеса и каждого режима и наносится в виде соответствующих кривых на универсальных характеристиках турбин.

Очевидно, что для того чтобы отсутствовала кавитация, коэффициент турбины _т должен быть меньше кавитационного коэффициента станции, т.е. _т <, а это можно достичь либо применением турбин с малым _т либо путем увеличения .