Самый главный страх обывателя, живущего неподалёку от любой ГЭС — это то, что плотина не выдержит. Страшно. Страшно, что вода смоет тело плотины, или перевернёт весь этот бетонный щит, или просочится по трещинам, или хотя бы перехлестнёт через гребень — а уж тогда все эти накопленные в водохранилище миллионы кубометров устремятся вниз, сметая всё на своём пути. И число жертв рукотворного цунами пойдёт на многие десятки тысяч...

Необходимое пояснение: материал ниже не является развлекательным технотриллером, этаким сценарием для фильма катастрофы. Не является он также и строгим техническим расследованием.Это — минимальный технический ликбез.Если в результате прочтения у людей отложится в головах кое-какое грамотное понимание, и они станут меньше повторять дурацких сплетен, значит моя цель достигнута.

Текст разбит на две половины — обе в одной статье для вашего удобства.

Половина первая: вода и бетон

Иркутская область, Братская ГЭС на реке Ангара. Ночь с 16 на 17 августа 2009

В ту злополучную ночь в 20:20 МСК (01:20 местного времени) на пульт пожарной охраны поступает сообщение о пожаре в аппаратном зале ООО «Иркутскэнергосвязь», размещенного в арендуемом у Братской ГЭС помещении.

Дальнейшее расследование показало, что никакого возгорания не произошло — короткое замыкание «всего лишь» вывело из строя несколько шкафов с электронным оборудованием. Повреждённая электроника никак не была задействована в технологическом процессе и вся эта авария, казалось бы, угрозы для деятельности Братской ГЭС не представляла.

Но из строя вышло оборудование связи диспетчерских служб: турбинный цех понятия не имел, что творится у гидроцеха; машинисты кранов не могли доложить обстановку механикам; а на пульт дежурного инженера станции не поступала информация о работе генераторов: их частоте, мощности, токах и напряжениях. Электростанция ослепла.

Центральный пульт управления Братской ГЭС

Впрочем, на дворе стоял уже XXI век, и мобильная телефонная связь всё-таки позволила продержаться на плаву. Так или иначе, но той же ночью работа Братской ГЭС была продолжена в штатном или почти штатном режиме. Кого-то ожидали напряжённые ремонтные работы, кому-то светили выговоры и штрафы, но в целом, казалось бы, всё обошлось…

Но падение выработки электроэнергии — вещь немыслимая. Если какая-то из электростанций снижает свою производительность, то необходимо немедленно повышать выработку на других электростанциях. Единая энергосистема России — она на то и единая, чтобы всегда существовала вот такая возможность подхватить, поддержать, продублировать.

И это злосчастное короткое замыкание откликнулось страшным эхом в более чем тысяче километрах к западу от Братска. В Хакасии. В 20:31 МСК (00:31 местного времени) электроагрегат №2 Саяно-Шушенской ГЭС был выведен из резерва и запущен в работу.

Через восемь часов произойдёт катастрофа, которая заберёт семьдесят шесть жизней, уничтожит сложнейшего оборудования на астрономические суммы и нанесёт страшный удар по репутации гидростроителей и энергетиков.

Как это выглядело

Республика Хакасия, Саяно-Шушенская ГЭС на реке Енисей. Утро 17 августа 2009

Всё случилось утром. Заурядном летним утром понедельника — дня начинающего очередную рабочую неделю. И в восемь утра подавляющее большинство персонала электростанции разошлось по кабинетам начальников участков, где шли рабочие совещания: составлялись планы работ на неделю, оформлялись наряды-допуски, проводились инструктажи перед началом работ.

Машинный зал стоял полупустым: большинство находившихся там людей были дежурными ночной смены, передававших дежурство дневной смене, а остальные — безобидными уборщицами или ВОХРовцами, которые понятия не имели, что станция уже вышла в запрещённый режим работы.

Ощущали ли они в последние минуты, что пол в здании вибрирует сегодня как-то сильнее обычного? Наверное, никто этому не удивился: в конце концов, вибрация в машинном зале не утихает ни мгновение, а сейчас в работе были целых девять агрегатов из десяти — и это неслыханная редкость: как правило, в работе одновременно находятся пять-семь.

В 04:13 МСК (08:13 местного) в месте установки агрегата №2 происходит мощный хлопок. Дальнейшее напоминает взрыв — мощное давление воды откуда-то снизу выламывает крышку повреждённого агрегата, который вылетает как пробка из бутылки. Вращающаяся турбина поднимается на 12 метров и падает, переворачивается набок и как огромная фреза разламывает бетонное основание своего посадочного гнезда. Из пролома бьёт фонтан такой силы, что по белоснежному стеклянно-мраморному зданию машинного зала прокатывается цунами. С этого момента электростанция была обречена.

Так машинный зал выглядел до катастрофы 2009 года

Электроагрегат №2 вскоре после катастрофы и вызванные им разрушения бетонных конструкций.

И вот здесь появляется большой соблазн начать смаковать подробности катастрофы. Развешивать ярлыки. Назначать виновных. Публиковать фотографии с изувеченными человеческими телами и уничтоженной аппаратуры. Прогнозировать будущие катастрофы — одна другой кошмарнее.

Но я предлагаю вам сейчас остановиться, на время отвлечься от событий того трагического понедельника. Давайте-ка мы лучше трезво и взвешенно попытаемся немного разобраться что к чему в гидроэнергетике.

Плотина и электростанция

Самый главный страх обывателя, живущего неподалёку от любой ГЭС — это то, что плотина не выдержит. Страшно. Страшно, что вода смоет тело плотины, или перевернёт весь этот бетонный щит, или просочится по трещинам, или хотя бы перехлестнёт через гребень — а уж тогда все эти накопленные в водохранилище миллионы кубометров устремятся вниз, сметая всё на своём пути. И число жертв рукотворного цунами пойдёт на многие десятки тысяч.

И, возможно, следующая фраза вам покажется бредом сумасшедшего, но в ходе катастрофы 2009 года плотина СШГЭС не пострадала.

Плотина. Не. Пострадала.
Так что же произошло?

Очень-очень часто в единую кашу смешивают понятия «плотина» и «гидроэлектростанция». В чём здесь разница?

Плотина — сооружение, которое создано с целью удерживать воду, заставляя её наполнять водохранилища. Может ли плотина не содержать в себе электростанции? Ещё как может: человечество активно строило плотины за многие тысячелетия до того, как познакомилось с электричеством. Плотины создавали резерв воды на случай засухи; плотины спасали прибрежные территории от наводнений; плотины искусственно осушали русла рек для будущего строительства и отводили воду в другие русла, каналы или трубопроводы.

Теперь что касается электростанций. Практически все используемые ныне промышленные электростанции требуют главного — чтобы кто-нибудь как следует раскрутил вал вращающейся части электрогенератора. Раскручивать может всё что угодно: пар, разогретый в угольной котельной или ядерном реакторе; дизельный электродвигатель; да хоть ветряная мельница или лошади (или даже крепкие мужики), крутящие вал своими мускулами. Если мы строим именно гидроэлектростанцию, то плотина ей нужна, по сути, с единственной целью: заставить воду падать на лопатки турбины с как можно бОльшей высоты и тем самым заставлять вал крутиться быстрее. Можно ли построить гидроэлектростанцию совсем без плотины? Да, можно: например, используя естественные водопады (кстати, если кто не в курсе, ГЭС есть даже на Ниагарском водопаде). Были попытки строить ГЭС и на энергии приливных волн, и на фонтанах гейзеров, но это уже экзотика.

Как только первые слухи об аварии на СШГЭС докатились до городов ниже по течению Енисея (Саяногорск, Минусинск, Абакан), население охватила паника: вереницы машин рванули из городов на холмы и сопки; запасы бензина во всех АЗС были скуплены за считанные минуты; перепуганные беженцы смотрели с холмов на свои дома, с минуты на минуты ожидая чудовищного наводнения. Большинство из них не сомневались, что здание плотины СШГЭС выглядит приблизительно вот так:

Здание плотины ДнепроГЭСа, разрушенное в ходе военных действий, сентябрь 1941

Здание плотины ДнепроГЭСа, разрушенное в ходе военных действий, сентябрь 1941

Однако, если бы эти люди не отправлялись в бегство от СШГЭС, а напротив, приблизились к ней, то могли бы убедиться в том, что катастрофа привела в полную негодность электротехнические сооружения: машинный зал с турбинами и генераторами, трансформаторные подстанции, коммутационную аппаратуру. Однако же тело плотины осталось неповреждённым. Водоводы (бетонные трубы, направляющие воду к турбинам), кажется, вообще ничего не заметили. И галереи внутри тела плотины остались сухими.

Вблизи машинный зал выглядел полностью разрушенным...

Однако, по контрасту с разрушенным машинным залом, тело плотины выглядит неповреждённым

На удалении от плотины вы, возможно, вообще ничего не заметите

Трещины

Республика Хакасия, Саяно-Шушенская ГЭС. 1991 — 1995.

Не стану осуждать напуганных беженцев: люди слишком насмотрелись на голливудские кинокатастрофы и с лёгкостью уверовали в худшее.

Я позволю себе такую аналогию: плотина — это ваша рука, а электростанция — часы, надетые на запястье. Можно ли повредить часы, так, чтобы их оставалось только выбросить, а рука при этом осталась полностью здоровой. Конечно. Именно так и произошло в августе 2009 года.

Но почему же при аварии именно на СШГЭС с такой готовностью поверили в обрушение плотины? И почему обыватель с готовностью ждал прорыва плотины именно здесь?

Да потому, что у нас, в Хакасии, очень хорошо помнили, что полтора десятка лет назад, если пользоваться нашей аналогией, «часы» были идеально исправными. А вот «рука» больна: в бетонном теле плотины начали расти трещины. И фильтрация воды сквозь трещины с каждым годом росла. Болезнь нашей «руки» требовала самого серьёзного лечения. Но всё шло совсем не гладко: осушать водохранилище совершенно невозможно, спасение только одно — бурить в бетоне проходы к трещинам и под огромным давлением нагнетать внутрь трещин герметизирующую смесь: сперва пробовали использовать цементные смеси, а затем и всевозможные пластиковые смолы. Долгое время гидротехников преследовали неудачи: вода выдавливала пломбы наружу, а рост трещин продолжался.

Перелом наступил летом 1996, когда наконец-то научились вести герметизацию оптимальным образом.

Забегая вперёд, замечу, что лечение (ремонт) прошло блестяще и дало самые лучшие результаты, по сути, полностью решив проблему трещинообразования в бетоне и фильтрации воды сквозь эти трещины уменьшилась в сотни (сотни!) раз. Но кто же из обывателей обратит внимание на такую скучную вещь, как хорошо выполненный ремонт? Все превосходно помнят видеосъёмки галерей в теле плотины, где из трещин в стене били фонтанами кинжальные струи воды. Это эффектно, это страшно, это будоражит воображение… И никто не заметит кадров этих же галерей спустя сутки после ремонта: сухоньких, без единой капельки воды. Такова уж людская природа.

Конструкция плотины

И всё-таки, какие бы неприятности не создавала фильтрация для гидротехников, плотина была и остаётся слишком надёжной, чтобы какие-то трещины помешали бы ей сдержать напор могучего Енисея. Что даёт ей такую возможность?

Давайте рассмотрим две плотины ГЭС: хорошо известную Саяно-Шушенскую и прячущуюся в её тени Майнскую. Они расположены каскадом, одна за другой (Майнская ниже по течению приблизительно на 20 км), и поток воды, пробегающая через водоводы обеих плотин одинаков, но устройство плотин принципиально различается.

Майнская ГЭС имеет плотину гравитационного типа

Расчётный перепад уровней воды на Майной ГЭС 17 метров

Как видите, Майнская плотина совершенно прямая. Она невысокая (перепад высот в верхнем и нижнем течении составляет всего 17 м) и веса этого ровного «кирпича», лежащего поперёк течения, вполне хватает, чтобы сдерживать напор. Плотины такого типа называют гравитационными: они сдерживают поток воды одной лишь своей тяжестью. Совершенно необязательно такую плотину целиком изготавливать из бетона — частенько в тело плотины идут кирпич, булыжник и просто насыпной грунт (лишь плотина была достаточно тяжёленькой). А чтобы тяжести точно хватило с запасом, гравитационные плотины строят довольно толстенькими. Практически все плотины, построенные на равнинах (или в горах со сравнительно небольшим перепадом высот) — гравитационные. Но всё меняется, когда строители замахнутся перекрыть течение реки в глубоком каньоне или ущелье.

Конструкция Саяно-Шушенской принципиально другая. Арочная. Арка — это вообще гениальное изобретение в архитектуре. Трапециевидные кирпичи, из которых собирают единую дугу, прекрасно принимают давление извне окружности и перераспределяют его и направляют вдоль дуги. В случаях с плотинами это означает, что как бы вода не стремилась прорваться сквозь окружность, бетон не сдвинется внутрь, а перенаправит давление в скалы. А уж массы окрестных гор с избытком хватит, чтобы удержать напор Енисея.

Ещё одно принципиальное отличие: если гравитационная плотина валяется этаким «кирпичом» поперёк русла, то вода тщательно пытается выдавить элементы конструкции вперёд, и удержание их на месте — чистейшее противостояние нагрузке на растяжение и изгиб. Арка же за счёт своей геометрии естественным образом превращает деформации изгиба и растяжения в нагрузки на сжатие.

И здесь необходимо понимать: бетон — это такой материал, в котором идёт медленная реакция: под воздействием воды цементная смесь меняет свой химический состав (схватывается) и, как результат, затвердевает. Довольно быстро эта реакция идёт первые сутки, и спустя пару дней после приготовления бетонного раствора мы искренне считаем, что всё закончилось. Но на самом деле реакция замедлилась, но всё ещё продолжается. Годами. Десятилетиями. Да что там десятилетия — бетоны уложенные ещё в Римской Империи до сих пор продолжают схватываться

А вывод простой сжатие для бетона — идеальное состояние: чем сильнее его сдавливаешь, тем крепче он становится. Сдавливание подстёгивает ход реакции и формирует структуру. А вот изгиб и растяжение бетон терпеть не может: для него это чревато трещинообразованием и выкрашиванием.

Но и здесь не всё так гладко. Хоть на Саяно-Шушенской ГЭС перепад уровней в верхнем и нижнем течении превышает четверть километра, но она отнюдь не самая высокая в мире (есть и значительно выше). Но она очень широкая для арочной: замахнуться построить плотину с длиной дуги более километра по гребню — это ненормально много. Ни одна арочная плотина столько не выдержит. Поэтому пришлось сотворить этакий гибрид, плотину арочно-гравитационного типа: хоть в верхней части тело плотины и тоненькое, как и у всякой арочной, но нижние её ярусы толстые и тяжёлые как у гравитационных. Нигде в мире раньше подобных гибридов не создавали, поэтому плотина оказалась экспериментальной, и как водится, когда никто не знает, как такой гибрид себя поведёт, везде закладывали повышенный запас прочности. Насколько хорошо — теперь можно только гадать. И не переставать вести наблюдение за телом плотины и не скупиться на планово-предупредительные ремонты.

Слева направо: восточная глухая часть плотины; водосбросная часть плотины; станционная часть плотины; западная глухая часть

Разрез плотины в западной части (станционная часть плотины и машинный зал)

Разрез плотины в восточной части (водосбросная часть плотины и водобойный колодец)

Вода из верхнего бьефа (водохранилища) попасть в нижний бьеф может двумя путями: основной путь — попасть в водозаборники бетонных труб в западной (станционной) части плотины, а оттуда всей мощью давления в 240 метров водяного столба (24 атмосферы) надавить на лопатки турбин в машинном зале, раскручивая их. После чего, покидая турбинную камеру, вода уже оказывается в нижнем течении.

Второй путь открывается только вовремя паводков: излишки воды через водосбросы в восточной части плотины сбрасываются в водобойный колодец, где несколько гасят скорость, после чего опять же текут по ениссейскому руслу дальше на север.

Существует в настоящее время и третий путь — это береговой водосброс. Но в 2009 году он ещё не был построен.

А теперь давайте поглядим на разрезы тела плотины. Мы видим, что и водосбросы, и водоводы, и машинный зал — это всё, по сути, лишь пристройки с внутренней стены арки. Любой происшествие, происходящее с водосбросами или с электростанцией — это событие внешнее. С точки плотины всё, что случилось с машинным залом, произошло уже где-то там, ниже по течению.

Так. Пожалуй, для первой половины достаточно. Надеюсь, мне удалось ответить на вопрос «Как устроено тело плотины, почему катастрофа августа 2009 не могла повредить телу плотины, и почему гигантского цунами в Хакасии не произошло».

Половина вторая: вода и гидроагрегаты

Здесь рассмотрим устройство электрогенератора, гидротурбины и кратко рассматриваются вероятные причины, вызвавшие запредельную вибрацию агрегата.

Дальнейший разговор невозможно продолжать без хотя бы минимального понимания устройства турбинного и электрогенераторного оборудования. Начнём с азов (электротехники могут этот раздел смело пролистать).

Принципы работы электрогенератора

Положите на столе отрезок электрического провода, а рядом с ним магнит. До тех пор, пока оба эти предмета неподвижны, ничего интересного не произойдёт. Но стоит пустить по этому проводу электрический ток, как он создаст вокруг провода магнитное поле. И тогда магнит, лежащий рядом, начнёт реагировать — и если созданное поле окажется достаточно сильным, то наш магнит постарается развернуться вдоль силовых линий этого магнитного поля.

Ток, бегущий по проводам, создаёт вокруг себя магнитное поле. Скручивание провода в катушку поверх стального сердечника многократно увеличивает напряжённость магнитного поля

А как магнитное поле сделать достаточно сильным? Очень просто: скрутите этот провод в кольцо и поместите магнит внутрь кольца — эффект усилится. Чтобы усилить его ещё сильнее, намотайте провод на катушку: сколько витков вы намотаете, во столько раз усилится поле, и во столько раз увеличится воздействие на магнит. Если витков будет достаточно много, а ток окажется достаточно сильным, то катушка сгенерирует магнитное поле такой высокой напряжённости, что магнит вылетит из него, как снаряд из пушки. (Важно: провод обязательно должен быть изолированным).

Слева — магнитное поле распрямлённого электропровода. Справа — поле внутри катушки.

Самое замечательное, что этот процесс полностью обратим: если вы начнёте принудительно двигать магнит внутри катушки, то поле нашего магнита само создаст в обмотках катушки электрический ток. И вот вы прошли уже полпути до превращения пары «магнит + катушка» в генератор электричества.

Идём дальше: вставляем в нашу катушку здоровенный стальной стержень (важно: стержень должен быть значительно длиннее катушки). Этим мы сразу достигаем двух целей: во первых, железо и некоторые его соединения (ферромагнетики) в несколько раз усиливают внутри себя магнитное поле; а во-вторых и в главных, теперь нет необходимости запихивать магнит внутрь катушки — его можно перемещать и снаружи: ферромагнитный сердечник прекрасно «поймает» силовые линии магнитные поля снаружи катушки и «затащит» их внутрь.

Осталось сделать последний шаг: замкнуть наш ферромагнитный сердечник в кольцо, поместить магнит внутрь кольца и заставить его там вращаться. Готово: мы создали генератор переменного тока. В промышленной электротехнике, используют, как правило, не одну, а три катушки, поделив единое кольцо на три дуги по 120⁰. Таким образом, мы получили не одну, а три цепочки тока. Такой генератор называют трёхфазным.

Но ведь мы собираемся построить просто огромный генератор. Где мы найдём магнит таких гигантских размеров? Конечно же, вместо металлического магнитика нам и в роторе предстоит использовать катушки, по которым надо пустить ток. Важно: магнитное поле в роторе должно быть вращающимся, но постоянным по величине — значит и ток в катушку ротора подаётся постоянным (ток возбуждения).

Рис. 1. Упрощённая структура электрогенератора трёхфазного переменного тока — Упрощённая структура электрогенератора трёхфазного переменного тока

Частота вращения центрального магнита строго стандартизована: 50 оборотов в секунду (у американцев принято 60) — и это и есть те загадочные цифры 50 Гц, которые написаны у вас на каждой розетке. Вращающая часть генератора называется ротором, неподвижная — статором. Уточню сразу: вращать ротор с частотой 50 Гц — в нашем случае недостижимо. Ротор гидроагрегата СШГЭС рассчитан на 142,8 об/мин (чуть больше 2 Гц). У подобных тихоходных генераторов для достижения требуемой частоты тока просто устанавливают в роторах не одну электромагнитную катушку, а несколько.

Анатомия электрогенератора

До сих пор мы просто вспоминали школьную физику. Пора переходить к уже реально существующим генераторам.

Как мудрёно не был бы устроен электрогенератор, он совершенно бесполезен до тех пор, пока что-то не начнёт раскручивать ротор. И роль этого чего-то на ГЭС выполняет турбина, или, как обычно её называют гидротехники, рабочее колесо. Турбина выполняет свою главную задачу — вращаться. Вращаться именно с той частотой, которая необходима. А это задачка нетривиальная: ведь высота столба воды, давящей на её лопатки, может в течение года основательно меняться. Бывают засухи и бывают паводки. Бывает сезонное таяние снегов в горах. Бывает, наконец, попросту экономическая необходимость обеспечить высокий поток воды, чтобы побыстрее наполнить расположенное ниже по течению Красноярское водохранилище. Итого, уровень воды в верхнем бьефе СШГЭС постоянно меняется. На сайте РусГидро указано, что турбины СШГЭС рассчитаны на работу в диапазоне напоров от 172 до 219 м.

Вдумайтесь: давление воды на лопатки турбины меняется в диапазоне плюс-минус полсотни метров воды (5 атмосфер). Но как бы ни скакал напор воды, турбина обязана обеспечить стабильную постоянную частоту вращения в течение тысяч часов непрерывной работы. И это ещё не всё: турбинный агрегат в сборе — дьявольски тяжёлая конструкция. А значит, дьявольски инерционная. И, стало быть, запуск агрегата в работу, вывод его на рабочие обороты, поддержание заданной скорости вращения, повышение или понижение (при необходимости) текущей частоты, и, наконец, торможение и остановка агрегата — всё это надо делать дьявольски аккуратно: плавно, постепенно и не допуская ни малейших отклонений от рабочих характеристик.

К чему это всё говорится — к тому, что вращением турбины необходимо управлять. Значит, необходимы устройства, обеспечивающие разгон и замедление турбины. Необходимы тормоза. Необходимо управлять всем этим дистанционно. И необходимо иметь возможность управления как человеком, так и автоматически.

Механизмы управления рабочим колесом имеет к гибели гидроагрегата самое непосредственное отношение. Поэтому ниже они будут разобраны подробно. А пока ограничимся тем, что масса рабочего колеса 154 тонны.

К этой массе добавьте ещё 242 тонны — столько весит вал с подшипниками и подпятником. А ещё на этом валу помимо рабочего колеса закреплён ещё и ротор генератора: приплюсуйте к нашей конструкции ещё 912 тонн. Всё это сверху прикрыто 379-тонной крышкой турбинного агрегата. Впрочем, крышка в полёте вырванного из креплений гидроагрегата не участвовала. Или всё-таки участвовала? Ну, если да, тогда и эти тонны приплюсуйте.

Листайте, тут 13 интересных фото. Вот выработавшее свой ресурс рабочее колесо. В восьмидесятые — нулевые было выставлено на месте нынешней смотровой площадки в качестве памятника — Выработавшее свой ресурс рабочее колесо. В восьмидесятые — нулевые было выставлено на месте нынешней смотровой площадки в качестве памятника

Рабочее колесо гидроагрегата, насаженное на вал. Сверху на валу крепится ротор генератора.

Рабочее колесо и вал гидроагрегата во время очередного планово-предупредительного ремонта (март 2004)

Для чего я сейчас так подробно прописываю массы разных компонентов агрегата? Для того, чтобы до вашего сознания достучалась жуткая цифра: мощь гидроудара, уничтожившего агрегат, оказалась достаточной, чтобы на высоту пятого этажа поднять конструкцию весящую более 1300 тонн (прописью — тысячу триста тонн с лишком. Это масса двух заполненных с горкой карьерных «БелАЗов»).

И не медленно, потихоньку, поднять шажок за шажком, а зашвырнуть одним махом за считанные доли секунды!!!

Турбина идёт вразнос

Сейчас самое время разобраться, как в турбинном агрегате неуправляемый бешеный поток воды превращается в точно рассчитанную скорость вращения рабочего колеса.

Шаг первый: вода из верхнего бьефа попадает в водозаборник, после чего устремляется вниз по бетонной трубе водовода. Перепад высот чуть менее четверти километра. Внутренний диаметр водовода постоянен на всём его протяжении — 7.5 метров (наружный диаметр 15 метров).

Шаг второй: вода достигла уровня турбины и водовод переходит в спиральную камеру (на жаргоне гидротехников — «улитку»). Она выполняет две функции: во-первых, плавно сужает диаметр с семи метров до трёх (тем самым ещё сильнее повышая скорость потока). Во-вторых и в-главных, «улитка» закручивает поток воды и превращает прямолинейный поток воды в сужающуюся спираль.

Зачем? Довольно очевидно: если мы рассмотрим классическое водяное колесо, известное нам со времён средневековых водяных мельниц, то у него довольно низкий КПД. Вот на рисунке колесо имеет шесть лопастей, но в работе участвует в каждый момент только одно или две; остальные — мёртвый груз. Турбина же внутри «улитки» лишена этого недостатка: поток воды, закрученный в спираль, воздействует сразу на все лопасти рабочего колеса, резко повышая КПД.

Рис 18. Классическое водяное колесо — штука не особенно эффективная — Классическое водяное колесо — штука не особенно эффективная

Шаг третий: «Улитка» не герметична. Внутренняя её поверхность решётчатая, состоящая из пластин — это лопатки направляющего аппарата. Именно они заставляют воду в улитке ударять по лопастям турбины не абы как, а под нужным углом («углом атаки»), обеспечивая необходимую величину давления и, как следствие, нужную скорость вращения турбины, а вместе с ней и ротора.

А теперь самое важное — направляющие лопатки не являются неподвижными. Каждая из лопаток снабжена собственным сервомотором, позволяющим ей поворачиваться и менять угол атаки. Поворот лопаток направляющего аппарата — это и есть самый-самый основной механизм управления гидроагрегатом. Он выполняет ту же работу, что и дроссельная заслонка в вашем автомобиле: надавили на педаль газа — заслонка приоткрылась сильнее — значит в камеру сгорания подкинули больше горючей смеси — двигатель закрутится быстрее.

С лопатками направляющего аппарата та же история: повернул лопатки по часовой — струи воды ударили по рабочему колесу с бОльшим давлением — скорость вращения возросла; подкрутил лопатки против часовой — скорость вращения уменьшилась.

Нижняя часть водовода, спиральная камера и гидроагрегат

Вид с гребня плотины на водоводы. Тёмно-красные конструкции — главные трансформаторы. В верхней части фото видна крыша машинного зала.

Управление поворотом направляющих лопаток — чертовски ответственная задача: они должны быть идеально синхронизированы и поворачиваться все одновременно на точно выверенные доли градуса по команде из центрального пульта. Естественно, такую синхронизированность может создать только автоматизированная система управления, о которой ещё будет свой долгий и подробный разговор.

А вот несогласованность в работе лопаток, или их открытие не неоптимальный угол — всё это крайне серьёзно. Это не сулит ничего хорошего.

Основные подозреваемые в гибели агрегата

До сего момента речь шла о точно известных фактах, давным-давно описанных в справочниках или даже школьных учебниках. Теперь мы вступаем на зыбкую почву, где идёт жёсткая полемика экспертов, каждый второй из которых называет государственную комиссию по расследованию полными неучами.

Крышку гидроагрегата удерживают на месте 80 шпилек М80 (то есть, каждая из них диаметром чуть менее 8 см). На каждой из шпилек есть гайка, которая должна быть не только накручена, но и затянута — и сила затягивания гаек должна быть такой, чтобы сопротивляться чудовищной силе воды, давящей снизу.

К чему я всё это? К тому, что разорвать все 80 шпилек разом невозможно — их необходимо долго и энергично раскачивать вибрацией. Задача чуть упрощается когда гайки ослаблены — но и их для ослабления тоже надо подвергать мощной вибрации.

А откуда вообще может взяться вибрация? От неравномерностей. Любых неравномерностей. Они могут быть какими угодно: турбина закреплена на валу неидеально по центру или центровка нарушилась уже в ходе эксплуатации; ослабление подшипников и следующие за ними биения вала, неравномерный поток воды по водоводу, несинхронная работа направляющих лопаток… список можно продолжать долго.

Важно здесь то, что вибрация не возникает мгновенно. Вал сперва по любой из причин начинает чуть-чуть колебаться, потом колебания могут усиливаться или ослабляться. Почему? Из-за самого заурядного резонанса: идёт взаимодействие двух колебаний: одно- это та самая вибрация, вызванная одной из сотен возможных несбалансированностей, а вторая — вращение самого вала с турбиной и ротором. И, как мы все знаем из школы, в случае, когда частоты этих колебаний оказываются близкими, то происходит резкое скачкообразное увеличение амплитуды колебаний (проще говоря, то, что ещё совсем недавно лишь чуть-чуть вибрировало, внезапно начинает бешено раскачиваться).

За многие годы эксплуатации гидроагрегатов на СШГЭС была эксперимента составлена диаграмма частот, при которых велика опасность резонанса. И в рабочих картах было чётко отмечено: не допускать длительной работы агрегата на таких-то опасных частотах! То есть, медленнее — нормально, быстрее — тоже нормально, а вот эту опасную зону надо быстро проскакивать, пока не случился резонанс.

Зона 2 на этой диаграмме подписана деликатно: «эксплуатация не рекомендуется». На самом деле это означает: «нельзя здесь задерживаться! немедленно уходи в зону 1 или зону 3»

«…Для постоянной эксплуатации турбин рекомендуется диапазон мощностей, соответствующих зоне III, в которой КПД турбин имеет максимальное значение, пульсации давления в проточной части минимальны, вибрационное состояние турбин оценивается как хорошее. Разрешается работа турбин в зоне I, в которой уровень динамических характеристик является допустимым, но уровень КПД турбин низкий.

Работа турбин в зоне II не рекомендуется, а в зоне IV (за линией ограничения мощности) — не допускается. При работе в зоне II работа турбины сопровождается сильными гидравлическими ударами в проточной части и значительными шумами, уровень динамических характеристик остается недопустимым...»

(из «Акта Технического расследования причин аварии, произошедшей на Саяно-Шушенской ГЭС 17 августа 2009 года»)

Положение лопаток направляющего аппарата (НА), и уровень биений (красный график). Если сопоставить эту диаграмму с предыдущей, то увидим, что авария произошла где-то в районе 320 мм открытия НА — именно здесь пульсация даёт максимальное значение

Государственная комиссия в Акте технического расследования указала, что шпильки, крепившие крышку, будто бы были сильно изношены и вследствие усталости металла утратили надёжность. Позже ходили ещё и сообщения о том, что ряд гаек был попросту незатянут.

Пока я готовил к публикации эту статью, мне встретилось множество более или менее правдоподобно изложенных гипотез. Все они сопровождались солидными математическими выкладками и результатами компьютерного моделирования. Все они спорили друг с другом, но и в чём-то и дополняют.

Главное, в чём сходятся авторы самостоятельных расследований, это то, что слова об изношенности шпилек — чушь: поверхности срезанных шпилек показывают состояние металла, нехарактерное для старых трещин.

Многократно на основании самых разных моделей авторы утверждают, что сила стихии была такая, что её не остановили бы даже новенькие шпильки, только что вышедшие с завода.

Доводилось читать и такое, что злосчастный гидроагрегат №2 прошёл плановый ремонт. И все необходимые процедуры, связанные с ревизией металлоконструкций и затяжкой гаек провели именно те люди, кого утром 17 августа похоронила волна. Крайне удобно: обвинить во всём покойных.

Но каков же был механизм, вызвавший такие запредельные значения вибрации?

Кандидат №1 — кавитация. До сих пор мы говорили лишь о давлении неподвижной воды. И измеряли его в 240 метров водяного столба (или 24 атмосферы). Но дело-то в том, что вода движется, да ещё как движется. Знаменитый физик Бернулли ещё в XVIII веке доказал, что при течении воды по трубе с ростом скорости падает давление внутри потока. А уже в ХХ веке этот эффект превратился в проклятие для гидронасосов и корабельных гребных винтов.

А что происходит? Когда скорость вращения гребного винта (или турбины) растёт, то вблизи вала образуется область настолько низкого давления, что растворённый в воде воздух нажинает образовывать пузырьки, которые мал-помалу растут и сливаются в единый пузырь, имеющий форму жгута. Это явления называется кавитацией (каверна — полость).

Откуда берутся эти пузыри? Попросту, вода закипает. Вода у нас, как известно при понижении давления начинает кипеть и при низких температурах (лично наблюдал, как в альпинистском лагере на высоте 5 тысяч метров вода кипела при 80 по Цельсию). Выделившиеся при кипении пузырьки вихрь слепляет воедино. Самое страшное здесь — получается, что гребной винт (или турбина) оказывается вращающимся уже не в воде, а на воздухе. Что происходит? Лопасти разрушаются! А уж даже малейшее повреждение лопастей турбины немедленно вызывает разбалансировку и биения вала.

Образование кавитационных полостей. Внизу рисунка два графика: один составлен на основе компьютерного моделирования, второй — на основе экспериментов. Оба предсказывают, что при уменьшении частоты вращения до 0.5 Гц следует ожидать мощных всплесков вибрации

Характерный внешний вид для шпилек, разорванных в момент катастрофы: кристаллическое крошево на всей поверхности разрыва имеет одинаковый свежий вид. У шпилек, которые бы перенесли усталость металла, на поверхности разрыва старые трещины выглядели бы тёмными, окислившимися. (Сразу оговорюсь — это не те шпильки, которые крепили крышку агрегата. Просто хорошая иллюстрация свежего разрыва)

вот здесь уже точны видны следы усталостного излома шпилек — Вот здесь уже точны видны следы усталостного излома шпилек

Кандидат №2 — помпаж. Автор этой гипотезы пошёл ещё дальше. По его утверждению, на СШГЭС произошло явление, новое для гидротехников, но прекрасно известное авиастроителям. Википедия описывает это явление так:

«Помпа́ж (фр. pompage — колебания, пульсация) — срывной режим работы авиационного турбореактивного двигателя, нарушение газодинамической устойчивости его работы, сопровождающийся хлопками в газовоздушном тракте двигателя из-за противотока газов, дымлением выхлопа двигателя, резким падением тяги и мощной вибрацией, которая способна разрушить двигатель. Воздушный поток, обтекающий лопатки рабочего колеса, резко меняет направление, и внутри турбины возникают турбулентные завихрения, а давление на входе компрессора становится равным или бо́льшим, чем на его выходе…

Помпаж вызывается сильными отклонениями в работе двигателя от расчетных режимов:

разрушение и отрыв лопаток рабочего колеса (например, из-за старости);

попадание в двигатель постороннего предмета (птицы, снега, фрагмента бетонного покрытия)»

На совести помпажа сотни разрушенных реактивных двигателей и немало авиакатастроф. Если предположить, что это явление случилось не в воздухе, а в воде, то масштабы разрушений (с учётом того, насколько вода более плотная среда, чем воздух) должны оказаться просто гигантскими.

Так возникает помпаж: при точно выверенном угле атаки, струи воздуха плавно обтекают лопатки турбины. При слишком малом или слишком большом угле атаки с одной из сторон лопаток образуется зона завихрений, которая работает также, как и кавитационные пузыри — деформирует или полностью разрушает лопасти турбины

Экспертов, признанных строгой академической наукой, высказалось много. Самоучек — ещё больше. И калейдоскоп версий всё множился.

Кто-то главной причиной повышенной вибрации называл вертикальную несимметричность спиральной камеры. Другие указывали, что первопричиной катастрофы явилось заклинивание рабочего колеса гидротурбины гидроагрегата №2.

Были и такие, что называл главной причиной вибрации то, что диаметр бетонной трубы водовода будто бы больше, чем входной диаметр «улитки» и этот перепад диаметром обязан вызвать мощные завихрения. Вот это, уже, извините, выглядит как полная чушь — такую идиотскую детсадовскую ошибку проектировщики никак не могли допустить. Но даже если их выдающиеся умы прошляпили такой ляп на стадии проектирования, всё равно его мгновенно заметили бы уже на стройке. И устранили.

Цепная реакция

Гипотезы, так или иначе описывающие поведение металла, воды и бетона множатся. Я не возьмусь их разбирать в подробностях — не моя специальность. Да, в этом нет и необходимости — главный убийца, нанёсший агрегату №2 смертельный удар, а затем погубивший и все остальные агрегаты, известен.

Давайте мы вспомним начало статьи. Когда разбиралось устройство электрогенератора, мы отметили, что в роторе есть мощные электромагниты. Статор же представляет из себя катушку, в которой возникает электрический ток. Но до сих пор пор мы ни разу не упомянули о том, что в статоре тоже формируется своё вторичное магнитное поле. И оно активно взаимодействует с электромагнитом ротора. Как? Элементарно — изо всех сил пытается его затормозить. И, чтобы вращение не замедлялось и не останавливалось, вал надо принудительно раскручивать с очень неслабыми энергозатратами.

Но в ночь с 16 на 17 августа агрегат №2 многократно испытывал запредельные вибрации, которые в конце концов привели к тому, что вал начал совершать биения.

Агрегат ещё можно было попытаться спасти! Необходимо было немедленно выводить его из рискованной зоны резонансных частот. Или полностью выводить из работы, закрыв затвор на водозаборнике.

Но вместо этого в 08:13:24 начавший раскачиваться вал с ротором зацепил-таки обмотку статора и оборвал обмотки катушек. Короткие замыкания. Вспышки. И дальше случилось неизбежное: магнитные поля в роторе и статоре исчезли! До этого момента на рабочее колесо действовали две силы: разгоняющее усилие давления воды и электромагнитное торможение. Между этим противодействующими силами установилось равновесие. И внезапно тормозящая сила мгновенно исчезает...

Что это значило для агрегата? Попробуйте-ка разогнать автомобиль до хорошей скорости. Лучше всего — во время подъёма в гору. А потом (не убирая ноги с педали газа!) резко переключить на нейтраль. Что получится? Двигатель мощно заревёт и наберёт максимальные обороты, а стрелки тахометров уйдут в красную зону и зашкалят.

Высота этих бетонных колон и эстакады - 12 метров от уровня пола. На участке эстакады над местом установки агрегата №2 отчётливо видны следы, которые оставил агрегат, взлетевший в момент катастрофы

Электроагрегат №2, и без того потерявший устойчивость и управляемость… трясущийся от вибрации так, что это ЧП зафиксировала сейсмостанция в 4 км от СШГЭС… Агрегат стремительно начал разгоняться! Биения 1200-тонной махины усилились многократно и шпильки одна за одной принялись срываться. 319-тонная крышка агрегата сползла в сторону и то, что минуту назад было гидроагрегатом, вырвалось из турбинной шахты, взлетело на высоту 12 метров и рухнуло вниз, разламывая бетонное основание как огромная фреза.

В таком состоянии агрегат №2 находился в полдень 17 августа

То, что с момента исчезновения магнитного поля агрегат был обречён — это ещё не самое худшее. Страшнее то, что вода, хлынувшая из пролома, заполнила машинный зал и технический этаж. И, конечно же, закоротила все электрораспределительные устройства. На всех остальных восьми работавших агрегатах тоже в роторах выключилось магнитное поле! Каждый из агрегатов превратился в бомбу. Некоторые из них удержались-таки на своих креплениях, но агрегаты №7 и 9 оказались полностью разрушенными, а остальные получили в повреждения разной степени тяжести.Автор: Павел Шульц

Оригинал

Frontender`s Spectre

Август 2009. Катастрофа в Саянах

Экономика, вывернутая наизнанку

Всероссийский рейтинг IT-брендов работодателей 2024

Obsidian — Notion свободного человека