• Читателям
  • Авторам
  • Партнерам
  • Студентам
  • Библиотекам
  • Рекламодателям
  • Контакты
  • Язык: English version
345
Там, за поворотом… или как вихревые кольца могут разрушить турбину
Физика

Там, за поворотом… или как вихревые кольца могут разрушить турбину

Потягаться с природой, разгадать ее загадки и расширить знание о мире для остального человечества – задачи для тех, кто связывает свою жизнь с наукой. Некоторым из них действительно уготована счастливая научная судьба с великими открытиями, другие потерпят поражение. Но в начале пути, они не знают, что их ждет впереди, впрочем, это мало кого смущает, и сегодня молодые люди, как и сотни лет назад, ступают на него. В новосибирском Академгородке благодатная для этого почва: здесь и Сибирское отделение РАН, и Новосибирский государственный университет, и научные традиции родителей, бабушек, дедушек. Молодой ученый Михаил Цой работает в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН в лаборатории экологических проблем теплоэнергетики. Его родители, научные сотрудники, предполагали, что сын будет учиться в НГУ, потом в магистратуре, аспирантуре. В общем, пойдет по классическому пути. Но после первого курса на механико-математическом факультете Михаил ушел из НГУ в НГТУ. Но сойти с научной стези не вышло – и выпускник машиностроительного факультета НГТУ все равно попал в академическую среду. Уже третий год он занимается изучением закрученных потоков и вихревых структур в отсасывающих трубах гидротурбин – направлением актуальным еще и потому, что оно связано с объектами повышенной опасности, техногенными катастрофами и человеческими трагедиями

Пролог. Авария на Саяно-Шушенской ГЭС

Авария на Саяно-Шушенской ГЭС 17 августа 2009 г. унесла жизни 75 человек и причинила многомиллиардный материальный ущерб. Главными причинами страшной аварии были названы сильные вибрации, которые возникали при некоторых режимах работы гидротурбин. Окончательную ясность внесло расследование комиссии Федеральной службы по экологическому, техническому и атомному надзору: основной причиной аварии стал обрыв шпилек, крепивших крышку турбины, на которые воздействовали сильные вибрации во время работы гидроагрегата.

Саяно-Шушенская гидроэлектростанция имени П. С. Непорожнего (вверху) – крупнейшая по установленной мощности электростанция России, девятая среди действующих гидроэлектростанций в мире (на январь 2016 г.). Расположена на реке Енисей, на границе между Красноярским краем и Хакасией, у поселка Черемушки, возле Саяногорска. 17 августа 2009 года в 8:13 местного времени на Саяно-Шушенской ГЭС произошла техногенная катастрофа. Находившийся в работе гидроагрегат № 2 внезапно разрушился и был выброшен напором воды со своего места. В машинный зал станции под большим напором стала поступать вода, затопившая машинный зал и технические помещения под ним. В результате аварии погибло 75 человек. Аварийно-спасательные работы на станции завершились 23 августа 2009 г. Общая стоимость восстановления и реконструкции Саяно-Шушенской ГЭС оценивается в 41 млрд рублей)

Информационно-аналитическое издание Тайга.инфо, активно освещавшее трагедию, писало, что «при чтении Акта технического расследования создается впечатление, что причиной аварии является повышенная вибрация гидроагрегата № 2 (ГА-2). В результате вибрации произошел усталостный излом крепежных шпилек. Оставшиеся (более 30%) шпильки были оборваны давлением воды, и гидроагрегат просто взлетел вверх. Молчаливо предполагается, что проблема решается путем ужесточения контроля и повышением качества ремонтных работ. Однако, как известно, вибрация гидроагрегата № 2 мало чем отличалась от вибрации остальных агрегатов станции и не могла повредить шпильке. Сила давления водяного потока тоже никак не могла порвать оставшийся крепеж и поднять гидроагрегат вверх. Есть основание полагать, что наука столкнулась с мало изученными процессами, происходящими и на многих других ГЭС. Просто никогда раньше их проявления не были столь катастрофическими».

Сильные вибрации во время работы гидроэлектростанции появляются, когда гидроагрегат работает в неоптимальных для установки условиях. В таких режимах работы поток за рабочим колесом гидротурбины (ГТ) имеет значительную остаточную закрутку, что приводит к появлению прецессирующего винтового жгута. Его появление сопряжено с повышенным уровнем периодических пульсаций давления во всем проточном тракте гидроагрегата, что негативно сказывается на долговечности и надежности всей ГЭС, поэтому такие режимы работы не рекомендованы.

В тот период гидроагрегаты Саяно-Шушенской ГЭС работали в не рекомендованных зонах намного чаще, чем при штатном режиме – из-за ремонтных работ на Братской гидроэлектростанции СШ ГЭС была вынуждена взять на себя ее регулирующие функции. Вибрационная нагрузка на гидроагрегаты СШ ГЭС многократно возросла, что и вызвало усталостное разрушение крепежных шпилек.

Причина данных периодических пульсаций известна и широко исследуется учеными в последние десятилетия, однако некоторые исследователи отмечают наличие мощных апериодических пульсаций давления в режимах работах, близких к оптимальному. Причина пульсаций этого вида до сих пор точно не установлена.

Сотрудники лаборатории экологических проблем теплоэнергетики Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН впервые зарегистрировали отрыв вихревого кольца от прецессирующего вихревого жгута в лабораторной модели гидротурбины. Исследователи ИТ СОРАН предполагают, что причина возникновения таких апериодических ударов – явление перезамыкания вихревого жгута в потоке за рабочим колесом ГТ. Представьте себе, что стабильность вихря нарушилась, при этом участки вихревого жгута сблизились и в результате перезамыкания часть вихря отделилась, сформировав вихревое кольцо, и затем отлетела в сторону – на ГЭС это ощущается, как резкий удар.

Михаил Цой – аспирант Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, лаборатория экологических проблем теплоэнергетики

«Идите в магистратуру, вы же не хотите быть недоучками?» или Как выбрать то, что надо тебе Математика в школе мне нравилась, точнее, я был в восторге от нее. Поэтому после 11 класса перед выбором не стоял – поступил на ММФ НГУ. Но не доучился. Дело здесь не столько в том, что университетская программа в разы сложнее школьной, а в том, что некоторые вещи не так просто представить себе. Например, многомерные пространства – слишком абстрактный предмет.
Приняв решение сменить специальность на более «приземленную», после первого курса я ушел из НГУ и поступил на машиностроительный факультет в Новосибирский государственный технический университет на специальность технолога. Родители тогда, должно быть, сильно расстроились – они оба закончили НГУ и пошли в науку, все детство я только и слышал, что качественное образование можно получить только в НГУ (на самом деле это не так). Но решение было за мной. На самом деле, я никогда не идеализировал учебу в НГУ, понимал, что качественное образование можно получить и в другом вузе.
После 3 курса я решил поработать во время летних каникул менеджером по продажам. Работа не пыльная, деньги какие-то есть, но через два месяца понял, что здесь никаких новых навыков не приобретаешь – мозг не работает, атрофируется. Я ужаснулся, как люди способны заниматься такой работой годами. Осознал, что это точно не мое и что необходимо получить специальность – она пригодится в жизни. Первого сентября я уволился и продолжил свое обучение в университете. Понимаю, что кого-то такая работа устраивает, но у каждого своя дорога.
Получив диплом, я решил применить полученное образование на практике и устроился на Новосибирский авиационный завод им. В.П. Чкалова на производство гражданских самолетов SSJ-100 инженером-технологом. Но в действительности оказалось, что задачи инженера-технолога по большей части связаны не с технической областью, а с согласованием и подписанием массы документов в различных отделах завода. Участвовать в производстве самолетов оказалось не так уж интересно – никакой инженерной разработки, проектирования. Среди персонала младшего уровня, машиностроительное образование имели единицы, режимы обработки назначались оператором станка ЧПУ на глаз. Знания, полученные за годы обучения в НГТУ, оказались не очень-то и востребованы, такой вид деятельности меня тоже не устраивал и с завода я ушел.
Забавно, но в результате мои метания привели меня снова в НГУ. В какой-то момент я понял, что было бы неплохо работать в научном институте, заниматься исследованиями, ежедневно работать головой. Начал с нескольких часов в неделю в Институте теплофизики СО РАН – проектировал установку, готовил чертежи, позже перешел на полный рабочий день.
Научная работа в институте требует квалификации – необходимо закончить магистратуру, потом – аспирантуру. Выручила программа инжиниринговой магистратуры физического факультета НГУ. Идея очень хорошая: работодатель, университет и администрация Новосибирска вместе оплачивают обучение студента и выращивают из него необходимого специалиста. Все довольны. В действительности, большая часть моих одногруппников, воспользовавшихся такой программой, – это студенты, не набравшие необходимый средний балл для бюджетного обучения в магистратуре. Не знаю, сегодня, может быть, что-то уже изменилось.
Интересен момент принятия решения продолжать ли обучение в магистратуре. Сомневаюсь, что будущее каждого выпускника НГУ – это наука. А ведь магистратура и аспирантура – это карьерная лестница для тех, кто решил связать жизнь с наукой. Мне кажется, после бакалавриата необходимо задуматься, что делать, и было бы неплохо, если бы в университете студентам не только говорили «обязательно идите в магистратуру, вы же не хотите быть недоучками и продавать телефоны?», а еще помогали определиться тем ребятам, которые не собираются работать в НИИ, но хотят большего, чем продавать телефоны.
Учеба в магистратуре – это не только лекции и семинары, но и научная работа. В зависимости от специфики лаборатории и выбранного направления, некоторым студентам удастся за два – три месяца провести исследование, получить результат и написать дипломную работу, а другим на это понадобится два года. В лаборатории экологических проблем теплоэнергетики Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН мне на период обучения в магистратуре была поставлена задача провести экспериментальное исследование закрученных потоков за рабочим колесом гидротурбин. Однако перед тем как проводить это исследование, было необходимо еще и построить установку для лабораторного моделирования таких потоков. В итоге эта задача включила в себя проектирование установки, подбор комплектующих, изготовление различных компонентов, сборку установки, пусконаладочные работы и собственно само исследование

Регистрация этого явления – экспериментальное подтверждение теоретических расчетов его существования. Эксперимент был поставлен на установке, построенной аспирантом ИТ СО РАН Михаилом Цоем.

Отправляем статью в Phys. Rev. Lett., а они нам – «неинтересно, тема давно исследована»

Гидроэлектростанции в общей энергосети, в отличие, например, от атомных и тепловых ЭС, могут оперативно регулировать выработку энергии, маневрировать. Это приводит к частому изменению режимов работы гидравлических турбин. Когда турбины работают в неоптимальных условиях, поток воды за рабочим колесом имеет остаточную закрутку. В таких режимах в потоке возникают нестабильности – образуются кавитирующие вихревые жгуты, генерирующие мощные пульсации давления, негативно сказывающиеся на гидроагрегатах. Авария случилась потому, что гидроагрегатам Саяно-Шушенской ГЭС приходилось заниматься регулированием вырабатываемой мощности (Братская ГЭС ремонтировалась), а они не были для этого предназначены, они были спроектированы для выработки энергии на постоянной мощности.

В лаборатории мы изучаем закрученные потоки в различных средах, и их применение в различных технических приложениях. Я исследую закрученные потоки в воде, кавитирующие вихри.

Проблема изучения закрученных потоков в гидротурбинах состоит в том, что создать гидродинамический стенд, который бы воспроизводил вихрь в условиях, максимально приближенных к реальным, требует больших вложений. В нашей стране на это просто нет денег. В Европе ученые могут себе позволить построить лабораторные модели гидротурбин, которые занимают четыре этажа. На Ленинградском металлическом заводе, где выпускают гидравлические турбины, есть хорошие стенды и там можно было бы проводить научные исследования, но у них нет свободного времени для этого – стенды используются в производственных целях.

Рабочий участок, выполненный из оргстекла, позволяет изучать поток с использованием оптических средств измерения. Для создания формы входного потока, соответствующей выходному потоку из реальных рабочих колес гидротурбин применяется композиция из двух осевых завихрителей – неподвижного и вращающегося

При наличии финансирования можно было бы проводить исследования на реальной воде при натурных значениях напора в высоконапорной гидравлической лаборатории при красноярской ГЭС, законсервированной в 1995 году, но финансирования на ее восстановление нет, и нам остается моделировать соответствующие физические явления, на более упрощенных моделях.

Но, говорят же, что российские ученые привыкли работать в любых условиях. Это и про нас тоже. Передо мной поставили задачу создать установку. На это у меня ушло два года. Получилось. Конструкцию закручивающего устройства подсмотрел у румынских коллег – она простая и недорогая, но результаты подтверждают, что поток за рабочим колесом ГТ моделируется достоверно

Следующий этап – это эксперименты. Сначала мы получили эффект перестроения одинарного вихря в двойной. Статью достаточно быстро опубликовали в международном журнале. Эта публикация, конечно, больше заслуга профессора Кемала Ханьялича, который в это время работал с нами по мегагранту.

Визуализация вихревого жгута с использованием высокоскоростной камеры, демонстрирующая периодическую смену конфигурации вихря между одно- и двухжгутовой

Написать хорошую статью в серьезный зарубежный журнал для аспиранта – задача почти неподъемная. Постановка проблемы, теоретический анализ, научные выводы – все это неотъемлемая часть хорошей статьи, и это можно сделать только при наличии серьезного научного руководителя. Если такой есть, то статья имеет больше шансов попасть в хороший журнал с высоким импакт-фактором. Конечно, если в соавторах известный иностранный ученый, то это добавляет шансов.

А впереди нас ждали новые открытия

Во время очередной серии экспериментов я запутался с ориентацией завихрителя – установил я его правильно, или перепутал и установил вверх ногами. Уточнить, как он стоял в предыдущих экспериментах не могу, так как он не попадает в поле зрения камеры, на которую мы снимаем эксперименты. Решили провести визуализацию со всеми возможными вариантами установки завихрителей. И при одном из вариантов, при установленном вверх ногами завихрителе, получили, необычно нестабильный вихрь. Сняли на высокоскоростную камеру и увидели, что от него отделяются вихревые кольца. Подумали, что это интересно, и на очередном совещании у директора института Сергея Владимировича Алексеенко продемонстрировали полученные данные.

В Институте теплофизики Сибирского отделения Российской академии наук, начиная с 80-х годов, занимаются изучением динамики концентрированных вихрей. Академик РАН Сергей Владимирович Алексеенко – один из авторов научной школы по изучению концентрированных вихрей. Основы изложены в монографии «Введение в теорию концентрированных вихрей», 2003 г. Алексеенко С. В., Куйбин П. А., Окулов В. Л.

Оказалось, что в результате нестабильности вихря один виток спиральной вихревой трубки сближается с другим, при этом происходит процесс вихревого перезамыкания и в результате часть вихревой трубки отделяется от основного вихря в виде вихревого кольца.

Настолько детально в реальной жидкости процесс вихревого перезамыкания раньше никто не наблюдал – такие данные получены впервые. Из-за того, что в нашем контуре пониженное давление, вихревые структуры становятся видны благодаря кавитации – вскипанию холодной воды в области пониженного давления – ядре вихря. По вихревому перезамыканию большая часть проведенных исследований – расчетно-теоретические работы. Данное явление – основное взаимодействие вихрей, лежит в основе турбулентности, однако экспериментальные работы ограничиваются работами в сверхтекучем гелии. Полученные нами данные важны для подтверждения результатов расчетных работ, дальнейшего развития теории вихревого взаимодействия.

В работе в Nature (2013) исследователи из Чикаго опубликовали результаты по исследованию динамики «узловатых/связанных» вихрей. В рамках этого исследования ими было также зафиксировано вихревое перезамыкание, однако в их эксперименте структура и детали этого процесса практически не разрешены.

Визуализация процесса вихревого перезамыкания на спиральной вихревой трубке с образованием изолированного вихревого кольца. Среди огромного многообразия вихревых структур выделяются концентрированные вихри типа бесконечно тонких вихревых нитей или вихревых трубок, имеющих конечный размер ядра. Наиболее важным свойством вихревых трубок является их индуцированное движение, которое приводит к взаимодействию как разных трубок друг с другом, так и отдельных частей одной искривленной трубки между собой. Принципиально важным представляется явление вихревого перезамыкания (vortex reconnection), приводящее к кардинальному изменению топологии вихревых структур. Подавляющее большинство исследований процесса вихревого перезамыкания в обычной жидкости основано на методах теоретического или численного моделирования. При скорости вращения вихря 60 оборотов в секунду, кольца отрываются 20 раз в секунду. Оторвавшееся вихревое кольцо уносит с собой часть энергии основного вихря и затем взаимодействует со стенкой гидротурбины, что может привести к эрозии стенок турбины и появлению нежелательных вибраций. Наша цель – ответить на вопрос, может ли это явление быть причиной апериодических ударов в гидротурбинах

Было решено послать небольшую статью в Phys. Rev. letters – чтобы закрепить наш приоритет, а позднее написать полноценную статью. В ответ получили: «Неинтересно. Тема давно исследована». В итоге отправили статью в российский журнал «Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики». Статью приняли, но с момента получения данных прошел уже целый год. Были ли мы расстроены? Конечно, любой хочет, чтобы результаты его труда получили признание. Однако то, что твою статью не приняли – не повод сдаваться и опускать руки, ведь само исследование и его результаты важны сами по себе, независимо от того в насколько популярном журнале они опубликованы. Сейчас мы модернизируем установку, начинаем новый этап исследований, чтобы кроме визуализации эффекта получить также и количественные данные.

«В данной экспериментальной работе впервые продемонстрировано явление процессов вихревого перезамыкания на спиральной вихревой трубке, которая формируется в закрученном потоке в коническом диффузоре при достаточно большом значении параметра крутки. Результатом перезамыкания может быть либо образование изолированного вихревого кольца с сохранением базовой спиральной вихревой трубки, либо формирование системы, состоящей из вихревого кольца, зацепленного со спиральной трубкой. В зоне перезамыкания на исходной спирали всегда генерируется волна Кельвина, завитая влево и бегущая вверх по вихревой трубке. Выявлен ряд топологических особенностей процесса вихревого перезамыкания: асимметрия этого процесса в окрестностях кольца и спиральной трубки; формирование двух мостиков и двух нитей, также демонстрирующих асимметрию; формирование внешних мостиков, не связанных с процессом вихревого перезамыкания. Дальнейшие исследования будут основаны на использовании оптических методов диагностики высокого временного и пространственного разрешения, включая количественные измерения, чтобы провести сопоставления с соответствующими численными расчетами и выяснить в деталях механизмы вихревого перезамыкания»

В июне 2016 г. в Институте теплофизики СО РАН прошел Международный коллоквиум ЕВРОМЕХ, «Динамика концентрированных вихрей». На нем Сергей Владимирович Алексеенко продемонстрировал полученные нами результаты, которые были с интересом восприняты участниками коллоквиума. Чуть позже, Павел Анатольевич Куйбин, ученый секретарь ИТ СО РАН продемонстрировал эти результаты на международной конференции, посвященной вопросам гидроэнергетики (The International Association for Hydro-Environment Engineering and Research (IAHR)) во Франции. Положительная реакция научного сообщества и специалистов из области промышленности говорит о том, что явление заслуживает интереса – как в фундаментальном, так и в прикладном плане.

Я понял, что энтузиазм нужно делить пополам: хотел статью в Physical Review, а опубликовал в «Письмах в журнал экспериментальной и теоретической физики». Никогда нельзя останавливаться, нужно работать дальше и тогда ты получишь тот результат, которого хочешь. Сейчас мы занимаемся апгрейдом установки, скоро начнем новые этап исследований, чтобы визуализация эффекта подкреплялась еще и численными данными.

Мой путь в науку был извилистым, но я понял одно, что научная работа – это творчество, а значит право свободно мыслить – этого достаточно, чтобы быть счастливым.

Подготовила Татьяна Морозова

Понравилось? Поделись с друзьями!

Подпишись на еженедельную e-mail рассылку!

comments powered by HyperComments