Катастрофа на Саяно-Шушенской: ГЭС погубил датчик скорости

Комиссия, расследующая причины катастрофы на Саяно-Шушенской ГЭС, взяла тайм-аут до будущего понедельника. Тем временем специалисты всей страны пытаются выдвинуть свои версии и обосновать их. Они дискутируют на форумах в интернете или, как было принято еще 20 лет назад, на кухнях. Проводя собственное расследование, "Известия" встретились со специалистом по аэродинамике, кандидатом физико-математических наук Юрием Лобановским. Он опубликовал в интернете свою подкрепленную расчетами версию, из которой следует, что ротор второго гидроагрегата выбросило из-за отказа одного-единственного узла – датчика частоты вращения ротора.

Юрий Лобановский около 20 лет работал во всемирно известном ЦАГИ – Центральном аэро-гидродинамическом институте им. проф. Жуковского. Занимался гиперзвуковой аэродинамикой. Разработал компоновку гиперзвукового самолета, модель которого в аэродинамической трубе показала рекордные характеристики.

О тех временах он предпочитает не вспоминать. Страна распалась, самолет не полетел… Когда мы встретились, Юрий честно признался, что информацию о катастрофе на ГЭС собирал по крупицам и расчеты делал исходя из тех данных, которые имел. И настаивал, что все расчеты предварительные.

Турбину подбросило на 12 метров

Пока мы знаем, что сорвало шпильки на крышке турбины злосчастного второго гидроагрегата. Но мы не знаем, по какой причине это произошло. Одна из версий – вибрация…

Шпильки не просто были оборваны – ротор гидроагрегата подбросило как минимум на 12 метров. Мы это можем установить достаточно точно. Рядом с агрегатом – массивная бетонная колонна. И на фотографиях видно, что ее стесало, словно фрезой, снизу доверху. Что могло оказать такое воздействие? Верхняя крышка генератора? Но она ведь не вращалась. Так что это результат столкновения вращающегося с большой скоростью ротора и колонны. Масса всего агрегата – 2690 тонн, а масса того, что "взлетело", – около 1000 тонн. Вы представляете, какая нужна сила, чтобы подбросить эту махину! И когда начались заявления, что в машинном зале электростанции творилось что-то наукой необъяснимое, я сказал себе: "Такого быть не может".

Что же может быть?

Посудите сами: у нас три подозреваемых. Первое – это электромагнитная энергия – те электрические и магнитные поля, которые создаются в генераторе. Второе – это энергия вращения ротора и третье – энергия воды. Первые два не смогли бы сорвать шпильки и выкинуть 1000-тонную махину. Запас электромагнитной энергии сравнительно мал, а превратить заметную часть энергии вращения в энергию поступательного движения не получится. Будем считать, что у них алиби. Остается единственный подозреваемый – вода.

Это, мне кажется, было ясно с самого начала.

Согласен. Но давайте рассуждать дальше: на крышку по краям оказывается давление порядка 20 атмосфер. В центре – меньше – около 3 атмосфер. В итоге на крышку действует сила около 4 тысяч тонн. А шпильки должны были выдержать в пять раз больше. С учетом их состояния – пусть в 2 раза больше. Но все равно выдержали бы. Значит, на них было оказано давление значительно большее. Я считаю, что это мог быть только гидравлический удар.

Катастрофа по законам аэродинамики

Но ведь версию гидроудара уже отвергли?

Да, действительно, лопасти турбины целы, и соседняя с ГЭС сейсмостанция не зафиксировала гидроудар. Но это потому, что это был, скажем так, неполный, растянутый во времени гидроудар, который длился 2-3 секунды. Но давайте все по порядку. Гидроудар происходит, когда резко перекрывается поток, идущий по какой-то трубе. Представьте поезд, локомотив которого ударяется в стену. Вагоны сзади "не успевают знать", что нужно тормозить, и во сто крат усиливают силу удара. То же самое с водой – удар всей массы воды, находящейся в трубе. Кстати, в конце XIX – начале XX века, после открытия первого московского водопровода, трубы постоянно лопались. И Николай Егорович Жуковский, "отец русской авиации", определил: краны, установленные на трубы, перекрывают их слишком быстро, и происходил гидроудар. По его рекомендации поворотные краны заменили на более медленные закручивающиеся, и разрывы труб прекратились.

Но мы отвлеклись. Сравнение с поездом не совсем корректно, потому что в случае с водой запереть канал вместо заслонки может и она сама. При определенных обстоятельствах образуются так называемые зоны отрыва, которые могут стать причиной запирания и гидроудара. Проще говоря, быстротекущая вода сталкивается с водой, находящейся в покое. Похожее явление встречается в авиации – при работе турбореактивных двигателей. Его называют помпажом – потоки воздуха при обтекании лопаток компрессора образуют большие зоны отрыва, на лопатках возникают неподвижные массы воздуха, запирающие канал. Так вот, в турбине второго гидроагрегата тоже могло случиться запирание потока, из-за чего гидроудар и выбросил ротор с крышкой генератора на 12 метров.

Последним было короткое замыкание

Что же все-таки произошло 17 сентября в 8.13 утра? Из-за чего произошел этот помпаж?

Ваша газета уже писала, что подача воды на лопасти колеса турбины регулируется специальными лопатками направляющего аппарата, расположенными кольцом вокруг турбины. Они открывают или прикрывают поток, идущий на лопасти колеса. Управляет лопатками автоматизированная система, и это очень важный узел всего агрегата. Именно ее работа регулирует поток воды, "настраивает" его так, чтобы турбина работала правильно. Когда нагрузка генератора снижается, ротор ускоряется, раскручивается, и лопатки должны мгновенно отреагировать, снизив расход воды. Когда нагрузка увеличивается, лопатки направляющего аппарата действуют наоборот. Но дело в том, что совсем избежать гидроударов не удается, в очень слабой форме они есть при любом значительном изменении режима работы. Как правило, агрегат держит этот небольшой удар, все проходит без последствий.

Но 17 августа последствий хватило на все предыдущие годы…

Я думаю, что отказала автоматика. А именно датчик скорости вращения ротора. Я изучил так называемые тренды – схематичные графики, характеризующие одновременное протекание процессов. Выяснилось, что в 8.13.21 начинается закрытие лопаток. Через 2 секунды начинается снижение нагрузки генератора, которое приводит к резкому увеличению скорости вращения. Волчок ротора ничто не держит, он начинает раскручиваться, идет вразнос. Одновременно резко возрастает амплитуда вертикальных колебаний: лопатки продолжают закрываться, но, видимо, недостаточно, начинается запирание потока на турбине. И уже потом происходит коллапс. Датчик частоты вращения мгновенно показывает ноль.

Получается, ротор резко остановился?

Это невозможно, это ж махина, она не может остановиться мгновенно. По всей видимости, полетел датчик. Из-за чего это произошло? Я не знаю. Может быть, из-за вибрации – ведь в ту ночь турбину дважды пытались остановить, что вызывало повышенную вибрацию. Как бы то ни было, после отказа датчика частоты вращения ротора автоматика считает, что турбина стоит. Лопатки направляющего аппарата открываются, подавая все больше воды на и так раскрученное колесо турбины… Запирание потока, гидравлический удар и полет ротора… А еще до отрыва шпилек приказали долго жить все датчики автоматики. Последним "умер" датчик тока в шине генератора – он показал короткое замыкание. К сожалению, на этом графике предельные значения отсекаются, но у комиссии должны быть более полные варианты.

Кстати, вся эта система управления лопатками, та самая автоматика, была установлена на агрегат только в марте. Это новый комплекс, который в таком виде еще нигде не работал. Может быть, в этом разгадка? Я не знаю…

"Если б не гнилые шпильки, мы б имели только сломанную турбину"

Получается, шпильки, на которые сейчас все грешат, ни при чем?

Еще как при чем. По моим оценкам, при полном гидроударе в такой турбине давление составило бы порядка 100 атмосфер. Но такой удар невозможен, а меньшее давление шпильки должны были выдержать. Вода сломала бы турбину, перекорежила бы лопатки, но не вырвалась бы в машинный зал. В данном же случае гидроудар протекал 2-3 секунды, он был не полным, давление подскочило максимум до 30-35 атмосфер. Но и этого шпильки не выдержали. Думаю, что если б не гнилые шпильки, мы б имели только сломанную турбину.

А почему вода пошла именно вверх?

Давление воды распространяется равномерно во все стороны. В таких случаях где тонко, там и рвется. На втором гидроагрегате тонким местом оказались шпильки. Странно, но на одной фотографии изображена шпилька, на которой, похоже, вообще не было гайки. Резьба есть, никаких следов отрыва нет. То есть крышка с нее просто снялась, и все.

Предположим, все ваши выводы верны. Что теперь делать?

В первую очередь нужно провести ревизию автоматики на шестом, уцелевшем гидроагрегате. На него ведь поставили точно такую же систему. Только запустить не успели. Если такую же систему установили на каких-то других станциях, нужно сделать то же самое. И, конечно, везде усовершенствовать систему защиты, чтобы аварийные щиты верхнего бьефа имели автономное питание и автоматически закрывались при достижении определенного уровня вибрации. Если бы это было на Саяно-Шушенской, погибшие люди могли быть живы.

Владимир Демченко, "Известия", 24 сентября 2009 г.