С чего начиналось разрушение второго гидроагрегата

  Комиссия «Ростехнадзора» при расследовании аварии ГА-2 на Саяно-Шушенской ГЭС очагом его разрушения определила узел крепления крышки турбины к её статору. Такое заключение ошибочно. Эта ошибка явилась следствием того, что комиссия не правильно представляет устройство и принцип действия турбины.

  Турбина работает в потоке падающей сверху воды. Силовые и энергетические характеристики потока описываются уравнением Даниила Бернулли. В этом уравнении напор в метрах является не давлением, как считает комиссия, а энергией. Удельной энергией одного килограмма массы воды, падающей с высоты этих метров.

  Один килограмм массы имеет силу тяжести F,  равную 9, 81 ньютон Н (F=9,81 Н).
При падении на лопасти турбины с высоты напора в h метров, килограмм массы воды совершает работу (имеет кинетическую энергию) А, равную F•h  джоулей (А=F•h дж.).

  То есть, в камере рабочего колеса действует только сила тяжести, и направлена она вниз.  А для отрыва крышки и подъёма ротора необходима  направленная вверх сила тяги. Её при работе турбины в камере рабочего колеса быть не должно. И, как описано в [1], фактически такой силы перед аварией агрегата в камере рабочего колеса не было.

  А наличие давления под крышкой турбины обусловлено особенностью конструкции радиально-осевой турбины (РО-турбины). В ней поток воды падает не "НА" лопасти турбины, а входит по радиусу "В" лопасти.  И наличие давления над рабочим колесом, в полости, ограниченной крышкой турбины и верхним ободом рабочего колеса, есть следствие разработки зазора в лабиринтном уплотнении.
К тому же, для агрегата зонтичного типа, каковым является ГА-2, это давление не поднимает ротор, а, наоборот, прижимает его к статору турбины. 

  В гидроагрегате турбина преобразует кинетическую энергию падения массы воды в кинетическую энергию вращения ротора электрогенератора. А кинетическая энергия вращения ротора преобразуется в электрическую энергию в статоре генератора - в полезную нагрузку, снимаемую со статора генератора.
  При вращении ротора распределение вращающих моментов и моментов сопротивления вращению происходит по условию, приведённому выше: - «Mдв  = Mc + J • dw/dt», где:
- Мдв – движущий момент, передаваемый валу гидроагрегата, создаваемый потоком воды, проходящим через рабочее колесо гидротурбины;
- Мс – момент сопротивления (представляет собой сумму момента электрического, который составляет полезную нагрузку генератора,  и моментов, вызываемых, во-первых, сопротивлением трению в подщипниках, подпятнике и в вентиляции гидроагрегата, во-вторых, электрическими потерями и пр.);
- J – момент инерции ротора генератора;
- w – угловая скорость вращения ротора.

  Если в процессе работы гидроагрегата произойдёт уменьшение полезной нагрузки, являющейся основной составляющей момента сопротивления, то равенство сразу же нарушится. Избыток движущего момента над моментом сопротивления пойдёт на увеличение составляющей  J • dw/dt , что резко увеличит динамические нагрузки элементов конструкции ротора.

  Ротор состоит из следующих основных элементов: вала, остова, обода и полюсов, расположенных по периферии обода.
Наружный диаметр ротора 11,8 м. по полюсам и 11 м. по ободу, а вес в собранном виде – 912 т.
  Остов ротора спицевый, состоит из втулки и спиц. Спицы изготовлены сварными в виде балки двутаврового сечения с приваренными и обработанными внутренними и наружными торцевыми плитами. К втулке спицы крепятся болтами через внутренние торцевые плиты.
  Обод по высоте разделяется на ряд пакетов, набранных из отдельных сегментов и стянутых шпильками.
  Полюсы генератора состоят из сердечника и обмотки возбуждения. Сердечники полюсов выполняется из опрессованных и стянутых между собой тонких штампованных листов электротехнической стали. С тыльной стороны сердечники имеют хвостовики таврового сечения, которые входят в соответствующие пазы обода и расклиниваются в них парными клиньями.

  Закрепление обода на спицах производится парными встречными клиньями, устанавливаемыми с предварительным разогревом обода. При необходимости клиньями может быть исправлена небольшая неконцентричность обода.

  В нижней части обод опирается на выступы-заплечики наружных торцевых плит, а сверху он фиксируется шпонками.

  В чём слабость такой конструкции. Прежде всего, в том, что конструкция спицевая. В зависимости от габаритов применяются два вида остовов ротора: дисковые и спицевые. При диаметре ротора до 4 м остов с ободом представляет единую конструкцию и изготовляется неразъемным в виде цилиндра из набора отдельных дисков, насаживаемых непосредственно на вал. При диаметре до 8 м могут изготовляться дисковые разъемные остовы, а при диаметре свыше 8 м применяются спицевые разборные остовы.

  Спицевые остовы роторов по сравнению с дисковыми имеют наименее надежную конструкцию и слабо воспринимают вращающий момент.

  Но основная слабость этой конструкции – это слабое закрепление очень большой массы обода на остове, имеющем сравнительно небольшую крутильную жёсткость.
  При резком возрастании  составляющей J • dw/dt такая конструкция ротора начинает работать как торсион (от фр. torsion — скручивание, кручение), испытывающий крутильные колебания. А величина составляющей является «начальной амплитудой» этих колебаний.
  При скручивании спиц ослабляется натяг между ободом и клиновыми частями шпонок обода, установленными на клиновые полосы спиц. Скручивание приводит также к выползанию клиновых частей шпонок из пазов. Работа гидрогенератора с ослабленной расклиновкой обода приводит к повышенному биению вала и вибрации направляющих подшипников.
  А ударное изменение J • dw/dt  приводит к «забитию» пазов в наружных торцевых плитах спиц и в ободе, что может привести к потере сцепления и проворачиванию остова относительно обода. И даже к сползанию обода с остова.

  Что и произошло в то августовское утро.