Виды кавитации, стадии ее развития и последствия в гидромашинах

Виды кавитации. Параметры кавитационного процесса.

Кавитация в проточном тракте гидротурбин (продолжение).

Лекция 2.

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, рабочим колесом.

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: р_ВАК = р_АТМ / γ.

В том месте профиля, где давление приближается к значению р_В.П. / γ, возникает кавитация. Большое влияние на эпюру распределения давления (особенно на величину разрежения на нерабочей стороне лопасти) оказывает форма входной кромки и расположение максимальной толщины лопасти.

Рисунок 2.2. Профильная кавитация.

В зависимости от режима работы гидротурбины могут наблюдаться следующие стадии профильной кавитации: начальная, развитая и отрывная.

Рисунок 2.3. Различные стадии профильной кавитации:

а) - начальная, б) - развитая, в) - отрывная.

Начальная стадия (рис. 2.3, а) — обтекание лопасти почти не меняется, так как кавитация возникает только в отдельных местах лопасти. Характеристики гидротурбины не изменяются.

Развитая стадия (рис. 2.3, б) — кавитационные каверны покрывают большую часть тыльной стороны профиля; поток отслаивается от поверхности профиля, но не отрывается. При этой стадии кавитации изменяются гидродинамические характеристики лопастей рабочего колеса (коэффициенты С_Y и С_X).

Отрывная стадия (рис. 2.3, в) приводит к резкому изменению формы потока, возрастанию потерь энергии, падению КПД и наличию периодических возмущающих сил, действующих на лопасть. Отрывная кавитация в рабочем колесе недопустима, так как характеристики гидротурбины существенно ухудшаются.

Щелевая кавитация. Щелевая кавитация. Через зазоры у втулки и на периферии рабочего колеса поворотно-лопастной гидротурбины часть воды движется в обход лопастей (объемные потери). Протечки воды и интенсивность вихреобразования в щели зависят от величины зазора, формы торцов и перепада давления на лопасти. При определенных условиях скорости в щели существенно возрастают, а давление падает. Возникает щелевая кавитация.

Для ослабления щелевой кавитации и уменьшения разрушения камеры рабочего колеса и торцов лопастей принимают следующие меры:

1. Обеспечение минимальных зазоров между лопастями поворотно-лопастного рабочего колеса, камерой и втулкой при различных углах установки лопастей, находящихся в пределах Δ = (0,0005 ÷ 0,001) D₁ (около 10 мм). С этой целью втулку рабочего колеса выполняют сферической формы. Камера рабочего колеса обычно полусферическая.

2. Закругление торцов лопасти (рис. 2.4, б). Местные скорости
потока в щели в этом случае уменьшаются по сравнению с лопастями с необработанной кромкой (рис. 2.4, а).

Рисунок 2.4. Формы торцов лопасти:

а) - необработанный, б) - закругленный, в) - установка специального буртика.

3. Установка специальных буртиков вдоль периферии лопастей
(рис. 2.4, в). Следует отметить, что буртики, снижая кавитацию, приводят, как показали исследования, к некоторому падению КПД турбины.

4. Изготовление камеры рабочего колеса и лопастей из нержавеющей стали, которая хорошо противостоит воздействию кавитации. В целях экономии возможна наплавка лопастей, выполненных, из углеродистой стали электродами из нержавеющей стали. Лопасти и камеры рабочих колес, средне- и высоконапорных турбин, как правило, выполняются полностью из нержавеющей стали.

Щелевая кавитация может наблюдаться также и в направляющем аппарате (в зазорах между торцами лопаток, верхним и нижним кольцами направляющего аппарата), а также в уплотнениях рабочих колес радиально-осевых гидротурбин.

Полостная кавитация. Полостная кавитация на выходе из рабочего колеса. На режимах, отличных от оптимального, за рабочим колесом радиально-осевых и пропеллерных гидротурбин наблюдается интенсивное вращение потока. При частичных нагрузках поток за рабочим колесом вращается в том же направлении, что и рабочее колесо; при нагрузках, больших оптимальной, вращение потока противоположно вращению рабочего колеса (рис. 2.5).

Поток, вращающийся за рабочим колесом (за исключением ядра вихря), подчиняется, в основном, закону постоянства момента скорости. При этом во входном сечении отсасывающей трубы окружная составляющая абсолютной скорости увеличивается к оси турбины, а давление падает. На некоторых режимах работы и при определенной установке гидротурбины по отношению к нижнему бьефу давление в потоке у оси турбины может приблизиться к давлению парообразования. Во вращающемся потоке образуется полость (вихревой жгут), наполненная смесью паров воды и газов. Жгут вращается не только вокруг собственной оси, не совпадающей с осью турбины, но и вокруг оси турбины (прецессионное вращение).

Образовавшаяся полость стесняет поток и вызывает за рабочим колесом неосесимметричное вращающееся поле давления. В результате в потоке за рабочим колесом наблюдаются колебания (пульсации) давления, которые могут являться причиной вибрации и неустойчивой работы гидроагрегата.

Рисунок 2.5. Вращение потока за пропеллерным рабочим колесом:

— оптимальный режим; ---- режим частичной нагрузки;

— ∙ — ∙ — режим перегрузки.

Для уменьшения пульсаций давления в потоке и колебаний мощности агрегата применяют ряд мер, среди которых наиболее распространенным является впуск воздуха под рабочее колесо. Подведенный в соответствующих местах и в определенном количестве воздух оказывает демпфирующее воздействие, позволяя безопасно эксплуатировать агрегат на нерасчетных режимах. Величины амплитуды пульсаций давления, их частота на различных режимах работы турбины, а также количество и место впуска воздуха являются предметом специальных испытаний моделей и натурных гидротурбин.

Кавитация, вызываемая резким изменением направления потока. Геометрические очертания проточной части и режим работы гидротурбины влияют на местную кавитацию. Резкое изменение направления потока, например, в зоне между направляющим аппаратом и рабочим колесом или в изогнутой отсасывающей трубе приводит к местному отрыву потока и кавитации.

Кавитация из-за шероховатости обтекаемых поверхностей. Шероховатость поверхности, являющаяся результатом недостаточной механической обработки деталей проточной части, вызывает местное увеличение скоростей, падение давления и локальную кавитацию. Характеристики гидротурбины, установленной на ГЭС, сначала не претерпевают изменений. С течением времени процесс разрушения деталей проточной части становится все более интенсивным, и в результате КПД и мощность гидроагрегата снижаются. Поэтому при изготовлении проточной части гидротурбины необходимо обеспечить соответствующую чистоту обработки поверхностей, омываемых потоком.