Нагрузки и воздействия при разрушении гидроагрегат

                Вместо эпиграфа.

Когда начиналась раздача по частям Энергосистемы России из народного хозяйства страны во владение и управление успешным бизнесменам и эффективным менеджерам, у нас, рядовых энергетиков, ходила байка-быль: 
Директор электростанции знакомит нового владельца с приобретёнными им активами. Прошли турбинный, котельный, электро и ремонтный цеха. Прошли всё. Остановились на проходной. Вопрос:  «А где же у тебя склад готовой продукции?».

Снисходительно посмеивались. Несчастные, не подозревали, что потом заплачем.


Первое впечатление от работы комиссии «Ростехнадзора» по расследованию причин этой аварии оказалось обманчивым. Спустя некоторое время, выясняется, комиссия не совсем точно понимала, что она расследует. Оказывается, она рассматривала турбину гидроагрегата №2  не как техническое устройство, преобразующее кинетическую энергию падения массы воды с расходом «Q» кубометров в секунду с высоты «Н» метров, в кинетическую энергию вращения ротора электрогенератора с угловой скоростью w = 14 радиан/секунду (142,8 оборотов в минуту), а как сосуд – аппарат, работающий под давлением. Типа автоклава для пропарки силикатного кирпича с быстросъёмным байонетным затвором на крышке.

Руководитель «Ростехнадзора» Николай Кутьин:  «В настоящее время «Ростехнадзор» пытается создать математическую модель действия турбины в момент аварии с учетом того, что в воздух поднялось оборудование большой массы - 1,5 тыс. тонны (вес всего гидроагрегата 2,69 тыс. тонн)».

И вот так выглядит эта созданная «Ростехнадзором» чудо-мат-модель [1]:
При штатном режиме в спиральной камере турбины образуется пьезометрический напор в 230 метров водяного столба. Под крышкой турбины возникает осевая подъёмная сила равная 5773 тонн или 56,63 меганьютон. Этой силой разом срываются все 80 шпилек, крепящих крышку к статору турбины, и ротор всего агрегата вместе с крышкой и верхней крестовиной общей массой в две тысячи тонн вылетает из ячейки ГА-2.

Приведена баллистическая траектория полёта этого внушительного дрона:

Момент «поехали!» ротор показал в 8:13:25 местного времени. За время в половину секунды ротор набирает скорость в 10 м/сек. В этот же промежуток времени он успевает «взмахнуть рукой». А вместо рук у него лопатки направляющего аппарата. Их 20 штук, и взмахнул он ими так, что они все разом отвалились по верхним цапфам. (Диаметр цапф под подшипниками d=300 мм.).

Набрав такую скорость, ротор переходит в свободный полёт. В свободном полёте с отрицательным ускорением  он поднимается на апогейную высоту 10 метров. После чего с ускорением свободного падения возвращается в свою ячейку. Общее время нахождения ротора в полёте 6 секунд.

Такой сценарий оказался возможным благодаря якобы трещиновидному усталостному повреждению шпилек, накопившемуся за время эксплуатации на некоторых шпильках до 95 % площади поперечного сечения. Повреждались шпильки якобы от действия горизонтальной (радиальной) вибрации турбинного подшипника с двойной амплитудой выше 160 микрон. Причём гайки на шпильках якобы не были затянуты, а на шести шпильках якобы вообще не было гаек.

Таким образом, итоговой причиной разрушения агрегата была названа усталость металла шпилек.

Руководитель «Ростехнадзора» Николай Кутьин на весь мир заявил: «Полторы тысячи весом летательный аппарат вопреки законам физики поднялся в воздух и летал. Мы побили рекорд Гиннеса и учёные теперь испытывают внутренний ужас от того, что законы физики были нарушены».

А история гибели дежурной смены обслуживающего персонала в количестве 75-и специалистов описана вообще очень скупо: - «Вода начала поступать в машинный зал». Надо понимать, как в той грустной легенде: - «И  пучина сея в один момент поглотила ея. В общем, все умерли».

Неотягощённым специальными знаниями взглядом видно, что эти дроно-моделисты не заморачивались с расчётом силы отрыва этой махины от фланца статора турбины. Не привели и расчёт силы тяги в её полёте. Взяты эти усилия не из фактических показаний пьезометров (манометров), а «срисованы» из обозначения марки турбины: – РО230/833-В-677 (РО – радиально-осевая; 230 метров – напор, при котором по проекту может работать данная турбина; 833 – серийный номер изделия; В – с вертикальной осью; 677 – диаметр рабочего колеса в сантиметрах).

Оставим без комментариев измышления этих горе-моделистов. Пусть с ними разбирается тот, кто их назначил на эти должности.

Речь идёт о нашей безопасности. На наших рабочих местах. И мы должны сами разобраться в деталях и, положа руку на ПТЭ, рассказать правду, и только правду, об этих трагических событиях. (ПТЭ – Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации).

Смотрим на рисунок (Рис.2) – записи показаний давлений в конструктивных элементах турбины в момент аварии [2]:

• Рвб (красная линия тренда) – давление в спиральной камере: Р = 21,6 кгс/см2. Импульсная трубка на манометр оборвалась – в 08.13.29. Спустя 4 секунды с момента «поехали!»; (А в Кутьинском виртуальном полёте ротор уже возвращался в родные пенаты).

• ДРК1 (зелёная линия тренда) – давление под крышкой турбины: Р = 3,4 кгс/см2. Обрыв импульсной трубки – в 08.13.28. Спустя 3 секунды после момента «поехали!»;

• ДРК2 (голубая линия тренда) – давление в отсасывающей трубе: Р = 1,1 кгс/см2. Обрыв импульсной трубки – в 08.13.28. Спустя 3 секунды после того момента.

И вот, наконец, мы добрались до самой сути вопроса о «виновности» шпилек крепления крышки турбины к её статору:

Смотрим на рисунок (Рис.3) – усилия на крышку турбины.

Давление под крышкой – это давление в полости между крышкой (зелёная сверху) и верхним ободом рабочего колеса турбины (серый снизу). Верхний обод рабочего колеса имеет форму диска.

По величине давления в этой полости судят о состоянии лабиринтного уплотнения, о степени его разработки – изношенности. То есть о величине зазора в уплотнении.
В момент аварии давление в этой полости было 3,4 кгс/см2, что свидетельствовало о нормальном состоянии уплотнения, что зазор в уплотнении был равен чертёжному.

При величине давления в этой полости Р = 3,4 кгс/см2 на крышку турбины действовало подъёмное усилие F = 887,4 тоннсил или 8,7 меганьютон. Что значительно меньше веса ротора агрегата. Поэтому говорить о недостаточной прочности шпилек, об их усталости, совершенно не обоснованно.

Более того, такое же усилие F = 887,4 тоннсил или 8,7 меганьютон действовало и на верхний обод рабочего колеса. И направлено оно было вниз, то есть прибавляло вес ротора. Агрегат зонтичного типа, с опорой ротора на крышку турбины.  Следовательно, это усилие не поднимало крышку, а наоборот, прижимало её к статору.
 
Ссылки:

1. Совещание главных инженеров, г. Москва, 30 ноября 2009 г.
«Авария на Саяно-Шушенской ГЭС и проблемы мониторинга крупных ГЭС» В.В. Берлин, к.т.н., профессор, О.А. Муравьёв, д.т.н., профессор.
Московский государственный строительный университет, ООО «Белый уголь»

2. «Об интерпретации событий на Саяно-Шушенской ГЭС». Олег Башнин, д.т.н., главный специалист по ГЭС ООО «Ракурс-Инжиниринг»