Автоколебания напорной системы гидроэлектростанции

Автоколебания напорной системы гидроэлектростанции — физическое явление, приводящее к внезапному возникновению и резкому неконтролируемому росту пульсаций давления и расхода в потоке воды, проходящем через турбину этой станции. Явление аналогичного типа на нагнетающих турбомашинах – насосах и компрессорах известно в течение многих десятилетий. В этом случае его принято называть помпажом (см. например, ^[1]). Особенно много проблем доставлял помпаж компрессоров авиационных турбореактивных двигателей, что нередко становилось причиной происшествий с самолётами, а то и катастроф. Однако, насосы и компрессоры вкладывают энергию в проходящий через них поток, а турбины — её отбирают. Кроме того, подводящие к гидротурбинам воду водоводы — это очень длинные каналы, а в насосно-компрессорных системах подобные трубопроводы зачастую (но, не всегда) — короткие. Поэтому полного подобия между автоколебаниями напорных систем ГЭС и помпажом быть просто не может.

История вопроса

Впервые исследованиями колебаний потока воды в напорных системах занялись в Сибирском отделении Академии наук (советской, вскоре ставшей российской). ^[2] Они были стимулированы проблемами, возникшими при натурных испытаниях гидроагрегатов Саяно-Шушенской ГЭС на повышенной мощности в 1988 году (см. ^[3]). В результате этих исследований В. Л. Окуловым, вскоре получившим за них степень д.ф.-м.н., было найдено решение одномерного волнового уравнения, отличающее от классического решения Д'Aламбера тем, что в нём имеется разрыв, моделирующий резкое изменение на турбине параметров потока, текущего в длинном водоводе. ^{[4] [5]} Вследствие того, что длина водовода на 1 — 2 порядка больше диаметра турбины, такая математическая модель вполне адекватна, особенно, если ввести в эту длину небольшие поправки, учитывающие влияния трёхмерности водовода. Как показали дальнейшие исследования, проведённые в 2010 — 2012 годах, такая модель позволяет рассчитывать частоты собственных колебаний подобных систем с необходимой для практики степенью точности. Те первые работы СО РАН завершились подтверждением вывода, полученного в натурном эксперименте — недопустимо переходить границу зоны, запрещённой для работы агрегатов станции. ^{[3] [6]} Однако, эти запреты всё же не смогли предотвратить катастрофу на Саяно-Шушенской ГЭС 17 августа 2009 года. Спустя ровно год после катастрофы, представители СО РАН заявили, что при условии государственного финансирования они смогут организовать мониторинг проблем такого рода, который в будущем, возможно, позволит их решить. ^[6]

Тем временем, зимой 2009 — 2010 годов на основе работ ^{[4] [5]} и классических результатов гидродинамики ^{[7] [8]} и теории линейных и нелинейных колебаний ^{[9] [10] [11]} к.ф.-м.н. Юрием Лобановским была создана теория гидроакустического возбуждения автоколебаний в напорных системах гидроэлектростанций. ^{[12] [13] [14] [15]} Существует немало разновидностей автоколебаний в механических системах, но это только третий случай (после флаттера и шимми) разработки теории, описывающей подобные процессы. Из неё следует, что именно возбуждение автоколебаний в напорной системе второго гидроагрегата Саяно-Шушенской ГЭС стало причиной произошедшей там катастрофы. Реальность этого явления во время Саянской катастрофы подтверждается всей последовательностью событий, происходивших в тот момент на втором гидроагрегате СШ ГЭС и в его водоводе. ^[16]

Рассмотрению указанной теории было посвящено совещание, проведенное летом 2010 году в компании РусГидро, эксплуатирующей СШ ГЭС. В предложениях по итогам этого совещания от крупнейшей российской научной организации — Курчатовского института, ^[17] отправленных Председателю Правления ОАО «РусГидро» Е. В. Доду говорится:

«В соответствии с совещанием от 1 июля 2010 года, проведённым в «РусГидро» под председательством Б. Б. Богуша по докладу Лобановского Ю. И. о гидроакустической резонансной природе аварии на СШ ГЭС 17.08.2010^*, ПРЕДЛАГАЮ учесть известный нам опыт подобных режимов и использовать его при восстановлении СШ ГЭС.

Реальность этого резонанса доказывает не только авария 17.08.09 на СШ ГЭС, но и большой опыт аварийных режимов с гидродинамическим резонансом, накопленный, например, в атомной энергетике (аварии ТМА-2^** и ЧАЭС-4^***). В Канаде, по нашим данным, режим с гидродинамическим резонансом включён в процесс выпускных испытаний главных циркуляционных насосов для АЭС. По нашим данным, гидроакустическому резонансу подвержены все силовые гидросистемы, использующие роторные машины. К таким системам относится электроэнергетика на атомных, углеводородных и гидроресурсах, ТЭК, ЖКХ и т. д.»

Таким образом, крупнейшая российская научная организация, которой, видимо, более чем другим (учитывая десятки инцидентов, произошедших в контурах теплоносителя судовых ядерных энергетических установок) пришлось столкнуться с похожими проблемами, правда, связанными, в основном, с помпажом насосов, сразу же поддержала только что возникшую теорию. Никакого ответа на это обращение ни от Е. В. Дода, ни от компании РусГидро не последовало.

^* — так в тексте;

^** — ТМА-2 — второй энергоблок американской АЭС Три-Майл-Айленд, на котором 28 марта 1979 года произошёл самый тяжёлый ядерный инцидент вплоть до Чернобыльской катастрофы;

^*** — ЧАЭС-4 — четвёртый энергоблок Чернобыльской АЭС, на котором 26 апреля 1986 года произошёл разгон активной зоны реактора на быстрых нейтронах и его тепловой взрыв, что привёло к крупнейшей техногенной катастрофе ядерной эры.

Напорные системы и колебания

Мощные гидроэлектростанции представляют собой крупные, а зачастую, и грандиозные сооружения. Их плотины на реках накапливают воду и поднимают её уровень, после чего эта вода стекает вниз по трубам большого сечения — напорным водоводам, вращая турбины гидроагрегатов, приводящие в движение электрогенераторы. Далее вода вытекает реку по так называемым отсасывающим трубам, а электрическая энергия идёт к потребителям. Совокупность тех элементов гидроэлектростанции, которые непосредственно участвуют в формировании потока воды, необходимого для осуществления этого процесса, и называется напорной системой. В неё входят напорный водовод, гидротурбина с окружающей её спиральной камерой, в которой расположены лопатки так называемого направляющего аппарата, и отсасывающая труба, а в некоторых случаях, и другие дополнительные элементы, например, подводящие или отводящие воду туннели.

Как и любая другая работающая машина, гидроагрегат возбуждает различные виды колебаний как собственной конструкции, так и потока воды, текущего сквозь неё. Для внешнего наблюдателя эти колебания обычно проявляются в виде вибрации агрегата, а также конструкций машинных залов, где этот агрегат расположен, и даже плотин. Сами по себе подобные вибрации могут доставлять определённые неудобства при эксплуатации гидроэлектростанции, однако при надлежащем состоянии агрегатов серьёзных опасностей они обычно не несут.

Среди механических колебаний, которые могут возникать при работе гидроагрегата по различным причинам, имеется особая группа колебаний — автоколебания потока воды в его напорной системе. ^{[4] [5] [14]} Именно возбуждение автоколебаний на втором гидроагрегате Саяно-Шушенской ГЭС стало причиной катастрофы, произошедшей там 17 августа 2009 года, а также ещё нескольких серьёзных инцидентов, которые привели к тяжелым повреждениям или разрушениям гидроагрегатов, машинного зала, остановке станций и их длительным ремонтам. Автоколебания, как известно, всегда являются колебаниями нелинейными. Для их возникновения в колебательной системе должен существовать нелинейный элемент положительной обратной связи. Он так организует связь колебательной системы с окружающей средой, что чем больше амплитуда этих колебаний, тем бóльшая энергия перекачивается в систему из окружающей среды. ^[11] Именно в этом и заключается их потенциальная опасность — они будут расти до тех пор, пока потери энергии в процессе колебаний не сравняются с энергией, поступающей в колебательную систему извне (и тогда колебательная система выйдет на стационарный режим, то есть станет генератором колебаний), или пока система, в которой начались автоколебания, частично или полностью не изменит своё состояние, то есть будет разрушена или существенно повреждена.

Частоты возмущающих воздействий

Подобные автоколебания на данный момент обнаружены в напорных системах с двумя типами гидротурбин — радиально-осевыми и поворотно-лопастными (турбинами Френсиса и Каплана). Радиально-осевая турбина представляет собой осесимметричное тело с полутора-двумя десятками сложно изогнутых лопастей. Вокруг турбины имеется спиральная камера — кольцевая труба переменного сечения с внутренним боковым разрезом, из которого на турбину сквозь строй поворотных лопаток, расположенных в этом разрезе (тоже порядка 20), со всех сторон поступает закрученный в этой камере поток воды. Эти лопатки, как следует из их названия, поворачиваются вокруг своих осей, изменяя расход, то есть количество воды, поступающей на турбину от 0 до максимума. При этом геометрия радиально-осевой турбины неизменна на всех режимах работы и рассчитана на строго определенный режим, который можно назвать номинальным. Обычно, бóльшую часть рабочего времени турбина находится либо на этом режиме, либо в его окрестности.

Расчетный номинальный режим, как правило, довольно близок к максимальному. При этом все элементы гидроагрегата оптимально взаимодействуют между собой, и турбина практически полностью раскручивает на своих лопастях закрученный в спиральной камере поток, отбирая у него при этом порядка 95 % энергии и передавая её электрогенератору. Однако гидроагрегат время от времени надо останавливать и вновь запускать. Кроме того, в отличие от турбоагрегатов атомных и тепловых станций гидроагрегатами значительно легче маневрировать, и поэтому они часто используются для суточного регулирования нагрузок в энергосистемах. А обратимые насос-турбины гидроаккумулирующих станций вообще каждые сутки должны минимум дважды полностью проходить весь свой рабочий диапазон в режиме турбины и в режиме насоса. Так что уход агрегата с оптимального режима работы и его работа на других режимах может происходить десятки и сотни раз в год. ^[3]

Рис. 1. Смерч и кавитационный шнур

Но когда гидроагрегат при увеличении или уменьшении расхода воды уходит с номинального режима, нарушается то плавное безотрывное обтекание турбины, на которое она рассчитана. На лопастях турбины возникают так называемые отрывы потока ^[8], тем более сильные, чем дальше она уходит от номинального режима работы. При этом на движущихся в потоке воды лопастях эти отрывы неустойчивы и перемещаются по ним во время вращения турбины. Турбина начинает хуже работать, она уже не способна полностью раскрутить назад поток, закрученный в спиральной камере. Поэтому в отсасывающей трубе за турбиной возникает вихрь, представляющий собой остаточную закрутку потока. ^{[6] [18]} Этот вихрь подобен смерчу, что иногда возникают в атмосфере (см. рис. 1). В окрестности оси вихря скорости вращения настолько велики, что давление воды там становится нулевым, и возникает так называемый разрыв сплошности потока в виде кавитационного шнура — области в виде вытянутой спирали, заполненной воздухом и парами воды под очень низким давлением. Этот шнур хорошо виден на масштабных моделях гидроагрегатов с прозрачными стенками (см. правую часть рис. 1). Кавитационный шнур, то есть центральная часть затурбинного вихря, ещё и вращается сам или, иными словами, прецессирует из-за того, что отрывы перемещаются по лопастям турбины, и на этом режиме её обтекание непрерывно перестраивается. Прецессия вихря на таком режиме работы радиально-осевого гидроагрегата оказывается основным источником возбуждения пульсаций давления ^[18] и расхода в потоке воды, и частота этих вихревых колебательных возмущений совпадает с частотой прецессии. Всё это означает, что в потоке воды за турбиной остаётся бóльшая доля энергии, чем на номинальном режиме, которая частично и расходуется на пульсации потока. При этом энергия единицы объёма потока в турбине характеризуется его полным давлением. ^[7]

Рис. 2. Изменение полного давления от расхода

Всё описанное выше имеет место быть, если расход воды через турбины не очень сильно отличается от расхода на номинальном режиме работы, и турбина обтекается единым сплошным потоком воды. Такой режим примерно соответствует зонам B и A' на рис. 2, где q — отношение расхода воды через турбину к его расходу на номинальном (рабочем) режиме, а Δp/p — отношение изменения полного давления потока на турбине к его исходной величине. ^{[12] [14]} При значительном уменьшении расхода (где-то, примерно, на 2/3 от номинального) происходит перестройка течения — поток уже оказывается неспособным заполнить весь канал, по которому он течёт. Возникают малоподвижные застойные зоны, между которыми на турбину выходят отдельные струи, число которых равно числу окон между лопатками направляющего аппарата. Подобное обтекание гидроагрегата называется «течением с затопленными струями». Точнее говоря, в рассматриваемой зоне (примерно совпадающей с зоной A на рис. 2) происходит периодический переход от сплошного потока к потоку с затопленными струями и обратно, а режим потока с затопленными струями становится устойчивым, когда его расход составляет не более 0.4 — 0.5 от номинального (левее зоны A). Всё это сильно изменяет обтекание турбины, что и приводит к такому немонотонному и нелинейному поведению кривой, рассматриваемой на рис. 2. При этом прецессирующий вихрь продолжает существовать, однако направление прецессии меняется на противоположное, а её частота снижается примерно в 3 раза. ^{[12] [14] [18]}

На поворотно-лопастных турбинах в отличие от радиально-осевых, лопасти — более простой формы, и имеется возможность их регулирования, так что эти турбины частично подстраиваются под режим обтекания, однако полностью это сделать всё равно не удаётся, и у них при уходе от номинального режима также растёт доля остающейся в потоке энергии. Тем не менее, темп её увеличения при изменении расхода примерно в 2 — 3 раза меньше, чем за турбинами радиально-осевых агрегатов. Поэтому описанные выше вихревые явления если и имеют место в отсасывающих трубах поворотно-лопастных машин, то их проявления там значительно слабее. Однако из-за того, что число лопастей на таких агрегатах не более 4 — 8, то есть в 2 — 4 раза меньше, чем у радиально-осевых агрегатов, то здесь значительно более интенсивными становятся пульсации потока из-за конечного числа лопастей гидроагрегата. И основным источником возмущений в таких гидроагрегатах оказываются периодические возмущения с так называемой лопастной частотой, представляющей собой произведение частоты вращения турбины на число её лопастей.

Собственные частоты и резонанс или кратность частот

В то же время, в напорном водоводе — достаточно длинной трубе большого сечения, как и в любой другой трубе, заполненной сплошной средой (жидкостью или газом), могут возникать собственные колебания этой среды, ^[2] подобные тем, что наблюдаются, например, в любом духовом музыкальном инструменте. При этом собственные колебания возникают не только на так называемой «основной моде», соответствующей минимально возможной частоте стоячей волны, но и на «высоких модах», то есть колебаниях с более сложными формами и с бóльшими частотами. ^{[9] [10]} Для напорных систем задача является нелинейной, и нет простого соотношения между частотами различных мод, что, как известно, имеется в линейных задачах. И вот когда частоты собственных и возбуждающих (вихревых или лопастных) колебаний оказываются достаточно близки (это называется резонансом), ^{[10] [19]} или почти кратны, интенсивность колебаний в водоводе может оказаться значительной. А на части режимов работы турбины они имеют возможность усиливаться за счет энергии потока — вот тогда и возбуждаются автоколебания. Если нет резонанса, или, хотя бы, кратности частот, то возбуждения автоколебаний не происходит, и всё ограничивается более или менее сильными вибрациями агрегата на переходных режимах, дополняемых иногда ударами, вызываемыми резкими перестройками затурбинного вихря в напорных системах с радиально-осевыми турбинами вследствие изменения режимов течения.

Поэтому, для каждой напорной системы появляются наборы как частот возбуждений, так и собственных частот, и при достаточной близости любой пары из этих наборов может произойти возбуждение автоколебаний. Однако, это может происходить только в том случае, если в колебательном контуре имеется положительная обратная связь. Была построена математическая модель этого явления, из которой следует, что положительная обратная связь в напорных системах с турбинами возникает, когда отбор энергии потока за ними уменьшается при росте расхода, то есть в зонах A и A' рис. 2. ^{[4] [5] [12] [14]} В них при увеличении расхода возрастает та доля энергии, которая остаётся в потоке за турбиной, что и формирует положительную обратную связь. При работе гидроагрегата на насосном режиме положительная обратная связь реализуется в зоне B рис. 2.

И без расчетов характеристик колебательной системы сказать о том, надо ли чего опасаться или нет, невозможно. При этом важна ещё и так называемая «добротность» колебательного контура на рабочем режиме агрегата. Добротность — это, с точностью до некоторых простых постоянных множителей, величина, обратная коэффициенту затухания колебаний в рабочей точке (а там, в точках экстремумов кривой колебания всегда затухают). И чем ниже добротность, тем больше допустимые различия в частотах, при которых автоколебания всё же могут быть возбуждены. На основе сравнения результатов расчетов с данными по наличию и отсутствию инцидентов на полутора десятках гидро- и гидроаккумулирующих станций был получен так называемый «индекс гидроакустической устойчивости» σ и его критическое значение σ* = 0.9 ± 0.3. Это означает, что по имеющимся сейчас данным, при σ > 1.2 проблем с неустойчивостью напорной системы нет, с гидроагрегатом ничего не произойдёт. При σ < 1.2 хотя бы на одной из возможных комбинаций частот, надо внимательно разбираться с устойчивостью, а при σ < 0.6 следует ожидать очень больших неприятностей. ^[20]

Эти неприятности, связанные с разрушением или повреждением агрегатов при возбуждении автоколебаний происходят достаточно редко, и раньше, видимо, было не слишком много гидроэлектростанций, где бы упомянутые выше резонансы могли бы проявиться в такой степени, чтобы они могли быть замечены, поняты и изучены. Однако, 17 августа 2009 года возбуждение автоколебаний проявило себя на Саяно-Шушенской ГЭС так, что отрицать существование такого явления стало невозможным. А сейчас такие станции в мире строятся и проектируются в беспрецедентных количествах, и следует ожидать, что автоколебания напорных систем ГЭС и ГАЭС будут возникать чаще, чем ранее. ^[21]

Обнаруженные случаи возбуждения автоколебаний напорных систем

Создание теории возбуждения автоколебаний напорных систем и выявление критерия гидроакустической устойчивости σ позволило проанализировать некоторые малопонятные инциденты на ГЭС и ГАЭС и выяснить, что причиной их возникновения стали автоколебания.

Первым среди них стал частичный отрыв турбинной крышки, произошедший 9 июля 1983 года на первом агрегате Нурекской ГЭС, ^[12] плотина которой является одной из самых высоких в мире, и расположена на реке Вахш в Таджикистане. Объяснить эту аварию тогда не удалось, и информацию о ней постарались максимально ограничить. ^[22] Важным обстоятельством, связанным с работой этой станции, является также то, что максимальный расчетный напор на Нурекской ГЭС составляет 275 м, но она способна нормально действовать только при напорах, не превышающих 260 м. ^{[12] [20] [22]} Даже при таких ограничениях требуется регулярная замена шпилек, крепящих турбинные крышки гидроагрегатов этой станции. Теория возбуждения автоколебаний объясняет все эти явления. Из неё следует, что авария 1983 года произошла из-за гидроакустического возбуждения автоколебаний, а проблемы с возникновением трещин в шпильках вызваны увеличением пульсаций давления потока из-за приближения режимов работы агрегатов к границе устойчивости.

Далее, 10 марта 1992 года на канадской средненапорной гидроэлектростанции Гранд Рэпидс, оснащенной поворотно-лопастными турбинами, произошел полный отрыв турбинной крышки первого гидроагрегата, и машинный зал был заполнен водой до уровня нижнего бьефа. ^{[23] [24]} Этот инцидент остаётся пока единственным уверенно идентифицируемым случаем возбуждения автоколебаний в напорных системах с поворотно-лопастными турбинами.

Другой инцидент с полным отрывом турбинной крышки и вылетом гидроагрегата из турбинного колодца снова произошёл в Таджикистане 5 февраля 2007 года на сравнительно небольшой деривационной гидроэлектростанции Памир-1. ^[25] В результате резкого повышения давления воды в водоводе были сорваны крепежные болты турбинной крышки второго гидроагрегата, и она вместе с его центральной частью была выброшена в машинный зал. Потоком воды из открытого турбинного колодца зал был полностью затоплен, как и 2.5 года спустя на Саяно-Шушенской ГЭС. Можно сказать, что это была генеральная репетиция Саянской катастрофы, на которую не обратили должного внимания.

Ещё 2 случая, которые были интерпретированы как приближение состояния напорной системы к границе возбуждения автоколебаний, были обнаружены на гидроаккумулирующих станциях (ГАЭС) Далечице (Чехия) и Жарновец (Польша). ^{[13] [26]} На ГАЭС в течение суток рабочие напоры изменяются от минимального до максимального, а в их напорных системах автоколебания могут возбуждаться и на турбинном и на насосном режимах (в последнем случае это явление, как уже упоминалось ранее, называется помпажом). Гидроаккумулирующие станции Далечице и Жарновец начали свою работу в конце 70-х — начале 80-х годов XX века, и сразу выяснилось, что ни та, ни другая ГАЭС не могут работать во всем проектном диапазоне напоров. С ростом напора на их гидроагрегатах росли и так очень сильные вибрации, что заставляло сотрудников этих станций преждевременно прекращать работу агрегатов в насосном режиме, значительно снижая по сравнению с проектными те запасы энергии, которые можно было бы израсходовать при работе станций в турбинном режиме. Однако, контроль за уровнем вибраций позволил восточноевропейским гидроэнергетикам избежать аварий. Замены агрегатов на новые с несколько иными характеристиками, произведённые в начале XXI века, позволили дальше разнести частоты возбуждающих и собственных колебаний и полностью устранить проблемы на ГАЭС Далечице и значительно смягчить их на ГАЭС Жарновец, где сдвиг вихревых частот из-за замены агрегатов оказался значительно меньше, чем на Далечице. ^[13]

Катастрофа 17 августа 2009 года была на Саяно-Шушенской ГЭС не первым случаем возбуждения автоколебаний в её напорной системе. Сразу после заполнения водохранилища, летом 1988 года на десятом агрегате станции были проведены испытания по работе на повышенной мощности. ^[3] Во время этих испытаний в напорном водоводе начались интенсивные пульсации давления, рост которых с большим трудом удалось подавить после сброса мощности. ^[18] Тогда до полного разрушения агрегата дело всё же не дошло, но возникшие в его корпусе в процессе этого эксперимента трещины привели к тому, что с тех пор он эксплуатировался редко и только при минимальной мощности. ^[24]

Но и катастрофа была не последним случаем такого рода на этой станции. Восстановленный к февралю 2010 года шестой гидроагрегат Саяно-Шушенской ГЭС, имевший то же исполнение системы управления приводом лопаток направляющего аппарата, что и второй, осенью 2011 года был преждевременно остановлен, и вскоре после этого начались работы по его замене на новый агрегат. Это произошло из-за протечек воды через трещины в опорном фланце крепления турбинной крышки. Известно, что 15 марта 2010 проводились испытания этого агрегата с увеличением времени его пребывания в области не рекомендованной работы. При этом были зафиксированы колебания электрической мощности, которые доходили до 60 МВт. Всё было очень похоже на то, что наблюдалось на испытаниях летом 1988 года, когда, по существу, был выведен из строя десятый агрегат. По всем признакам 15 марта 2010 года в напорной системе шестого гидроагрегата снова начали запускаться автоколебания, но так как агрегат находился недалеко от рабочей (оптимальной) точки, процесс возбуждения был вялым, и экспериментаторы успели его остановить, уйдя из опасной зоны. Однако, при этом в опорном фланце успели возникнуть трещины, постепенный рост которых вследствие развития усталостных процессов и привел к заметным протечкам, остановке и преждевременной разборке агрегата полтора года спустя. На этот раз не выдержали уже не шпильки турбинной крышки, усиленные после катастрофы, а тот элемент конструкции агрегата, к которому они крепились. ^[24]

Гидроакустический бустинг

Гидроакустический бустинг оказался способом возбуждения катастрофических автоколебаний в напорной системе второго гидроагрегата, и причиной Саянской катастрофы, а также аварии на ГЭС Памир-1. В этих инцидентах, вызвавших наибольшие разрушения, происходил двухступенчатый процесс запуска автоколебаний — они сначала возбуждались в зоне B рис. 2, соответствующей расходам воды и мощностям гидроагрегатов меньшим, чем на номинальном рабочем режиме. На Саяно-Шушенской ГЭС возбуждение произошло в результате того, что колебания потока, вызванные прецессией затурбинного вихря, промодулировали колебания лопаток направляющего аппарата (то есть, наложились на них), так как после оснащения второго гидроагрегата в феврале — марте 2009 года новой системой управления вместе с новыми приводными механизмами жесткость этой колебательной системы стала недопустимо низкой. ^[27]

Именно частота этого модулированного сигнала оказалась очень близкой к собственной частоте напорной системы Саяно-Шушенской ГЭС на том режиме работы, что и привело к возбуждению в ней автоколебаний. Быстро усиливавшиеся пульсации расхода привели к попаданию системы в зону A' (см. красную стрелку на рис. 2) и возбуждению автоколебаний уже в этой зоне. После этого рост пульсаций давления и расхода напорной системы прекратился только после её разрушения. По аналогии с другими явлениями, когда сначала запускается менее мощный процесс, в результате которого создаются условия для возникновения процесса существенно более мощного, это явление было названо гидроакустическим бустингом. ^[27] В качестве наиболее известного до сих пор процесса такого типа можно назвать значительное увеличение мощности ядерного боеприпаса путем возбуждения в нём процесса слияния легких ядер дейтерия и трития с помощью предварительного запуска реакции деления урана или плутония. ^[28]

В нелинейной теории колебаний такой процесс изменения режима колебаний принято называть «перекрытием резонансов». ^[11] Зрительный образ перекрытия резонансов может быть следующим: шарик по какой-то причине совершает колебания в ямке, всё сильнее и сильнее. Рядом с этой ямкой находится другая, более глубокая, а перевал между ними ниже, чем окружающая местность. Тогда через некоторое время шарик из первой ямки перекатится во вторую и начнет совершать свои колебания уже там. Если же вместо второй ямки мы имеем глубокую пропасть (см. самую правую часть рис. 2), то этот образ и будет примерно соответствовать тому, что случилось на Саяно-Шушенской ГЭС 17 августа 2009 года.

Выводы

В соответствии с теорией гидроакустического возбуждения автоколебаний их запуск в напорной системе гидроэлектростанции происходит тогда, когда значение индекса гидроакустической устойчивости σ оказывается меньше его критической величины σ* = 0.9 ± 0.3. Были вычислены величины этого индекса для 18 ГЭС и ГАЭС на различных режимах работы (всего несколько десятков вариантов), и на 6 гидро- и гидроаккумулирующих станциях было выявлено 9 случаев, когда значение σ было меньше 1.2. С учетом двух случаев бустинга, где автоколебания возбуждаются дважды, можно считать, что таких неустойчивых режимов и/или режимов на грани устойчивости всего было найдено 11. И именно только в этих случаях на этих станциях происходили инциденты с необъяснимыми отрывами турбинных крышек гидроагрегатов (при σ ≤ 0.6) или при их эксплуатации возникали аномально сильные вибрации, препятствующие нормальной работе станции (при σ ≤ 1.2). Не выявлено ни одного случая, когда имелось бы расхождение между оценками устойчивости напорной системы по величине индекса σ и реальным её поведением. Таким образом, исследования последних лет показали, что теория гидроакустического возбуждения может использоваться для прогнозирования возникновения опасных ситуаций в напорных системах гидроэлектростанций.

Ссылки

1. ↑ В. В. Казакевич. Автоколебания (помпаж) в компрессорах. Москва, Машиностроение, 1974.
2. ↑ ^{1 2} В. Б. Курзин. Низкочастотные собственные акустические колебания в проточной части гидротурбин. ПМТФ, 1993, № 2.
3. ↑ ^{1 2 3 4} Акт технического расследования причин аварии, произошедшей 17 августа 2009 года в филиале Открытого Акционерного Общества «РусГидро» — «Саяно-Шушенская ГЭС имени П. С. Непорожнего». Wikiteka, октябрь 2009.
4. ↑ ^{1 2 3 4} В. Л. Окулов, И. М. Пылев. Неустойчивость напорных систем. Доклады Академии наук, Энергетика, 1995, том 341, № 4.
5. ↑ ^{1 2 3 4} В. Х. Арм, В. Л. Окулов, И. М. Пылев. Неустойчивость напорных систем гидроэнергоблоков. Известия Академии Наук, Энергетика, 1996.
6. ↑ ^{1 2 3} Ю. Плотников. Саяно-Шушенская ГЭС: Год прошел, но точку ставить рано. Наука в Сибири, N 32 — 33 (2767 — 2768), 19.08.2010.
7. ↑ ^{1 2} Л. И. Седов. Механика сплошной среды, т. 2. Москва, Наука, 1976.
8. ↑ ^{1 2} Л. Г. Лойцянский. Механика жидкости и газа. Москва, Наука, 1978.
9. ↑ ^{1 2} Дж. В. Стретт (Лорд Рэлей). Теория звука, т. II. Москва, Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1955.
10. ↑ ^{1 2 3} Г. С. Горелик. Колебания и волны: введение в акустику, радиофизику и оптику. Москва, Государственное издательство физико-математической литературы, 1959.
11. ↑ ^{1 2 3} Н. В. Карлов, Н. А. Кириченко. Колебания, волны, структуры. Москва, Физматлит, 2001.
12. ↑ ^{1 2 3 4 5 6} Ю. И. Лобановский. Критерий возбуждения гидроакустических автоколебаний напорной системы. synerjetics.ru, январь — февраль 2010.
13. ↑ ^{1 2 3} Ю. И. Лобановский. Гидроакустическая устойчивость гидроаккумулирующих станций. synerjetics.ru, январь 2010.
14. ↑ ^{1 2 3 4 5} Ю. И. Лобановский. Автоколебания напорных систем и разрушение гидроагрегатов. Гидротехническое строительство, N 7, 2010, Научно-техническая фирма «Энергопрогресс». Архивировано из первоисточника 16 октября 2012. Проверено 6 сентября 2012.
15. ↑ Ю. И. Лобановский. О расчетах гидроакустической устойчивости Яли, Тери и Ирганайской гидроэлектростанций. Гидротехническое строительство, N 4, 2011, Научно-техническая фирма «Энергопрогресс».
16. ↑ Ю. И. Лобановский. Гидроакустическое возбуждение напорной системы второго гидроагрегата СШ ГЭС — причина Саянской катастрофы. synerjetics.ru, февраль 2012. Архивировано из первоисточника 17 августа 2012. Проверено 15 августа 2012.
17. ↑ Ю. М. Семченков. Предложения по итогам совещания в «РусГидро» от 1.07.2010 г.. synerjetics.ru, ноябрь 2012.
18. ↑ ^{1 2 3 4} В. И. Брызгалов. Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской ГЭС. Производственное издание, 1998.
19. ↑ Г. С. Горелик. Л. И. Мандельштам и учение о резонансе. К 100-летию со дня рождения. Москва, Наука, 1979.
20. ↑ ^{1 2} Ю. И. Лобановский. Сопоставление расчетных и натурных данных в области гидроакустической неустойчивости напорных систем и на переходных режимах. synerjetics.ru, май 2010.
21. ↑ Ю. И. Лобановский. Когда взлетают гидроагрегаты?. ТехНАДЗОР, N 4 (41) — 5 (42), апрель — май 2010, ИнформМедиа.
22. ↑ ^{1 2} Б. Сирожев: Авария на Нуреке в 1983 году не была засекречена. CAWATERiunfo, 26.10.2009.
23. ↑ W. L. Pawlikewich. Grand Rapids Generation Station Unit #1 Headcover Failure. Canadian Electrical Association, Engineering and Operation Division, March 1993.
24. ↑ ^{1 2 3} Ю. И. Лобановский. Угроза избранным. synerjetics.ru, июль 2012. Архивировано из первоисточника 17 августа 2012. Проверено 15 августа 2012.
25. ↑ Ю. И. Лобановский. Тайна горной долины. synerjetics.ru, июнь 2010.
26. ↑ Dalešice Dam. Wikipedia.
27. ↑ ^{1 2} Ю. И. Лобановский. Гидроакустический бустинг — способ возбуждения катастрофических автоколебаний в напорной системе Саяно-Шушенской ГЭС. synerjetics.ru, май 2010.
28. ↑ И. А. Андрюшин, А. К. Чернышев, Ю. А. Юдин. Укрощение ядра. Страницы истории ядерного оружия и ядерной инфраструктуры СССР — Саранск: Красный Октябрь, 2003. — 481 с. — 500 экз.— ISBN 5-7493-0621-6 [1]