Краткий обзор сегодня многие гидроэлектростанции сталкиваются с серьезными проблемами, связанными с внезапным появлением опасных трещин в ключевых компонентах гидротурбин. Это особенно верно для больших гидравлических агрегатов

4 Существующие решения
Для защиты гидроагрегата от вредных режимов работы используются различные методы. Для практических целей важно иметь возможность адекватно оценивать время возникновения усталостных трещин в компонентах HT в реальных условиях эксплуатации, особенно при часто меняющихся рабочих параметрах и длительной или частой эксплуатации в непроектных режимах. Сейчас есть два основных решения - экспертный метод и диагностические системы.
4.1 Экспертный метод
Не существует специальных нормативных документов, требующих подходов и методов для оценки усталости ГТ в реальных условиях эксплуатации в широком диапазоне эксплуатации на ГЭС.
Любой экспертный метод основан на опыте отдельных экспертов или экспертной организации. Как показывает практика, каждый эксперт обычно фокусируется на одном направлении исследований: исследование поведения основного металла и сварки, экспериментальное исследование, компьютерное моделирование гидравлического процесса или напряженного состояния и т.д.
Поэтому экспертный метод обладает высоким уровнем субъективности. Оценка одного эксперта может существенно отличаться от оценки другого. Таким образом, владелец оборудования часто не понимает, какая оценка более правильная, что и когда следует сделать, чтобы предотвратить проблемы.
4.2 Диагностические системы
В настоящее время большинство крупных гидроагрегатов (25 МВт и более) должны быть оснащены стационарными системами мониторинга или диагностики, которые собирают и анализируют информацию с датчиков, установленных на вращающихся и невращающихся деталях [42,43].
Диагностические методы разрабатывались и совершенствовались на протяжении многих лет. Современные системы обычно содержат 50-250 датчиков, большинство из которых предназначены для измерения параметров вибрации. Существует множество нормативных документов, описывающих методы диагностики, интерпретацию данных, измерение и оценку вибрации гидравлических машин. Подробное описание можно найти в [44,45] и стандартах ISO 13373-7:2017, ISO 20816-5:2018, ISO 19283:2020 [46-48]. Основной целью таких систем является обнаружение, идентификация и оценка симптомов потенциальных сбоев на ранней стадии. Однако во многих случаях этим системам не удается обнаружить опасные трещины в основных компонентах турбины, таких как рабочее колесо, механизм поворота лопаток, крепежные элементы и даже вал.
Возможность выявления трещин на элементах HT с помощью вибродиагностики рассматривалась в работах [11,17,49–51]. Как показано на примере бегунка, часто отсутствует корреляция между движущими силами развития трещины и параметрами вибрации, измеряемыми диагностической системой. Одной из ключевых причин является существование режимов собственных значений рабочего колеса без деформации вала. Анализ собственных форм вращающейся части гидроагрегата (рабочего колеса с валом турбины и ротора с валом генератора) подтверждает этот факт.
Используемая модель конечных элементов имела следующие упрощения, которые существенно не влияют на результаты в рамках данного исследования:

• 
  направляющая состоит из элементов оболочки с реальной кривизной и толщиной в каждой точке лопастей;
  
• 
  ротор генератора был смоделирован как набор цилиндрических объемов из твердых элементов с эквивалентными свойствами материала с учетом фактической жесткости и распределения массы втулки, набора спиц, обода ротора, полюсов ротора и т.д.
  
• 
  упругие демпфирующие элементы с реальной жесткостью имитируют направляющие и упорные подшипники турбины и генератора;
  
• 
  обеспечивается прочное соединение всех элементов во всем диапазоне режимов.
  

На рис. 2 показано сравнение деформированных форм вращающейся детали для двух различных собственных значений. Расположение датчиков обозначено буквой “S” в круге. На рис. 2а все вращающиеся компоненты имеют перемещения, которые позволяют соотнести деформацию вала и напряженно–деформированное состояние рабочего колеса. В этом случае можно связать скорость роста трещины в направляющей с параметрами вибрации. На рис. 2b, напротив, датчики на валу не обнаруживают никаких искажений, хотя направляющая имеет деформацию при изгибе. Поэтому любые системы вибродиагностики не выявляют никаких проблем и не предотвращают соответствующие поломки.

Рисунок 2 – Распределение перемещений для различных режимов собственных значений вращающейся части гидротурбины: (а) режимы совместного изгиба вала с рабочим колесом и генератором; (б) симметричные режимы изгиба рабочего колеса без деформации вала.