Eroziunea cavitatională în mașini industriale

INTRODUCERE

Eroziunea cavitaţională este determinată de transmiterea spre suprafaţa solidă a forţei generate prin implozia repetată a unor bule de vapori formate în zonele în care presiunea lichidului a scăzut sub o anumită valoare. La centralele hidroelectrice apariţia acestui fenomen poate fi suficient de intensă pentru a provoca uzuri locale cu adâncimi care depăşesc 10 mm/an. Repararea acestor uzuri este deosebit de costisitoare atât prin operaţiile conexe cât şi prin pierderile de producţie determinate de duratele mari ale scoaterii din funcţie a echipamentului. În acelaşi timp, pentru estimarea rezistenţei materialului la cavitaţie se foloseşte metoda comparării curbelor sau a diverşilor parametrii caracteristici eroziunii cavitaţionale, obţinuti pentru materialul studiat, cu ai unui material etalon.

Noua orientare a cercetătorilor de eroziune cavitaţională este de identificare a cauzelor ce determină diverse modificări structurale şi de stabilire a tehnologiilor de fabricare a unor materiale cu componenţă structurală şi caracteristici fizico-mecanice capabile să le confere rezistenţa sporită la atacul cavitaţional. Aceasta este determinată de analizele mai multor palete de turbine hidraulice şi elice navale erodate cavitaţional. Metoda de abordare este la începutul ei şi se bazează pe utilizarea celor mai performante microscoape electronice, cu care se studiază microsructura materialului erodat cavitaţional în aparate de laborator de mare intensitate distructivă, aşa cum sunt aparatele vibratorii.

Prin urmare eroziunea cavitaţională reprezintă în continuare o mare problemă în funcţionarea maşinilor hidraulice şi echipamentelor hidraulice şi hidromecanice (fapt dovedit şi de distrugerea unei palete retehnologizate a rotorului turbinei Kaplan de la Porţile de Fier I, după nici 200 de ore de funcţionare) şi o continuă preocupare a oamenilor de stiinţă, fapt demonstrat de numeroasele simpozioane şi conferinţe internaţionale cu teme specifice cavitaţiei şi efectelor sale.

Totodată, oţelurile inoxidabile cu conţinut ridicat de Ni şi Cr sunt cunoscute ca având o foarte bună rezistenţă la eroziunea cavitaţională şi au fost utilizate, pe scară largă, la fabricarea turbinelor hidraulice începând din 1950. Performanţele acestor oţeluri au fost ,,de la foarte bine la satisfăcător’’în funcţie de condiţiile particulare ale echipamentului.

Aşadar, eforturile de investigare a cauzelor ce genereză fenomenul erozional şi de stabilire a ponderii influienţei tuturor factorilor ce contribuie la procesul hidrodinamic şi mecanic ale cavitaţiei se intensifică tot mai mult prin investigaţii pe instalaţiile industriale şi în laborator. Actualmente, nu există ţară posesoare de centrale hidroelectrice şi exploatatoare de nave maritime şi fluviale în care acest fenomen să nu fie studiat de specialişti. În România această problemă ocupă un loc aparte. Potenţialul hidroenergetic al ţarii şi dezvoltarea industriei constructoare de turbine hidraulice au determinat realizarea unor ample programe de cercetare a eroziunii cavitaţionale. Studiile efectuate arată că instalaţiile cele mai afectate de eroziunea cavitaţională sunt turbinele hidraulice, pompele şi elicele navale.

Majoritatea eforturilor sunt concentrate spre înţelegerea cauzelor şi factorilor ce concurează la producerea anumitor intensităţi erozionale cât şi la crearea unor noi materiale care să aibă rezistenţe sporite la distrugere cavitaţională şi care să asigure durate de exploatare îndelungate. Din acest motiv vor continua investigaţiile de stabilire a factorilor ce caracterizează materialul (proprietăţi fizico-mecanice, structură, tehnologie de elaborare şi prelucrare) şi pot asigura această calitate.

Cap.1 EROZIUNEA CAVITAŢIONALĂ ÎN MAŞINILE INDUSTRIALE

1.1 Eroziunea cavitaţională la turbinele hidraulice

Cercetările, realizate pe turbinele hidraulice, indiferent de tip, arată că toate materiale folosite în confecţionarea pieselor ce intră în componenţa traseului de curgere, lucrând în aceleaşi condiţii, sunt supuse eroziunii cavitaţionale, în proporţii diferite. Cele mai atacate componente sunt camerele (fig.1.2a) şi paletele rotoarelor (fig.1.2b). Motivul este dorinţa constructorilor de turbine de a realiza maşini care să furnizeze puteri cât mai mari. Distrugerile erozive cele mai însemnate apar când acestea sunt confecţionate din oţeluri carbon şi slab aliate. În schimb, pentru condiţii similare de funcţionare, oţelurile inoxidabile (cu constituţie chimică pe bază de crom, crom-nichel, ş.a) au rezistenţa la cavitaţie mai ridicată .

Eroziune la racordarea paletă-guler

Eroziune la camera turbinei

Figura 1.2.a Efecte ale eroziunii cavitaţionale asupra componentelor unei turbine hidraulice []

(Turbina Kaplan de la C.H.E. Porţile de Fier I)

Eroziune la periferie paletă (extrados)

Figura 1.2.b Efecte ale eroziunii cavitaţionale asupra componentelor unei turbine hidraulice []

(Turbina Kaplan de la C.H.E. Porţile de Fier I)

a) 1 b)

Fig.1.2c Schema distrugerilor cavitaţionale la turbinele hidraulice Kaplan

a - la camera rotorului; b- pe paletă (1 – zona de eroziune; 2 – muchia de intrare; 3 – cavitaţia de vârtej produsă la partea frontală a paletei)

Pentru turbinele de la Porţile de Fier I eliminarea completă a cavitaţiei ar însemna o escavare în aval de circa 70 m. Acest lucru este foarte cosistisitor şi foarte greu de realizat, din acest motiv se face un compromis intre cavitaţie şi beneficiul economic, adică în mod intenţionat se admite funcţionarea turbinei în cavitaţie industrială acceptabilă.

Pe paleta turbinei Kaplan cele mai aprige eroziuni apar pe extradosul paletei şi aceste eroziuni pot să fie generate de vârtejul cavitaţional sau de cavitaţia de profil.

Din figura 1.2c se observă că din suprafaţa camerei turbinei este supusă cavitaţiei doar acea parte care se află în zonă şi sub axa de rotaţie a paletelor rotorice.

Componenta turbinei hidraulice care se distruge cel mai rapede, prin eroziune cavitaţională, după 10 ÷ 30 mii ore de funcţionare, este rotorul. Distrugerea acestuia se realizează indiferent de materialul folosit. Spre exemplificare în fig.1.3 şi 1.4 se prezintă două rotoare erodate cavitaţional, unul de turbină Kaplan şi unul de turbină Francis , iar în fig.1.5 şi 1.6 fotografiile suprafeţelor distruse cavitaţional realizate pe paletele turbinelor Kaplan de la Porţile de Fier I.

Fig.1.3 Rotor de turbină Kaplan

distrus cavitaţional [] Fig. 1.4 Rotor de turbină Francis

distrus cavitaţional []

Fig.1.5 Paleta nr.4 a turbinei Kaplan nr.5 de la C.H.E. Porţile de Fier I

(extradosul paletei în imediata vecinătate a periferiei,

în dreptul axului de rotire al paletei) []

Fig.1.6 Paleta nr.5 a turbinei Kalan nr.5 de la C.H.E. Porţile de Fier I

(extradosul paletei, colţul format de bordul

de fugă cu periferia paletei) [].