Рост напряжений в элементах турбинных водоводов
Водоводы десяти турбинных агрегатов, имеющие внутренний диаметр 7,5 м и толщину железобетонной облицовки 1,5 м, вынесены на низовую грань четных секций станционной плотины. Здание ГЭС приплотинного типа — криволинейное в плане с радиусом по оси агрегатов 452 м, длиной 289 м расположено в левобережной части русла. В здании ГЭС установлены 10 гидроагрегатов с синхронными гидрогенераторами зонтичного типа номинальной мощностью 640 МВт, имеющими опору на крышке турбины, водяное охлаждение статора и воздушное охлаждение ротора. Радиально-осевые гидротурбины имеют диаметр рабочего колеса 6,77 м. Рабочее колесо располагается в камере (шахте) и состоит из трех жестко связанных частей — нижнего обода, верхней ступицы и расположенными между ними лопастями сложной пространственной формы. Пропускная способность гидротурбины составляет 3600 м3/с, расчетный напор на турбины 194 м, минимальный 176 м.
Плотина СШГЭС — это основной объект гидроузла, однако она не является обособленным объектом, а представляет собою часть единого комплекса. Необратимые (трендовые) и сезонные перемещения плотины влияют на напряженно-деформированное состояние сопряженныхс нею сооружений. В частности, турбинные водоводы, выполненные как сталежелезобетонные конструкции, вынесены на низовую грань плотины, жестко с нею связаны, следовательно, воспринимают некоторую долю нагрузки на плотину.
В металлической оболочке и арматурных стержнях турбинных водоводов происходит непрерывное увеличение напряжений сжатия продольного направления. В 2006 г. напряжения сжатия в металлической оболочке достигли 106 МПа, во внутренней арматуре — 268 МПа, во внешней арматуре — 220 МПа. За время эксплуатации гидроузла накопившиеся продольные усилия в каждом из водоводов приблизились к 8 тыс. т (80 МН).
Происходит многолетний прирост кольцевых напряжений в арматуре и стальной оболочке спиральных камер. Например, с 1990 г. этот прирост в оболочке спиральной камеры четвертого гидроагрегата составил 46 МПа, восьмого гидроагрегата — 26 МПа. Этот процесс, происходящий за счет наклонов и радиальных перемещений плотины в сторону НБ, можно назвать «навалом плотины» на сооружения машинного зала ГЭС.
О реальности процесса навала плотины на сооружения машинного зала свидетельствует также необратимая составляющая закрытия конструктивных (так называемых «деформационных») швов в железобетонной облицовке между анкерными опорами и зданием ГЭС. Наибольшие остаточные значения закрытия швов (1980—2006 гг:) в анкерных опорах гидроагрегатов ГА-6 (секция 26) и ГА-8 (секция 30) достигли 3,6 мм. С учетом наложения сезонных размахов максимальная величина закрытия швов водоводов этих агрегатов достигает 4,8 мм. Усилие, необходимое для закрытия шва на 5 мм за счет сжатия горизонтального участка металлической оболочки водовода, составляет около 4000 т. Примерно такое усилие приходит сюда со стороны перемещающегося гребня плотины и ее низовой грани через турбинный водовод.
Рост продольных напряжений в металлических элементах водовода агрегата ГА-8
1 — верхний бьеф; 2 — внешнее арматурное кольцо
Обращают на себя внимание размахи сезонного изменения раскрытия деформационных швов турбинных водоводов трех агрегатов: ГА-1, ГА-2 и ГА-4. Их средние значения примерно в два раза превышают размахи сезонного раскрытия деформационных швов водоводов остальных семи агрегатов:
- ГА-1: средний размах — 2,0 мм; максимальный — 2,4 мм;
- ГА-2; средний размах — 1,8 мм; максимальный — 2,4 мм;
- ГА-4: средний размах — 2,0 мм; максимальный — 2,6 мм.
Передача усилий на сооружения машинного зала может осуществляться также со стороны основания четвертых столбов и анкерных опор. Например, средний размах сезонных радиальных перемещений с. 18 на отм. 311м составляет 2 мм. Необратимые и сезонные перемещения плотины, в конечном счете, передаются сооружениям машинного зала. Из табл. 5.3 видно, что все работавшие перед аварией гидроагрегаты вошли в запрещенную по вибрационным характеристикам зону, ограниченную 160 мкм.
Размах радиальных вибраций турбинного подшипника гидроагрегатов перед аварией 17 августа 2009 г
|
Номер агрегата |
1 |
2 |
3 |
3 |
3 |
8 |
9 |
|
Размах, мкм |
200 |
840 |
175 |
160 |
160 |
200 |
170 |
Второй гидроагрегат ГА-2 выводился в ремонт из-за повышения боя вала и повышенной вибрации корпуса турбинного подшипника; разрушалось неподвижное кольцо лабиринтного уплотнения; повреждались шпильки крепления турбинного подшипника к крышке турбины. При выполнении капитального ремонта второго гидроагрегата в 2005 г. было обнаружено отклонение линии вала от вертикали. Однако неизвестна величина отклонения оси вала от вертикали, а также чем было вызвано отклонение и каким способом оно исправлялось.
Утром 17 августа 2009 г., когда второй агрегат в шестой раз за сутки переходил через запрещенную зону В на стадии снижения нагрузки, максимальные вибрации турбинного подшипника достигли 1500 мкм. Этот момент стал началом аварийного подъема рабочего колеса вместе с крышкой и ротором гидрогенератора.