Физики нашли способ «застраховать» ГЭС от аварий

Группа ученых выяснила, каким образом возникают потенциально опасные режимы работы оборудования гидро- и ветроэлектростанций. Полученные данные помогут повысить безопасность и эффективность работы турбинного оборудования в технологических устройствах, где используются закрученные потоки. Работа выполнена сотрудниками подведомственных Минобрнауки России Сибирского федерального университета (СФУ) и Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН. 

На фото: перезамыкание вихревого жгута и момент образования кольца в тракте модельной гидротурбины

Вихревые потоки — одна из характерных форм движения для текучей среды. Их структура и размеры разнообразны. Вихри образуются в природе, например, в реках или океанах, в воздухе (атмосферные потоки), а также в технических устройствах и механизмах. Люди научились использовать энергию вихревых потоков для создания подъемной тяги самолетов, разработки турбомашин и вентиляционных систем, а также для работы гидротурбинного оборудования на гидроэлектростанциях (ГЭС). Однако эта энергия может провоцировать разрушительные явления: приводить к авариям и масштабным поломкам на ГЭС.

Ученые провели комплексное расчетно-экспериментальное исследование турбулентного потока с различными режимами закрутки. Для этого они использовали гидродинамическую установку и численное моделирование. Полученные экспериментальные и теоретические результаты продемонстрировали, как происходит непериодическое перезамыкание вихревого ядра и образование вихревых колец, несущих потенциальную угрозу оборудованию, где используется энергия закрученных потоков.

На фото: гидродинамический стенд СФУ с турбиной Френсиса

«Наш научный коллектив занимается численным моделированием, в том числе применительно к гидротурбинному оборудованию. На протяжении длительного времени сотрудничаем с Саяно-Шушенской и Красноярской ГЭС. Одним из первых в мире нам удалось зафиксировать и воспроизвести, как происходит перезамыкание вихревого ядра в гидротурбине, и при помощи численного моделирования, и экспериментально. Визуально это выглядит, как образование некоего кольца, когда вихревой жгут «замыкается» сам на себя», — сообщает научный сотрудник Института инженерной физики и радиоэлектроники СФУ Дмитрий Платонов.

Выяснилось, что такие «кольца», отрываясь, ударяются о стенки проточного тракта турбины, создавая сильный шум и локальные перегрузки, что вызывает ускоренный износ оборудования и провоцирует аварийные ситуации.

На фото: взаимодействие жгута и вихревого кольца в диффузоре модельной гидротурбины

«Изучая физику и понимая природу закрученных потоков и, в частности, образования вихревых колец, мы можем успешно бороться с негативными последствиями, вызванными данными явлениями, в том числе меняя режим работы оборудования или используя специализированные подходы, будь-то подача воды или воздуха в проточный тракт гидротурбины или установка стабилизирующих конструкций», — продолжает ученый.

По словам автора, способы нейтрализации вихревых потоков сродни борьбе с морскими волнами — на берегу ставятся волнорезы, лишающие потоки воды разрушительной силы, а в гидротурбине, в частности на Саяно-Шушенской ГЭС, с подачи сибирских ученых установлены специальные стабилизирующие конструкции —«ребра», которые гасят интенсивность вихревого жгута. Это помогает предотвращать образование вихревых колец и снижать негативное воздействие на все элементы конструкции турбины. Также можно использовать подачу в конкретные точки проточного тракта воздуха или воды в небольших объемах. На работу турбины это не повлияет, однако поможет предотвратить нежелательные эффекты.

На фото: Саяно-Шушенская ГЭС, вид с гребня плотины

«Эффект перезамыкания и отрыва вихревых «колец» был обнаружен нашими новосибирскими коллегами практически случайно, в ходе работы с экспериментальной установкой, которая моделирует работу высоконапорной гидротурбины. Однако, когда мы начали изучать его, в частности, при помощи численного моделирования, оказалось, что такое поведение водной или воздушной среды может привести к опаснейшим последствиям — недооценка таких явлений и недостаточная степень исследования закрученных потоков в гидротурбинном оборудовании может стать причиной крупной аварии, подобной произошедшей на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 году», — отмечает Дмитрий Платонов.

Прецессия вихревого ядра, срывы вихрей и повышенная нагрузка, в том числе по уровню шума, — проблемы, которые также свойственны ветрогенераторам. Поскольку альтернативная энергетика перспективна для удаленных российских территорий (регионов Крайнего Севера), данные проблемы также могут решаться при участии сибирских ученых.

«Точность наших расчетов в сопоставлении с результатами эксперимента составила практически 99%. Это значит, что численное моделирование — удобный, эффективный и высокоинформативный инструмент, с помощью которого можно «прокачать» любое технологическое оборудование, чтобы продлить срок его эксплуатации и снизить аварийность на критически важных объектах. Эксперимент и расчеты могут идти параллельно, или же может использоваться исключительно моделирование — это ощутимо экономит время и ресурсы. Важно, что алгоритм численного моделирования гибкий и хорошо адаптируется под индивидуальные задачи: вы можете рассчитать оптимальный режим работы под каждую конкретную турбину с учетом ее массогабаритных показателей, формы и так далее», — заключает физик.

Результаты исследования опубликованы в журнале International Journal of Heat and Fluid Flow.