Отзыв на статью Ю.И. Лобановского «Автоколебания напорных систем и разрушение гидроагрегатов»

Представленная статья Ю.И. Лобановского является продолжением большого количества публикаций автора в интернете, на его собственном сайте sinerjetics.ru и электронных копий этих материалов, разосланных Ю.И. Лобановским в различные организации и отдельным специалистам. Это позволяет рассмотреть взгляды автора несколько шире, чем представлено в исходной статье.

Свой целью автор ставит доказательство предложенной им версии причин аварии на Саяно-Шушенской ГЭС и, построенной на основе этой версии, теории «гидроакустической неустойчивости напорных систем». Далее автор распространяет действие этой теории на другие существующие и строящиеся ГЭС и делает выводы о возможности возникновения на них аварий, аналогичных Саяно-Шушенской.

Для понимания причин возникновения многочисленных версий произошедшей аварии, одной из которых является версия Ю.И. Лобановского, полезно вспомнить хронологию развития событий после 17 августа 2009 года.

Немного истории.

В первоначальный период, 1–2 недели после аварии, в СМИ было много противоречивых заявлений о причинах аварии. Высказывались предположения о гидроударе, электродинамичских ударах различного происхождения, взрыве трансформатора и другие. Это объяснялось тем, что на этом этапе расследования, действительно, не было единой версии, объясняющей произошедшее. Здание ГЭС было затоплено до уровня НБ и недоступно для осмотра. Помещение АСУ, где хранились архивы информации, серьезно пострадало от потока воды, изливающейся из здания ГЭС. Именно в этот период в СМИ появились многочисленные публикации о неких таинственных причинах катастрофы.

В этот период большинство экспертов, прибывших на место аварии, склонялись к версии гидроудара. Предполагалось, что гидроудар сопровождался сильнейшим разгоном агрегата. Вопрос стоял только в том, что послужило причиной этого гидроудара.

По мере осушения затопленной части здания ГЭС, разбора завалов и получения доступа к частям разрушенного гидроагрегата, эксперты вынуждены были признать, что никакого гидроудара не было. Не было и разгона гидроагрегата. Об этом свидетельствовали и данные инструментального контроля, которые начали поступать после восстановления серверов системы АСУ ТП. Следы гидроудара искались очень тщательно, но не было ни одного признака, подтверждающего сверхнормативное повышение давления в проточной части. В частности, были зафиксированы следующие основные факты, свидетельствующие об отсутствии гидроудара:

• Ни один прибор, контролирующий давление в проточной части агрегата №2 повышения давления в момент аварии не показал. То небольшое повышение давления в спиральной камере перед моментом аварии является обычным следствием движением на закрытие направляющего аппарата (н.а.) при снижении нагрузки.
• Лопатки н.а., первыми принимающими гидроудар, практически не повреждены, у всех обломана только одна цапфа – верхняя. Невозможно себе представить, что гидроударом выбило одну цапфу, а вторая этот удар выдержала. На лопатках н.а. нет следов схлопывания, трещин и изгибных деформаций, возникающих при ударных воздействиях. Такая же ситуация и с лопастями рабочего колеса (р.к.).
• Никаких, даже малейших, повреждений в проточной части агрегата обнаружено не было. Люк лаза в спиральную камеру, облицовка водовода и др. элементы проточного тракта совершенно не повреждены. Сварные соединения элементов спиральной камеры, статора и водовода находятся в идеальном состоянии. Наружная поверхность железобетонных водоводов, не получила ни малейших повреждений, несмотря на то, что еще до аварии имела многочисленные трещины бетонной облицовки, «заштукатуренные» цементным раствором.
• Режим гидроагрегата, в момент которого произошла авария, имел место на гидроагрегатах СШ ГЭС тысячи раз, причем никаких выбросов давлении никогда не наблюдалось.
• Сейсмостанция «Черемушки», регистрировавшая процессы, происходившие во время развития аварии, никакого толчка в момент срыва крышки турбины не зафиксировала, несмотря на то, что основные моменты аварии — разгон гидроагрегатов, их остановка затворами водоприемника и др., на сейсмограммах четко просматриваются.

Эти, и ряд других фактов, вынудили экспертов отказаться от версии гидроудара. После этого, в течение примерно одной недели, никакой однозначной версии произошедшего не было вообще. В этот период высказывались самые фантастические версии, отголоски которых мы до сих пор можем встретить в интернете. Причем наибольший интерес и массовые обсуждения вызывают наиболее «экзотические» версии.

Только после проведения всех необходимых расследований, в том числе расшифровки и анализа записей систем контроля, тщательного осмотра и лабораторных исследований узлов и деталей гидроагрегата, появилась основная версия, изложенная впоследствии в акте Ростехнадзора. Но к ней вернемся чуть позже.

Исходные предпосылки.

По словам автора, заняться разработкой новой теории, объясняющей причины аварии, его побудили сообщения в СМИ о неизвестной природе произошедшего и неубедительность доводов официального заключения Ростехнадзора. В качестве исходных предпосылок создания новой теории, автором было принято следующее:

1. В результате аварии гидроагрегат был «выброшен» в машинный зал под действием силы, происхождение которой установить до него никому не удалось. В подтверждение этого приводятся высказывания в СМИ и фотографии разрушения машинного зала.

2. Единственной силой, способной привести к «выбросу» гидроагрегата, могло быть внезапное повышение давления в результате возникшего явления гидроакустического резонанса в напорном водоводе.

3. Гидроакустический резонанс возник как проявление автоколебательного процесса в водопроводящем тракте гидротурбины, вызванном наличием ниспадающих участков на рабочей характеристике гидротурбины. Первичным возбудителем колебаний является жгутовая частота, возникающая под рабочим колесом в некоторых режимах гидротурбины.

Рассмотрим эти исходные предпосылки:

1. «Полет» гидроагрегата.

Во многих СМИ неоднократно упоминалось явление «полета» агрегата. В качестве факта преподносится якобы имевший место «вылет» гидроагрегата массой 1.5 тыс. т на высоту до 14 метров. Утверждается, что в ходе «полета» гидроагрегат разрушил колонну подкрановой эстакады и другие строительные конструкции.

В действительности, осмотр места аварии не подтверждает этой версии. Разрушения агрегата носят достаточно специфический характер, позволяющий судить о последовательности протекания аварии (Рис.1).

Нижняя часть гидроагрегата – рабочее колесо, крышка турбины, опора подпятника и другие узлы получили минимальные разрушения. Линия вала не нарушена и даже зеркало подпятника не имело серьезных разрушений. Спицы остова генератора скручены под действием тангенциальных сил и не имеют признаков деформации в осевом направлении. Остов ротора с оторванными полюсами отделен от спиц и в целом сохранил свою форму. Статор генератора сорван с фундамента и в виде ленты сконцентрирован со стороны ВБ (на фотографии не виден). Такого рода повреждения совершенно не характерны для тела массой 1500 т., упавшего с высоты 14 м. В этом случае, безусловно, было бы полностью уничтожено рабочее колесо, смята крышка турбины и опора подпятника, искривлен вал, деформирован остов ротора генератора.

Несостоятельна и версия о соударении ротора агрегата с подкрановой колонной. В плане колонна расположена на расстоянии 3,6 м от крайней точки ротора. Для контакта с ней ротор гидроагрегата, вместе с крышкой турбины, должен был бы подняться на высоту не менее 9 м, наклониться примерно на 40⁰ , «отфрезеровать» колонну, затем вернуть ось в исходное положение и плавно опуститься в кратер агрегата, не задев при этом строительных конструкций рабочим колесом или крышкой турбины. Причем этот «маневр» должен был бы выполняться под воздействием потока воды с напором 200 м, вырывающегося из кратера агрегата.

2. Гидроудар.

Другой ключевой предпосылкой автора является его утверждение о невозможности объяснить появление силы, «выбросившей» агрегат. Это также не соответствует действительности. В рабочих режимах на крышку турбины постоянно действует сила гидростатического давления, результирующая которой направлена вверх и составляет величину порядка 7 тыс. т. С учетом массы гидроагрегата, осевого гидравлического усилия и прочих составляющих, к элементам крепления крышки постоянно приложена направленная вверх сила порядка 4 тыс. т.

Безусловным фактом является наличие в шпильках крепления крышки турбины усталостных разрушений, достигающих в некоторых из них 90% сечения. Процесс развивался длительное время, но когда несущая способность элементов крепления снизилась до величины приложенной нагрузки, произошел подъем крышки турбины вместе с опертыми на нее узлами гидрогенератора. Для этого величина силы гидростатического давления вполне достаточна без гидроудара и иных динамических составляющих.

3. Гидроакустический резонанс.

Значительная часть работ автора посвящена математическому описанию автоколебательных процессов в водоводе, приводящих к катастрофическому росту давления в проточном тракте. Необходимым условием возникновения автоколебаний автор, совершенно справедливо, ставит наличие ниспадающих участков на рабочей характеристике гидротурбины H = f(Q) (автор почему-то называет ее «стационарной»).

Для иллюстрации наличия характеристики нужной формы, автор приводит график зависимости ?p/p = f(q), заимствованный из статьи В.Л. Окулова и И.М. Пылева «Неустойчивость напорных систем». В действительности, к зависимости Q = f(H) этот график не имеет никакого отношения. На настоящих рабочих характеристиках Q = f(H) ниспадающих участков (участков с отрицательной производной) нет ни у одной турбины во всем диапазоне расходов и открытий н.а. Они всегда монотонно возрастающие. Тем не менее, принимая как данность наличие «горбов» и ниспадающих участков, автор пытается решить дифференциальные волновые уравнения, и делает далеко идущие выводы. Но поскольку они основаны на ложных предпосылках, то и достоверными признаны быть не могут.

В последнее время автор начал утверждать, что ниспадающие участки появляются в процессе изменения открытия н.а. Это утверждение лишено физического смысла, поскольку открытие н.а. жестко задается управляющим сигналом и не является прямой функцией Q или H. Поскольку при любом открытии н.а. участки с отрицательной производной отсутствуют, то и в процессе его изменения условия для возникновения автоколебаний не создаются. В широко используемых автором радиотехнических аналогиях открытие н.а.- это переменный резистор в колебательном контуре. Если в этом контуре нет элементов с ниспадающим участком вольтамперной характеристики, то поступательное перемещение движка переменного резистора возбудить автоколебания не может.

Таким образом, все исходные предпосылки, заложенные автором в разрабатываемую им теорию, несостоятельны.

Считая свою теорию абсолютно верной, автор пытается распространить ее на другие ГЭС, используя при этом достаточно своеобразные методологические приемы оперирования данными. Один из них в пошаговом изложении:

1. Предлагается некий эмпирический коэффициент ?, который назван «индексом устойчивости гидроакустической системы». Априори утверждается, что при значении ? близком к критическому, создаются условия возникновения гидроакустического резонанса.

2. Далее приводятся сведения о нескольких ГЭС, у которых были проблемы с повышенной вибрацией гидроагрегатов, или имели место аварии. Несмотря на отсутствие у автора информации о причинах проблем, делается вывод о несомненном проявлении гидроакустического резонанса, поскольку для этих ГЭС ? близко к критическому. (Необходимо отметить, что повышенная вибрация гидроагрегатов достаточно распространенное и, как правило, вполне объяснимое явление.)

3. На основании первых двух пунктов делается вывод: «теория достаточно адекватно отражает реальные процессы». Таким образом, эмпирическое предположение подтверждается непроверенными фактами. В итоге считается доказанным и справедливость применения показателя ? и распространенность «гидроакустического резонанса» на ГЭС, и, как следствие, доказанность всей теории в целом.

Можно привести еще много примеров некорректного обращения автора с фактическим материалом. Так, например, автор много внимания уделяет жгутовым явлениям под рабочим колесом. Но при этом он игнорирует (или не знает?) тот факт, что пульсации давления потока со жгутовой частотой локализованы, главным образом, в камере рабочего колеса и конусе отсасывающей трубы. А в турбинных водоводах жгутовые частоты вообще не фиксируются. В спиральной камере, как правило, преобладают другие частотные составляющие – оборотная, лопастная и др. В средне- и низконапорных ГЭС эти частоты близки и могут совпадать с собственными частотами водоподводящего тракта. Почему автор там не ищет предвестников будущих катастроф?

Вообще резонансное усиление как результат совпадения возмущающих сил и собственных частот в гидроагрегатах (как и других сложных механизмах) явление рядовое и достаточно изученное. Так, например, та же «любимая» автором жгутовая частота в зависимости от режима турбины может меняться иногда в 2 и более раз, неизбежно попадая в какой-нибудь резонансный пик. При пуске и остановке гидроагрегата частота вращения изменяется от нуля до номинальной, проходя при этом все пики собственных частот гидравлического тракта. Но к катастрофам это не приводит. Именно постоянное взаимодействие многочисленных частот спектра возмущающих сил – механических, гидравлических и электрических, с собственными частотами агрегата (той же природы), формирует вибрационный фон агрегата. При конструировании гидроагрегата учитывается необходимость «разнесения» основных видов возмущающих сил и главных форм собственных колебаний. Но рассчитать теоретически все многообразие этих процессов невозможно. Поэтому наиболее достоверным способом определения вибрационного состояния гидроагрегата является проведение натурных испытаний. На основании этих испытаний определяются границы допустимых режимов работы, выявляются и устраняются источники повышенных вибраций, определяется ресурс отдельных узлов и агрегата в целом. Организация систематического проведения таких испытаний в объеме, позволяющем решить или приблизиться к решению указанных задач позволит существенно снизить вероятность возникновения аварий, подобных Саяно-Шушенской.

В заключение хочется пожелать автору – В.И. Лобановскому, успехов в решении сложных технических проблем. К сожалению, предпринятый им анализ причин возникновения аварии Саяно-Шушенской ГЭС, основан на неверных предпосылках и не может претендовать на истинность трактовки произошедшего. Отчасти, это вызвано отсутствием у автора фактических данных обследования места аварии, результатов экспертиз и исследований. Так же хотелось бы пожелать автору глубже ознакомиться с основами современной гидроэнергетики и гидромашиностроения, поскольку из его работ создается впечатление о недостаточной его подготовленности в этих вопросах.

В заключение в качестве приложения приводим хронологию развития аварии на СШ ГЭС, в основном соответствующую акту Ростехнадзора.

Хронология развития аварии на ГА №2 СШ ГЭС 17 августа 2009 г.

Переменные напряжения, вызываемые вибрацией в элементах крепления, главным образом в шпильках, привели к развитию усталостных трещин. Процесс этот продолжался постепенно. 17 августа 2009 г., на ГА №2 произошло «снижение несущей способности ниже уровня нагрузок». Далее события развивались следующим образом:

• Последним толчком к обрыву ослабленных усталостными трещинами шпилек послужило динамическое воздействие от вибрации, возросшей в результате вхождения в не рекомендованную зону. Сначала оборвались наиболее слабые шпильки, под крышкой турбины образовалась щель, через которую вода под напором стала поступать в шахту турбины. Вибрация агрегата в этот момент резко возросла. Возможно, эту вибрацию и зарегистрировала сейсмостанция «Черемушки» до момента аварии.
• Ножевыми потоками воды из-под крышки турбины сорвало воздухоразделительный щит и вода попала на обмотки генератора, вызвав короткое замыкание (к.з). Электродинамический удар от к.з. послужил толчком к обрыву остальных шпилек. Сигнал на сброс аварийно-ремонтных затворов на водоприемнике не прошел, т.к. частота вращения до момента к.з. была синхронной.
• Гидроагрегат начал медленно (учитывая инерцию масс) подниматься. В этот момент баланс гидравлических сил, действующих на крышку, составлял около 4000 тонн с направлением вверх. Подъем происходил вместе с лопатками н.а., «аккуратно» вынутыми из нижних подшипников, поэтому нижние цапфы на всех лопатках остались целы. Впоследствии лопатки были выломаны из верхних подшипников в результате соударений и под действием потока воды. Никакого «выброса» гидроагрегата не было. Подъем скорее носил характер движения поршня в гидроцилиндре, где роль поршня выполняла крышка турбины, а внутренней поверхностью цилиндра – шахта турбины.

• После подъема на величину 1,5 – 2 м верхняя крестовина генератора вышла из зацепления с опорными домкратами. Этому способствовал и поток воды, проходящий сквозь ротор генератора. На верхней крестовине закреплен верхний подшипник гидроагрегата. Перекос корпуса подшипника привел к его заклиниванию, в результате чего на крестовину стал передаваться вращающий момент от вала и она начала вращаться. Потеря верхней опоры привела к прецессии оси гидроагрегата и выбросу вращающейся верхней крестовины вместе с элементами подшипника, возбудителя и др. общей массой до 100 т в машинный зал. Там она вступила в контакт с колонной подкрановой эстакады, перерубив рабочую арматуру, «отрикошетила» и «успокоилась» в блоке соседнего агрегата №1.
• После потери верхней радиальной опоры ротор генератора вступил в зацепление со статором и в течение нескольких секунд уничтожил не только обмотки, но и активное железо, кожух генератора, железобетонную «бочку» и окружающие строительные конструкции. Ротор вращался с нарастающей прецессией верхнего конца оси. Увеличение углов наклона вала привело к резкому увеличению площади зазоров между крышкой турбины и облицовкой шахты турбины. Произошла разгрузка гидростатического давления и движение ротора на подъем прекратилось (рис.3). Во время всего процесса р.к. с крышкой не выходило за пределы шахты турбины, чем и объясняется их хорошая сохранность. Обод ротора под воздействием тангенциально направленных сил соударения, скрутил спицы и, отделившись от них, упал в кратер (рис.4).

• Практически вся энергия, запасенная во вращающихся частях, ушла на разрушение строительных конструкций. Все описанное выше происходило одновременно с истечением из кратера агрегата потока воды с напором 50 – 100 м. Часть напора была «разгружена» отсасывающей трубой, но насколько – определить уже невозможно. «Фонтан» воды диаметром 10 м разрушил шатер машзала в блоках агр. 1 – 4 и захлестнул трансформаторную площадку. Возможно, он и довершил разрушение колонны, оставшейся без арматуры. Все системы защит и автоматики ГА №2 были уничтожены потоком воды в течение примерно одной секунды.
• Вода, хлынувшая в машзал, за считанные секунды распространилась до агр. №10, вызвав короткие замыкания и мгновенно уничтожив все оборудование. Дальнейшее описано в акте Ростехнадзора и к причинам аварии отношения не имеет.

Борис Юркевич,
первый заместитель генерального директора,
главный инженер ОАО «Ленгидропроект», к.т.н.

(«Гидротехническое строительство», № 1, 2011 год)

Продолжение темы

Ю.И. Лобановский. Анализ рецензии Б.Н. Юркевича на статью «Автоколебания напорных систем и разрушение гидроагрегатов»