Одно из направлений, развиваемых в СЕФ ФИЦ ЕГС РАН, связано с изучением собственных колебаний, возникающих в водоводах гидротурбин. Для определения параметров динамических воздействий на агрегатные блоки от работы всех гидроагрегатов Саяно-Шушенской ГЭС (далее – СШГЭС), реконструированных после ее аварии, рамках договоров с ПАО «РусГидро» были проведены исследования колебаний их элементов в натурных условиях. С этой целью возле каждого из испытуемых гидроагрегатов, были установлены временные сейсмостанции и зарегистрированы колебания при различных эксплуатационных режимах в течение нескольких суток. Основной результат состоит в том, что амплитуды излучаемых новыми гидроагрегатами колебаний в окружающую среду существенно ниже, чем от старых гидроагрегатов, что свидетельствует об их улучшенном вибрационном состоянии. Но вместе с этим, было установлено, что при работе всех без исключения новых гидроагрегатов существуют интервалы нагрузок, при которых на порядок увеличиваются собственные колебания плотины (рис. 1). Такого эффекта у старых машин не наблюдалось. Из рисунка видно, что при нагрузках в 120–450 МВт амплитуды вибрации относительно невелики, ниже предельно допустимого уровня, в то время как амплитуды собственных колебаний плотины увеличиваются на порядок (до 10–20 раз). Таким образом, наблюдается взаимодействие между работающим гидроагрегатом и плотиной, приводящее к резонансному усилению колебаний.

Рис. 1. Анализ взаимодействий между работающим гидроагрегатом СШГЭС и плотиной. (а) – изменение нагрузок гидроагрегата №8; (б) – вибрации генераторного подшипника; (в, г) – показания сейсмического датчика в верхней части плотины: спектрограмма (в) и графики изменения амплитуд собственных колебаний плотины (г).

На гидростанциях проводится вибрационный контроль оборудования, однако взаимодействие гидроагрегатов с окружающей средой, приводящее иногда к значительным колебаниям различных конструкций ГЭС не отслеживается. Сильные вибрации возникают при совпадении излучаемых гидроагрегатом частот с собственными частотами различных элементов конструкций и отдельных сооружений. Нашими исследованиями показано, что основной причиной многократного (резонансного) увеличения амплитуд собственных колебаний плотины СШГЭС, постоянно наблюдаемого при определенных режимах работы гидроагрегатов, являются собственные гидроакустические автоколебания, возникающие в водоводах гидротурбин при течении воды. В качестве примера, на рис. 2 приводятся усредненные амплитудные спектры колебаний в вертикальном направлении, зарегистрированных на водоводе 2-го гидроагрегата, в нижней его части. Каждый из спектров построен для нагрузок от 300 МВт до 500 МВт, с шагом через 20 МВт в режиме без подачи (а) и с подачей (б) воздуха. Под обозначениями (в) и (г) дано схематическое изображение стоячих волн в трубах с одним и двумя открытыми концами. Из рис. 2а видно, что когда 2-й гидроагрегат работал в режиме без подачи воздуха в водовод, в низкочастотной части спектров можно выделить последовательность из 4-х колебаний, частоты которых не меняются со временем и составляют 1.7 Гц, 4.3 Гц, 6.7 Гц и 8.9 Гц. В случае, когда гидроагрегат работает в режиме с подачей воздуха, частоты первых 4-х колебаний уменьшаются.

Данные колебания являются первыми 4-мя модами стоячих волн в водоводе, это подтверждается следующим. Рассмотрим представленною на рис. 2в схематическое изображение сформировавшейся стоячей волны в трубе, один конец которой закрыт, а второй – открыт. Данная модель приближенно соответствует конструкции водовода, так как с одной стороны находится водохранилище (открытый конец), а с другой расположен гидроагрегат, препятствующий распространению волн (закрытый конец). В этой модели формируются стоячие волны таким образом, что 1-я мода соответствует 1/4 длины волны, 2-я мода – 3/4 длины, и так далее. У закрытого конца трубы находятся узлы смещений частиц жидкости при колебаниях; они же являются пучностями давления, возникающими при отражении волн от препятствия. Зная длину водовода, равную 241 м, и частоты колебаний, определенные по спектрам на рис. 2а, можно приближенно рассчитать скорость распространения акустических волн в водоводе. Она будет составлять, в среднем по 4-м частотам, 1380 м/с. Известно, что при газонасыщении жидкости, скорость распространения акустических волн уменьшается. Мы это наблюдаем по уменьшению частот, полученных со спектров в режиме, когда в водовод подается воздух (рис. 2б).

Рис. 2. Усредненные амплитудные спектры вертикальных колебаний, зарегистрированных на водоводе 2-го гидроагрегата СШГЭС, работающего в режиме без подачи (а) и с подачей (б) воздуха в водовод. (в) и (г) – схематичное изображение стоячих волн в трубе с одним закрытым концом и полностью открытой, соответственно. 1 – номер моды стоячей волны.

Мы также рассмотрели случай, когда формируются стоячие волны в открытой трубе. В этой модели формируются стоячие волны таким образом, что 1-я мода соответствует 1/2 длины волны, 2-я мода – 1 длины, и так далее (рис. 2г). Как известно, при аварии 17 августа 2009 года на СШГЭС после выброса 2-го гидроагрегата, поток воды из водовода хлынул в машинный зал и в отсасывающую трубу. То, что поток разделился на 2 части должно существенно усложнить поле стоячих волн. Предположим, что основная часть потока устремилась в отсасывающую трубу. Тогда общая длина трубы, даже без учета размеров спиральной камеры, составит не менее 278 м. Будем использовать эту величину для оценки скорости распространения акустических волн в потоке. В 4.4 км от СШГЭС расположена сейсмостанция «Черемушки», на которой были зафиксированы колебания, происходящие на гидроэлектростанции во время и после аварии (рис. 3). Из представленного рисунка видно, что после аварии, в течение примерно 20 минут (до 08:34:55 местного времени), в волновом поле наблюдается набор из 3-х колебаний с частотами 2.4 Гц, 4.7 Гц и 7.5 Гц. Мы полагаем, что эти колебания являются собственными колебаниями открытого водовода (возможно, вместе с участком отсасывающей трубы), а их прекращение через 20 минут после аварии связано с перекрытием водовода 2-го гидроагрегата персоналом ГЭС. Расчет показывает, что скорость распространения акустических колебаний в такой модели (в среднем, по 3-м выделенным модам) составляет около 1342 м/с. Это значение приближенно соответствует значениям, полученным для водовода, при работе гидроагрегата без подачи дополнительного воздуха в поток, а значит, наше предположение не противоречит принятой модели.

Рис. 3. Спектрограмма (а) и усредненный спектр (б) фрагмента сейсмической записи горизонтального (E) канала сейсмостанции «Черемушки» во время аварии на СШГЭС. 1 – номер моды собственных колебаний водовода.