В процессе работы гидроагрегата поверхности деталей проточной части турбин подвергаются своеобразному губчатому разрушению (рис. 1-8). Эти разрушения вызываются кавитацией, представляющей собой сложное физическое явление, возникающее в потоке при быстром течении жидкости.
Особенно сильно подвергаются разрушениям от кавитации тыльные поверхности лопастей рабочих колес и поверхности камер рабочих колес осевых турбин, рабочие колеса и фундаментные кольца радиально-осевых турбин. Явление кавитации может приводить к весьма значительным разрушениям турбины.
Кавитация сопровождается шумом, ударами и повышенной вибрацией агрегата. При этом сильно снижаются к. п. д., пропускная способность и мощность турбины.
Одной из главных причин возникновения кавитации считается резкая местная пульсация гидродинамического давления в потоке. При очень высоких скоростях течения жидкости сплошность потока нарушается и в зоне наивысших скоростей образуются полости или каверны, заполненные парами жидкости, величина давления которых определяется температурой окружающей среды. Эти полости и каверны переносятся затем потоком в зону более высоких давлений, где происходит конденсация пара в полостях и их разрыв.
Рис. 1-8. Поверхность рабочей лопасти, разрушенная кавитацией.
Если полости замыкаются на поверхности какой-либо детали, то эта поверхность начинает разрушаться. При кавитации наблюдаются электрические явления, вызывающие свечение кавери, а также начинают протекать химические реакции, приводящие к окислению (коррозии) металла.
Одним из способов борьбы с разрушающим действием кавитации является применение кавитационностойких материалов для деталей проточного тракта турбин. Такими материалами в настоящее время являются пока только хромистые нержавеющие стали.
Однако наиболее действенная борьба с кавитацией должна заключаться в обеспечении бескавитационных условий работы турбины. Такие условия могут быть созданы выбором соответствующего типа турбины и напора, ограничениями режимов работы агрегата и расположением турбины относительно нижнего бьефа.
В реактивных турбинах избежать или снизить кавитацию можно, расположив рабочее колесо над уровнем нижнего бьефа или ниже его на высоте, не превышающей допускаемой величины по условиям бескавитационной работы турбины. Высота расположения рабочего колеса реактивной турбины относительно нижнего бьефа называется высотой отсасывания Н8.
Допустимую высоту отсасывания, при которой не должна возникать кавитация, определяют по формуле
(1-19)
где В— атмосферное давление на ГЭС, м вод. ст.;
Н — полный напор станции, м;
σ—кавитационный коэффициент, определяющий начало возникновения кавитации и представляющий собой отношение динамического вакуума в турбине к напору.
Величина атмосферного давления зависит от высоты расположения гидроэлектростанции над уровнем моря и приближенно равна:
где 10,33 — атмосферное давление на уровне моря, м. вод. ст.,
↓ — абсолютная отметка оси рабочего колеса турбины над уровнем моря.
Подставив в формулу (1-19) значение В, получим:
откуда видно, что высоту отсасывания для данной установки определяет величина кавитационного коэффициента, допустимое значение которого будет равно:
(1-20)
Определяемый по формуле (1-20) о обычно называют кавитационным коэффициентом станции σст, так как его величина зависит только от параметров установки.
Мерой пригодности турбины для работы при данном напоре служит кавитационный коэффициент турбины σт, зависящий от формы и размеров проточной части турбины η режимов ее работы. Кавитационный коэффициент турбины определяют опытным путем при модельных испытаниях турбины. Он является определенной величиной для каждого рабочего колеса и в виде соответствующих кривых наносится на универсальную характеристику турбины.
Рис. 1-9. Отсчет высоты отсасывания для турбин различных типов.
Практически в современных крупных гидротурбинах кавитационный коэффициент колеблется в пределах 0,4—2,0 для осевых турбин и 0,03—0,35 для радиально-осевых турбин.
Для предупреждения возникновения кавитации при проектировании гидроэлектростанций необходимо учитывать, что кавитационный коэффициент турбины должен быть несколько менее кавитационного коэффициента станции. Этого можно достичь путем применения турбин с малым σт либо путем увеличения σст. Однако увеличение σст может привести к значительным заглублениям турбины и, следовательно, к увеличению объема строительных работ. Иногда высоту отсасывания из-за условий кавитации приходится делать отрицательной и устанавливать рабочее колесо под уровнем нижнего бьефа. Поэтому обычно стремятся применять турбину с меньшим σт, т. е. с повышенными кавитационными качествами.
Высота отсасывания Н для вертикальных поворотно-лопастных и пропеллерных гидротурбин отсчитывается от оси поворота лопастей рабочего колеса до поверхности нижнего бьефа (рис. 1-9,в), а для радиально-осевых гидротурбин — от плоскости нижнего кольца направляющего аппарата до поверхности нижнего бьефа (рис. 1-9,а). В горизонтальных гидротурбинах высотой отсасывания является расстояние от наивысшей точки лопастей рабочего колеса до поверхности нижнего бьефа (рис. 1-9,б). Высота отсасывания считается положительной, если уровень воды в нижнем бьефе находится ниже указанных условных отметок отсчета, и, наоборот, отрицательная высота отсасывания показывает заглубление рабочего колеса под уровень воды в нижнем бьефе.
