STUDY OF THE PROCESS OF CAVITATION EROSION ON THE IMPELLERS OF THE ZHIGULI HYDROELECTRIC POWER PLANT

Full Text

Проблема кавитационной эрозии в проточных трактах гидроэнергетических установок обнаружились сразу с появлением гидравлических машин, но вопросами способов борьбы с кавитационным разрушением стали заниматься только с 20-х гг. прошлого века [1-5]. Одной из причин кавитационной эрозии является механическое воздействие водного потока в проточных трактах гидроэнергетических установок [6-9]. Кроме разрушения поверхностей водопроводящего тракта, кавитация влияет на режим работы гидроэнергетических установок, коэффициент полезного действия и на выработку электроэнергии. Наиболее распространенные кавитационные повреждения наблюдаются на водопроводящих трактах гидроэнергетических установок, имеющих плохо обтекаемую форму, различные выступы и неровности по движению водного потока. Срывные кавитации образуются в начальной стадии на осях вращения вихрей, а каверны срывной кавитации развиваются с периодом, подчиняющимся закону Струхаля. Один из методов натурных наблюдений за кавитационной эрозией основан на получении скоростной кавитационной эрозии. Применение метода дает возможность определить степень и интенсивность эрозии при различных режимах работы гидроэнергетических установок. Для кавитационных испытаний методом скоростной эрозии был выделен агрегат № 5. Турбина агрегата имеет шесть лопастей, выполненных из нержавеющей стали марки 20Х13Н-Л, наиболее стойкой к воздействию кавитации в любых условиях работы ГЭС. Методика проведения натурных кавитационных испытаний методом скоростной эрозии такая же, как и при лабораторных исследованиях. На остановленном агрегате с осушенной проточной частью турбины производится наклейка алюминиевых пластин. После сушки на воздухе в течение двух суток пластины освобождаются от струбцин, агрегат запускается и выбирается соответствующая мощность для проведения первого режима испытаний. Между пуском агрегата и выбором требуемой мощности должно быть минимальное время для того, чтобы переходные режимы не оставили на пластинах кавитационных следов. Такое же требование существует и для остановки агрегата после окончания испытаний. После окончания режима агрегат должен быть сразу остановлен. Кавитационные испытания проводились для следующих характерных случаев и режимов: I режим - мощность агрегата Na = 100 МВт при напоре Н = 24,47 м и уровне нижнего бьефа около 26,70 м. При таком режиме работы гидротурбины, по напору и уровню нижнего бьефа, допустимая по кави- Зоны разрушения периферийных кромок лопасти рабочего колеса: 1 - зона входной кромки; 2 - зона выходной кромки Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 2 58 ГИДРОТЕХНИЧЕСКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО тации (по характеристикам завода изготовителя) мощность агрегата составляет 109 МВт. Пониженная мощность агрегата Na = 100 МВт была выбрана из условия возможного дополнительного подтопления рабочего колеса на 1,5 м. В результате проведения I режима должен был быть выявлен характер кавитационной эрозии в бескавитационном режиме работы турбины. II режим - мощность агрегата Na = 118 МВт при напоре Н = 25,18 м и уровне нижнего бьефа около 26,20 м. Допустимая по кавитации мощность, по заводским характеристикам, равна 109 МВт. Мощность агрегата Na = 118 МВт выбрана из условий изменения уровней нижнего бьефа по эксплуатационной характеристике на 1,5 м. III режим - мощность агрегата Na = 125 МВт при напоре Н = 24 м и уровне нижнего бьефа 27,00 м. В результате проведения III режима должна быть выявлена кавитационная эрозия при повышенной мощности агрегата. Продолжительность каждого режима составила 2 часа, каждые 0,5 часа фиксировались показатели работы гидротурбины. После проведения каждого из кавитационных режимов производилось закрытие спиральной камеры быстропадающим щитом и осушение спиральной камеры и рабочего колеса турбины, после чего производилось определение мест кавитационного разрушения и их фиксирование. В процессе кавитационных испытаний несколько алюминиевых пластин было оторвано, причём отрыв пластин происходил из-за некачественного приклеивания. Отрыв происходил даже в случае наличия винтов. В результате проведения I режима было получено эрозийное разъедание в зоне выходной кромки (вблизи периферийной кромки лопасти) (см. рисунок). Интенсивность кавитационной эрозии доходила до 60 ямок на 1 см2. Общая зона эрозии составляет около 0,071 м2. Таким образом, даже при бескавитационном режиме работы турбины на лопастях проявлялись последствия кавитационной эрозии. Исследования III режима показали увеличение мест кавитационной эрозии, причём, если на I режиме зона эрозии располагалась в зоне выходной кромки, то для II режима эти зоны располагаются не только на выходной кромке, но и по периферийному сечению лопасти. Интенсивность кавитационной эрозии осталась прежней, а площадь зоны кавитации увеличилась до 0,225 м2. Исследование III режима показало значительное увеличение как площади эрозии, так и интенсивности кавитационной эрозии. Интенсивность кавитационной эрозии увеличилась до 200-250 ямок на 1 см2. Характер распределения эрозийных зон примерно сохранился такой же, как и во II режиме, только прибавились новые зоны эрозии. В таблице приведены скорости и расходы потока в рабочем колесе турбины при различных напорах для испытанных кавитационных режимов. Из таблицы следует, что скорости потока на турбине для III режима были сопоставимы с I режимом, но меньше, чем во II режиме, при этом кавитационная эрозия заметно увеличилась. Это объясняется плохой обтекаемостью лопастей рабочего колеса. Неровности на поверхности лопасти оставляют за собой заметный кавитационный след на поверхности алюминиевых пластин. Большие зоны кавитационной эрозии приходятся на начальную стадию кавитации, с интенсивностью эрозии до 10-15 ямок на 1 см2. Это ещё не разрушение, но при более длительном времени работы или при увеличении мощности агрегата предполагается увеличение интенсивности эрозии. Максимальный диаметр ямок для I и II режимов составляет 0,5 мм. При исследовании III режима максимальный диаметр ямок достигал 2 мм. Выводы. 1. Натурные исследования кавитационного процесса на лопастях рабочего колеса показали, что максимальный размер язвин на натурном объекте больше модельных до четырех раз. Это объясняется существованием пограничного слоя на лопасти, величина которого пропорциональна размерам лопасти. В пограничном слое существует свое движение, связанное с движением водного потока. 2. При кавитации в турбинах снижается КПД и пропускная способность рабочего колеса, а также разрушаются отдельные элементы проточного тракта. Появление кавитации можно обнаружить по треску, шуму и ударам. 3. Наиболее уязвимыми с точки зрения кавитации являются быстроходные турбины вследствие больших скоростей в зоне рабочего колеса и за счет значительного понижения давления в зоне отсасывания. Параметры потока для различных режимов кавитационных испытаний № режима m0,мм  0 Н, м Q, м3/с V, м/с I 887 +620 24,45 465 23,80 II 937 +830 25,20 530 25,40 III 1020 +1530 24,40 585 23,40

About the authors

Alexey A. ROMANOV

JSC «Zhigulevskaya HPP»

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Sergey V. EVDOKIMOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Vladimir A. SELIVERSTOV

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files