Сибирские физики предлагают повысить безопасность ГЭС

Российские ученые, используя расчетные и экспериментальные методы, выяснили, каким образом возникают потенциально опасные режимы работы оборудования ГЭС, полученные результаты важны для повышения безопасности эксплуатации этих объектов энергетики, сообщили РИА Новости в министерстве науки и высшего образования России.

Сотрудники подведомственных Минобрнауке Сибирского федерального университета (СФУ) и Института теплофизики имени С. С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН изучали вихревые потоки — одну из характерных форм движения текучей среды.

Вихри образуются в природе — например, в реках или океанах, в воздухе (атмосферные потоки), а также в технических устройствах и механизмах. Энергия вихревых потоков используется для создания подъемной тяги самолетов, разработки турбомашин и вентиляционных систем, а также для работы гидротурбинного оборудования на гидроэлектростанциях (ГЭС). Однако эта энергия может провоцировать аварии и даже масштабные разрушения на ГЭС. Поэтому важно понимать, какие именно процессы в вихревых потоках могут нести опасность.

Авторы нынешней работы исследовали нестационарное поведение вихревого ядра в условиях так называемых закрученных потоков. 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, в котором используется энергия закрученных потоков.

"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", — сказал 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.

"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", — отметил Платонов.

По его словам, изучая природу закрученных потоков, и в частности то, как образуются вихревые "кольца", можно успешно бороться с опасными последствиями, вызванными этими явлениями. Для этого можно менять режим работы оборудования или использовать специализированные подходы, будь то подача воды или воздуха в проточный тракт гидротурбины или установка стабилизирующих конструкций.

Способы нейтрализации вихревых потоков сродни борьбе с морскими волнами, пояснил исследователь. На берегу ставятся волнорезы, лишающие потоки воды разрушительной силы, а в гидротурбине, в частности на Саяно-Шушенской ГЭС, с подачи сибирских ученых уже установлены специальные стабилизирующие конструкции — "ребра", которые гасят интенсивность вихревого жгута, добавил Платонов.

Расчеты, проводившиеся в ходе нынешнего исследования, практически полностью совпали с полученными экспериментальными данными.

"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", — отметил Платонов.

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