Анализ рецензии Б.Н. Юркевича на статью «Автоколебания напорных систем и разрушение гидроагрегатов»
Аннотация
В работе Ю.И. Лобановского анализируется рецензия Б. Н. Юркевича на статью автора «Автоколебания напорных систем и разрушение гидроагрегатов». Показано, что утверждения рецензента либо правильны, но к рецензируемой работе не относятся, либо отношение к ней имеют, но тогда они неправильны.
I – Введение
Эта статья является ответом на рецензию [1], посвященную статье автора в журнале «Гидротехническое строительство» [2], в которой кратко описывается теория резонансного возбуждения автоколебаний в напорных системах гидро- и гидроаккумулирующих станций. Текст, после введения, разделен на 3 части, в которых рассматриваются утверждения рецензента, не относящиеся к теории, правильные и неправильные, а также те, что к рассматриваемой теории отношение все-таки имеют, но являются ложными.
II – Несоответствие реальности утверждений рецензии, не относящихся к теории резонансного возбуждения автоколебаний напорных систем
В анализируемой рецензии многократно встречаются утверждения, не соответствующие реальности. Сначала вкратце рассмотрим ту часть из них, которая прямо не относится к теории резонансного возбуждения автоколебаний напорных систем.
1. Рецензент заявляет:
«Ни один прибор, контролирующий давление в проточной части агрегата №2 повышения давления в момент аварии не показал…»
Из тренда изменения давления перед направляющим аппаратом спиральной камеры второго гидроагрегата во время инцидента [3], который все-таки показывает там некоторое повышение давления, следует, что шаг регистрации давления сначала составил 0,8 с, а далее измерения вполне могут интерпретироваться как сделанные на интервалах 2,2 – 2,5 с. В соответствии с теорией гидроакустического резонанса, характерная частота происходящих в водоводе процессов возрастала в процессе развития событий с 1,6 до 2,1 Гц. Это означает, что за время 0,5 – 0,6 с колебания давления проходили свой полный цикл изменения. Могла ли система компании «Ракурс» с шагом дискретности 0,8 – 2,5 с вообще зарегистрировать подобный процесс? Следует также отметить, что величина давления перед направляющим аппаратом, близкая к номинальной, фиксировалась вплоть до 8:13:29,1, тогда как «после 8:13:27,9…(то есть за 1,2 с до этого – автор) агрегата как инженерного устройства уже не существовало» ([3]), а по данным датчика давления все оставалось по-прежнему. Поэтому использование данных этого датчика для доказательства отсутствия возможных пульсаций давления является некорректным, вследствие его очевидного запаздывания.
2. Далее рецензент заявляет:
«Никаких, даже малейших, повреждений в проточной части агрегата обнаружено не было».
Как можно видеть на фотографиях, представленных компанией «РусГидро» о ходе восстановительных работ на втором гидроагрегате (см., например, рис. 1 [4]), бетон над спиральной камерой раскололся на отдельные фрагменты. По официальным заявлениям компании происходила разборка поврежденного в результате инцидента монолитного железобетона в окрестности турбинной шахты второго гидроагрегата. Это, по мнению автора, все-таки, свидетельствует о том, что и спиральная камера подвергалась каким-то запроектным нагрузкам.
3. Далее, рассуждения о поведении второго гидроагрегата после разрыва шпилек турбинной крышки разбросаны рецензентом по разным местам его работы. Читаем:
«Утверждается, что в ходе «полета» гидроагрегат разрушил колонну подкрановой эстакады и другие строительные конструкции. В действительности, осмотр места аварии не подтверждает этой версии… Линия вала не нарушена, и даже зеркало подпятника не имело серьезных разрушений… Такого рода повреждения совершенно не характерны для тела массой 1500 т, упавшего с высоты 14 м… Несостоятельна и версия о соударении ротора агрегата с подкрановой колонной».
«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, но, сохранив на месте хотя бы часть бетона, «отрикошетила» и «успокоилась» в блоке соседнего агрегата №1… Возможно, он (фонтан воды) и довершил разрушение колонны, оставшейся без арматуры».
a) Каким образом крестовина, лежащая сверху на медленно (по мнению рецензента) поднимающемся агрегате, взлетела под потолок машинного зала, что буквально было отпечатано на оставшейся части колонны? Какая чудесная сила совершила это? Рецензент об этом не пишет ни слова.
b) Далее:
«Часть напора была «разгружена» отсасывающей трубой, но насколько – определить уже невозможно».
Однако оценить давление воды в фонтане из турбинного колодца после отрыва турбинной крышки и потери турбины не представляет никаких трудностей. Из известных кадров пульсирующего потока из турбинной шахты второго гидроагрегата [5] следует, что фонтан воды на максимуме пульсаций поднимался не более чем на 25 – 30 м над полом машинного зала. Это означает, что давление воды там не превышало 0,25 – 0,3 МПа, то есть примерно в 50 раз меньше, чем давление воды в мониторах при гидродобыче угля, предел прочности которого не выше предела прочности бетона для конструкций со стержневой арматурой класса бетона B15 [6]. Таким образом, все рассуждения рецензента о разрушении бетонной опоры подкранового пути водой не имеют никакого отношения к реальности.
c) У рецензента повреждения, полученные нижней частью агрегата, то есть рабочим колесом, «совершенно не характерны для тела массой 1500 т, упавшего с высоты 14 м». Очевидно, он предполагал, что остатки центрального модуля агрегата, на самом деле по оценкам, имевшие после потери обмотки ротора и верхней крестовины массу не более 1000 т, (то есть весом 10 МН), упали на бетон. Одновременно, в другом месте он пишет:
«Все описанное выше происходило одновременно с истечением из кратера агрегата потока воды с напором 50 – 100 м».
Ранее уже было установлено, что поток воды, вытекающий из полуразрушенного турбинного колодца второго гидроагрегата, на максимуме пульсаций находился под напором 25 – 30 метров, а на минимуме – метров на 5 – 10 ниже. Следовательно, средняя по времени оценка давления в нем должна быть близка к 0,2 МПа. Поэтому величина подъемной силы водяной струи, действующей на агрегат, составит 5 – 10 МН, то есть она будет достаточно близка к весу опускавшейся части агрегата. Это означает, что его «падение» должно быть медленным и плавным. По мере снижения остатков агрегата и частичного перекрытия отверстия колодца, давление воды под опускающимся блоком должно было возрастать, обеспечивая ему «мягкую посадку». Поэтому нет ничего удивительного, что рабочее колесо опустилось примерно на исходное место взлета без заметных повреждений.
d) Теперь о силах, действующих на турбинную крышку и остаточной прочности шпилек.
«В этот момент баланс гидравлических сил, действующих на крышку, составлял около…40 МН (пересчет автора в систему СИ)…с направлением вверх».
Эти данные Б. Н. Юркевичем уже неоднократно приводились, но ни разу автор не смог услышать их обоснования. Реальные расчеты дают величину этой равнодействующей подъемной силы примерно равную 21,5 МН (обоснование см. в статье [7]). Близкие значения получаются и на режиме с пониженным расходом воды, соответствующем моменту начала катастрофы. Данные, приводимые Ю. К. Петреней, техническим директором ОАО «Силовые машины», производителя турбин прекрасно согласуются с этими расчетами (см. [7]).
Из данных Акта Ростехнадзора следует, что остаточная прочность шпилек была чуть больше 40 % от их проектной прочности и составляла, примерно, 80 МН. Отсюда однозначно следует, что без значительного повышения давления под турбинной крышкой мгновенный разрыв оставшейся части шпилек произойти не мог [7].
e) Утверждения рецензента о характере сейсмограммы, полученной на сейсмостанции «Черемушки» в момент инцидента, не соответствуют действительности (см. [8]).
III – Утверждения рецензии, соответствующие реальности, но не относящиеся к теме рецензируемой статьи
К таковым относятся утверждения рецензента о том, что при инциденте 17 августа 2009 года в водоводе второго гидроагрегата СШГЭС не было гидравлического удара, о том, что разгона второго гидроагрегата (который, как утверждается в другом разделе рецензии, на «сейсмограммах четко просматривается») и выхода его на угонные скорости тоже не было, а также о том, что на средне- и низконапорных гидроэлектростанциях лопастная частота может быть близка к собственным частотам колебаний воды в водоподводящем тракте. Автор с этим утверждениями полностью согласен, но в рецензируемой статье эти вопросы не рассматриваются, более того, о них там вообще не говорится ни слова, и непонятно, зачем их нужно было обсуждать в рецензии на эту статью.
IV – Несоответствие реальности утверждений рецензии, относящихся к теории резонансного возбуждения автоколебаний напорных систем
Рассмотрим теперь утверждения рецензента, прямо относящиеся к теории резонансного возбуждения автоколебаний напорных систем. Итак, по порядку.
1) Цитируем:
«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».
Из этой фразы следует, что рецензент, упоминающий статью [9], сам ее не читал, так как такого графика в ней нет. В той статье есть экспериментально полученная зависимость «потерь полного давления на турбине» ?p/pвх = f(Q) – размерного расхода воды, а здесь q – расход безразмерный (отнесенный к расходу на номинальном режиме), что при использовании теории подобия и законов сохранения позволяет хотя бы приближенно и с соответствующими поправками применять эту экспериментальную кривую, полученную на СШ ГЭС, к другим гидроэлектростанциям. Кроме того, зависимость ?p/p = f(q) выглажена с помощью кривых Безье (полиномов Бернштейна) для исключения влияния случайных погрешностей измерения и экстраполирована в область больших значений q (см. пунктир на рис. 2).
Рис. 2. Зависимость отбора полного давления потока на турбине ?p/p от безразмерного расхода q
2) Рецензент:
«В действительности, к зависимости Q = f(H) этот график не имеет никакого отношения».
Совершенно верно. Хотя точнее будет противоположное утверждение: «Зависимость Q = f(H) не имеет к функции ?p/p = f(q) и, следовательно, графику 5, никакого отношения». Зачем рецензент говорит о зависимости, не имеющей, как он сам признает, никакого отношения к теме, рассматриваемой в рецензируемой статье, может быть известно только ему одному. Функция ?p/p = f(q) прямо используется при выводе уравнений, применяемых далее для расчета параметров автоколебательных напорных систем. Если бы в этом выводе рецензент нашел бы какую-либо ошибку, тогда ему и нужно было бы об этом писать. А привлекать сюда явно постороннюю функцию – крайне странное действие. Поэтому зависимость Q = f(H) в этом тексте более упоминаться не будет.
3) Рецензент:
«Тем не менее, принимая как данность наличие «горбов» и ниспадающих участков, автор пытается решить дифференциальные волновые уравнения, и делает далеко идущие выводы».
«Горбы» на кривой ?p/p = f(q), см. рис. 2, являются результатом прямых измерений так называемых потерь полного давления при изменении расхода воды в гидроагрегате [9]. Если измеренные результаты кто-то «как данность» не воспринимает, то ему не следует заниматься тем, что принято называть наукой. Кроме того, эти экспериментальные данные полностью соответствуют всем теоретическим представлениям. В силу применимости в рассматриваемом процессе обтекания турбины односвязным потоком воды классического результата гидродинамики – интеграла Бернулли, полное давление потока жидкости представляет собой удельную энергию потока (без учета доли энергии, связанной с изменением высоты жидкости в гравитационном поле) – энергию, отнесенную к единице объема. А так как изменение высоты потока на турбине мало по сравнению с напором и не зависит от режима ее работы, то между относительными «потерями полного давления» (в более корректной формулировке «отбором полного давления на турбине») и коэффициентом полезного действия турбины имеется прямая связь.
Совершенно естественно, что этот отбор максимален на рабочем режиме, когда турбина работает в расчетных условиях. При уходе параметров работы от оптимальных, то есть как при увеличении, так и при уменьшении расхода воды, доля энергии, отбираемой турбиной от потока, уменьшается, а в потоке за турбиной энергии остается больше. Поэтому и доля полного давления потока за турбиной на нерасчетных режимах увеличивается, приводя к показанному на рис.2 поведению кривой ?p/p = f(q) в окрестности рабочей точки. Совершенно также изменяется и коэффициент полезного действия турбины, см., например, [10] или [11]. Подобная корреляция коэффициента полезного действия и отбора полного давления наблюдается в зонах B и A‘ при q ? 0,7, то есть на режиме односвязного устойчивого обтекания решетки профилей (см. рис. 2 и 3).
Поэтому автор советует рецензенту впредь воздержаться от нападок на закон сохранения энергии.
При меньших значениях расхода, как известно, реализуется сначала (при последовательном его снижении) перемежающееся течение, а затем и многосвязное течение затопленных струй, где возникают дополнительные потери энергии в струях, и зависимость между отбором энергии на турбине и изменениями энергии потока за ней перестает адекватно описываться интегралом Бернулли.
4) Теперь о том, что автор «пытается решить дифференциальные волновые уравнения». Если попытками являются сотни проведенных расчетов при любых возможных сочетаниях определяющих параметров, то, по этому критерию, усилия рецензента не являются даже попыткой написания рецензии. Поэтому, остальные замечания автор делает почти на случайной выборке из высказываний рецензента, и делает это предельно кратко.
5) Например:
«Предлагается некий эмпирический коэффициент ?, который назван «индексом устойчивости гидроакустической системы».
На самом деле параметр ? является результатом чисто математической обработки резонансной кривой, связывающей разность частот возбуждения и собственной с характеристиками затухания (или обратной величины – добротности) колебаний [12]. Это простое и прямое следствие классической формулы, давно приводимой в любых справочниках по физике и увязывающей с этими параметрами ширину частотной резонансной кривой на уровне отклика системы, составляющего по амплитуде 1/?2 от максимума. Эмпирическим в параметре ? является только выбор уровня отклика, который вызывает ответ – возбуждение автоколебаний, определяемый с помощью нормировочного множителя k? [13]. И иначе как эмпирическим, при существующем уровне развития теории, этот нормировочный множитель и быть не может.
6) Еще один пассаж:
«…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 переходе агрегата из зоны A‘ в зону A (см. рис. 2) вихревая (жгутовая) частота в действительности изменяется примерно в 3 раза, да и направление прецессии затурбинного вихря меняется на противоположное. Перестроение режима течения происходит быстро, а для возбуждения автоколебаний требуется время, заметно превышающее их период, тем более что при перестроении течения частотный спектр «размазывается» и ни на одной из частот может не достигать амплитуд, способных возбудить какие-либо автоколебания, будь они там возможны. В целом, вопрос о динамике перестроения течения довольно интересен, однако сейсмические спектры инцидента четко показывают пик амплитуды на частоте 0,49 Гц [8], соответствующую прецессии затурбинного вихря в зоне A уже, если так можно выразиться, в «квазистатике», то есть на режиме перемежающегося течения.
7) Рецензент:
«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?»
Рецензенту, видимо, неизвестен тот факт, что у связанных осцилляторов (а напорный контур, по существу, и представляет нечто подобное) колебания одного из них инициируют колебания и другого. И какой из них непосредственно возбуждается внешней силой, существенного значения не имеет. А оборотная частота искалась в качестве предвестника будущих катастроф, но до сих таковым не стала. И сейчас, после получения частотных сейсмических спектров во время инцидента на СШ ГЭС становится ясным, почему.
Много внимания «жгутовым явлениям» уделял и первый директор Саяно-Шушенской ГЭС В. И. Брызгалов, при котором агрегатам, несмотря на одну известную попытку сделать это на испытаниях, тогда не удалось улететь из турбинного колодца. В. И. Брызгалов писал:
«Предполагается, что причиной резкого возрастания нестационарных гидравлических процессов в проточной части турбин является гидроакустический резонанс, который возникает при совпадении частот колебаний оси кавитационного жгута с собственной частотой упругих колебаний воды в напорном водоводе» [10].
Возможно, именно благодаря этому вниманию тогдашнего директора на СШГЭС в те времена на станции и не было катастроф.
А рецензенту с его интересом к средне- и низконапорным ГЭС, которые до сего момента были полностью вне поля зрения автора, можно только посоветовать вместо всех этих общих слов разобрать конкретный случай отрыва турбинной крышки поворотно-лопастного гидроагрегата на канадской гидроэлектростанции Гранд Рэпидс (см., например, [14]), и поискать источник уже случившейся там аварии на лопастной частоте. Может быть, получится. Впрочем, сама по себе эта мысль представляется автору вполне разумной и интересной. Она является первой известной ему попыткой расширить сферу применения теории гидроакустического возбуждения автоколебаний на напорные системы с турбинами, отличающимися от радиально-осевых.
В рецензии также обращает на себя внимание полное отсутствие каких-либо ссылок на предшествующие работы. За немалый срок знакомства с научно-технической литературой для автора данного анализа это вообще первый случай для такого рода статьи, претендующей на роль научного труда.
Выводы
- Рецензент не привел список литературы, которая рассматривается в его рецензии, тем самым четко не очертив круг рецензируемых вопросов.
- Продемонстрировано, что рецензент не читал хотя бы часть работ, оценивать которые он взялся.
- Показано, что то, в чем рецензент прав, не относится к критикуемой им теории, а в том, что к ней относится, он неправ.
- Однако, следует отметить, что попытка, может и не вполне осознанная самим рецензентом, расширить сферу применения критикуемой им теории, представляется вполне продуктивной, что, возможно, подтверждается, как минимум, одним реально произошедшим инцидентом, случившемся на канадской гидроэлектростанции Гранд Рэпидс.
Список литературы
- Юркевич Б. Н. Отзыв на ст. Лобановского Ю. И. «Автоколебания напорных систем и разрушение гидроагрегатов» // Гидротехническое строительство, № 1, 2011.
- Лобановский Ю. И. Автоколебания напорных систем и разрушение гидроагрегатов // Гидротехническое строительство, № 7, 2010.
- Башнин О. И. Об интерпретации событий на Саяно-Шушенской ГЭС (2009 г.) // ООО «НПФ «Ракурс».
- РусГидро. Пресс-центр. Фотоархив, 15 октября 2009 года.
- Видео момента аварии 2009 года на Саяно-Шушенской ГЭС
- Строительные нормы и правила. Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений
- Лобановский Ю. И. Технические причины катастрофы на Саяно-Шушенской ГЭС (итоги расследования), ноябрь 2009.
- В. С. Селезнев В. С. Что происходило на Саяно-Шушенской ГЭС до, в момент и после аварии. Доклад на совещании «Технические причины и уроки катастрофы на Саяно-Шушенской ГЭС», февраль 2010.
- Окулов В. Л., Пылев И. М. Неустойчивость напорных систем // Доклады Академии наук, Энергетика, 1995, том 341, № 4.
- Брызгалов В. И. Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской ГЭС. Производственное издание, 1998.
- Feasibility Studies For Small Scale Hydropower Additions // Part 16. July 1979.
- Лобановский Ю. И. Критерий возбуждения гидроакустических автоколебаний напорной системы. Январь – февраль 2010.
- Лобановский Ю. И. Сопоставление расчетных и натурных данных в области гидроакустической неустойчивости напорных систем и на переходных режимах. Май 2010.
- Leyland B. Sayano Failure Lessons // EEA Presentation, 2010.
Юрий Лобановский,
кандидат физ.-мат. наук
29.06.2011