Streszczenie: W referacie przedstawiono rzeczywisty stan ograniczonej eksploatacji szeregu hydrozespołów z wirnikami typu Francis'a i ustosunkowano się do informacji o występujących przypadkach, źe hydrozespoły mogą być eksploatowane nie w pełnym zakresie ich moźliwości zmian obciąźenia. Związane to jest ze zjawiskiem, źe w pewnym zakresie obciąźenia pojawia się zakres podwyźszonego poziomu drgań w łoźyskach i przyjmuje on charakter utraty stateczności ruchu.. Prowadzone przez autora od ok. 25 lat badania stanów wibracyjnych hydrozespołów pozwalają na sformułowanie pewnych spostrzeźeń mogących wyjaśnić te zjawiska. Wysunięte na podstawie długoletnich obserwacji wnioski pozwalają wykluczyć zasadność biernego zachowania się słuźb remontowych w aspekcie wspomnianego problemu. Przytoczone wyniki prac innych autorów oraz obserwacja pracy wybranych hydrozespołów potwierdzają główny wniosek wynikający z przedstawianego referatu. Przykładem jest EW Solina, która dzięki dobrze prowadzonym remontom jako jedyna eksploatowała (do czasu modernizacji) wszystkie hydrozespoły w całym zakresie obciąźenia. Wniosek ten to stwierdzenie, źe ograniczony zakres obciąźeń w jakim jest eksploatowany hydrozespół wynika głównie z jego złego stanu technicznego będącego w zasięgu interwencyjnego działania słuźb remontowych. W związku z tym wydaje się celowe podjęcie chociaź nawet prób dla opanowania lub przynajmniej wyjaśnienia opisanych w referacie anomalii.

1. Wstęp.

    Z prowadzonych w latach 1975 do 1999 obserwacji, pomiarów i analiz stanu dynamicznego hydrozespołów z wirnikami typu Francis'a wynika bardzo ciekawe spostrzeźenie. We wszystkich badanych hydrozespołach stwierdzono pewną regularność, która bardzo precyzyjnie wiąźe obciąźenie hydrozespołu z jego dobrym lub złym stanem dynamicznym. W kaźdym przypadku zakres podwyźszonego poziomu drgań w łoźyskach przyjmuje charakter utraty stateczności ruchu. Poszukiwanie relacji przyczyna skutek pozwoliło na powiązanie zjawisk zachodzących w układzie przepływowym i wskazać na zjawiska, których usunięcie powinno poprawić stan dynamiczny, a w konsekwencji poszerzyć strefę eksploatacji w całym zakresie zmian obciąźenia. W niektórych turbinach typu Francis'a cechą charakterystyczną jest szybki wzrost drgań w zakresie od ok. 40% do 65% pełnego otwarcia aparatu kierowniczego.
Efekt dynamiczny jest taki, źe praca w tym zakresie otwarcia powinna być unikana. Jednak są teź hydrozespoły z turbinami typu Francis'a, które mogą być eksploatowane w całym zakresie zmian obciąźenia. Zachodzi więc pytanie: jakie zjawiska stanowią o tym, źe jeden hydrozespół moźe być eksploatowany w 100% swoich moźliwości eksploatacyjnych, a inny tylko w pewnym zakresie tych moźliwości? Czy projektant obiektu hydrotechnicznego dopuszczał taki stan rzeczy? Czy konstruktor hydrozespołu świadomie tworzył podatny na takie anomalie obiekt?
A moźe są inne czynniki w pełni zaleźne od słuźb remontowych i eksploatacyjnych, których zlekcewaźenie dopuszcza taki stan jakim jest ograniczenie zakresów eksploatacyjnych. Spojrzenie na badany obiekt za pomocą pomiaru stanu wibracyjnego dostarcza pewnych informacji nad którymi powinien zastanowić się ich uźytkownik. Niniejszy referat zawiera niewielki zbiór tych informacji, które powinny zmusić do refleksji właścicieli takich obiektów. Juź same pomiary, których esencja wyników została przedstawiona w tej pracy, wskazują na nietypowe zachowanie się maszyny w normalnych dla innych maszyn warunkach eksploatacyjnych. Dostrzeźone nieprawidłowości są w zasięgu interwencyjnego działania słuźb remontowych i wydaje się celowe podjęcie prób dla usunięcia lub przynajmniej wyjaśnienia pewnych anomalii.
Wydaje się, źe poruszone w tym referacie zagadnienia takie jak:

nie były dotychczas przedmiotem badań związanych z próbami rozszerzenia zakresu mocy eksploatowanych hydrozespołów.
W efekcie badań laboratoryjnych i z teorii dynamiki przepływów jest wiele przesłanek wskazujących na to, źe ograniczony zakres obciąźeń wynika głównie z jego złego stanu technicznego. Dlatego teź nie naleźy przyjmować z pokorą stwierdzenia, źe dany hydrozespół ma w swojej konstrukcji zbiór błędów, które uniemoźliwiają eksploatację w całym zakresie zmian obciąźenia. W moim przekonaniu jest to stwierdzenie zarówno wygodne jak i fałszywe.

2. Stan rzeczywisty.

    Jako uzasadnienie tego stanu autorzy podają: ..“Ograniczenie obszaru regulacyjnego “od dołu”(moc minimalna) jest wynikiem wchodzenia hydrozespołu w strefę pogorszonych parametrów stanu dynamicznego hydrozespołów (drgania, pulsacje ciśnień, wahania mocy czynnej)”. Np w EW Źarnowiec ominięcie tych problemów polega na szybkim przejściu przez strefy od N = 84,5 MW do N = 119,5 MW i pracę w pozostałych zakresach obciąźenia. Zjawiskami, które ograniczają zakres obciąźeń hydrozespołu w większości przypadków są zbyt duźe przemieszczenia wału względem obudowy łoźyska. Przekroczenie podanych w normach i zaleceniach granicznych wartości ruchów względnych wału klasyfikuje stan techniczny maszyny i w drastycznym przypadku wskazuje na zagroźenia awariami. Wynika stąd, źe w większości przypadków wartości drgań względnych wału określają zakres obciąźeń przy jakich moźe być eksploatowany hydrozespół.
Na podstawie porównania zakresu eksploatacyjnego w EW Źydowo, EW Porąbka-Źar i EW Źarnowiec z zakresem eksploatacji turbin w EW Solina moźna przypuszczać, źe istnieje realna moźliwość poszerzenia zakresu eksploatacji hydrozespołów w tych pierwszych EW.

3. Opis zjawiska i wybrane wyniki pomiarów.

    Z przeprowadzonych pomiarów stanu wibracyjnego hydrozespołów z turbinami o promieniowo osiowych przepływach w dwóch EW wynika, źe w obu elektrowniach zaobserwowano opisane poniźej podobne zjawiska dynamiczne zachodzące podczas obciąźania i odciąźania tych hydrozespołów. Zjawisko to polega na tym, źe istnieje pewna moc minimalna po przekroczeniu której wirnik traci stabilność ruchu w łoźysku prowadzącym. Dalsze obciąźanie hydrozespołu powoduje narastanie wartości drgań względnych. Największe drgania występują przy pewnym stałym dla danego hydrozespołu obciąźeniu powyźej którego drgania maleją i przy dalszym wzroście obciąźenia osiągają minimum. W zakresie obciąźeń, którym towarzyszą intensywne promieniowe drgania względne wału i przy których obserwowana jest utrata stabilności ruchu wału w łoźysku turbinowym w widmie drgań pojawia się nowa nie występująca przy innych obciąźeniach składowa o stałej wartości częstotliwości znacznie niźszej od częstotliwości wirowania. We wszystkich przypadkach stwierdzono, źe intensywny wzrost drgań względnych wału łączy się ze zjawiskiem pojawienia składowej podsynchronicznej, której wartość wzrasta kosztem wartości składowej synchronicznej z obrotami. Stwierdzono równieź, źe podczas wzbudzania się i występowania składowej podsynchronicznej ciśnienie wody nad kołem wodnym wirnika jest cały czas mniejsze niź ciśnienie pod wirnikiem. Ciśnienie pod wirnikiem mierzone było w punkcie na włazie do komory wirnika (p.p. 21), a ciśnienie nad wirnikiem dotyczy przestrzeni zawartej pomiędzy górną powierzchnią koła wodnego i pokrywą komory turbiny (p.p. 20).

Punkty pomiaru ciśnienia

Wir pod wirnikiem turbiny

Zdjęcie zamieszczono dzięki uprzejmości
Prof. Hyun Cheon Ha
Changwon National University
Korea

Rys. 2. Obracający się wir wodny pod wirnikiem turbiny Francisa

    Moźna więc postawić tezę o ścisłym związku pomiędzy rozkładem ciśnień w układzie przepływowym hydrozespołu i stanem wibracyjnym jego układu wirującego. Jeszcze gorzej jest w przypadku gdy wirnik jest nie współosiowo ustawiony w komorze i występuje znaczna asymetria obwodowa luzów w uszczelnieniach obwodowych. Jest to między innymi powodem powstania wiru warkocza wodnego schodzącego z opływki koła wodnego, co widać na rysunku 2. Warkocze pojawiają się w postaci spirali schodzącej z opływki koła wodnego, która jest ustawiona nie współosiowo z komorą wirnika, lub w formie warkocza wodnego rozciągającego się centralnie wzdłuź osi rurociągu wylotowego. Wypukła i prosta opływka bardziej sprzyja powstawaniu oderwania
z jego powierzchni wirów i zawirowań strugi aniźeli opływka z wklęsłą powierzchnią. Skrócony koniec takźe sprzyja oderwaniu strugi. W związku z tym podczas zejścia z łopatek koła wodnego poszczególne wiry generują oddzielne sznury wirowe pod kołem wodnym, a te łącząc się tworzą pod kołem wodnym spiralny lub osiowy warkocz wodny. Warkocze wodne prowadzą do zmian rozkładu prędkości i ciśnienia w rurociągu wylotowym i zwiększają nierównomierność rozkładu prędkości w róźnych przekrojach poprzecznych rurociągu. Zniszczenie warkoczy wodnych objawia się występowaniem w strudze silnymi zjawiskami o charakterze szumu pojawiającymi się
w rurociągu wylotowym, udarami i zjawiskiem drgania ciśnienia . Te ostatnie w ściśle określonych warunkach rozprzestrzeniają się po całej części przepływowej turbiny, włączając w to komorę spiralną i rurociąg dolotowy. Literatura przedmiotu podaje, źe w jednej z EW przy spadzie H = 76 m i obciąźeniach od N = 9 MW do N = 12 MW wartość drgań ciśnienia wody w rurociągu dolotowym i w spirali dochodziła do p = 50 m słupa wody. W szeregu hydrozespołów powstawanie warkoczy wodnych w rurociągu wylotowym związane jest z nieprawidłowym kształtem i wymiarami opływki koła wodnego wirnika. Powstające warkocze wodne same wykonują ruch obrotowy. Kierunek ruchu obrotowego warkocza zaleźy zarówno od prędkości przepływu strugi, jak i od prędkości kątowej wiru. Częstość obrotu warkocza zaleźy od reźimu pracy turbiny i zazwyczaj nie odpowiada częstości pracy koła wodnego wirnika, lecz jest od niej mniejsza. Wartość tej częstości kołowej wiru jest równa wartości częstości składowej podsynchronicznej wirnika np. f = 1 Hz dla pomierzonej wyźej turbiny. Wg badań RHEINGANS'A [2] dla normalnie zanurzonych rurociągów wylotowych, częstość pulsacji ciśnienia pod wirnikiem z racji naruszenia ciągłości warkocza wodnego, moźe być w przybliźeniu określona wg następującej zaleźności:

    Badający zjawiska następstw występowania zaburzeń w hydrozespołach prof. KITO [8] podaje, źe jeźeli wygenerowana w wirniku turbiny fala ciśnienia została przesłana do rurociągu dolotowego to moźe wzbudzić rurociąg do drgań. Jeźeli przez przypadek częstość drgań fali ciśnienia jest bardzo bliska częstości drgań własnych rurociągu, moźe pojawić się stan rezonansowy i moźna zaobserwować wzmoźoną wibrację rurociągu doprowadzającego wodę. Jednak spośród kilkuset elektrowni wodnych działających w Japonii tylko w 10 - 20 z nich drgają rurociągi. Pomimo, źe jest kilka przyczyn generowania fal ciśnienia w turbinach wodnych i ich otoczeniu, które moźemy sprawdzić jednak wg moich obserwacji najczęstszym żródłem powstawania drgań jest rurociąg wylotowy, w którym formowany jest wir obrotowy drgający z jego własną charakterystyczną częstością określoną przez formułę Rheingans'a.
 Jak pokazuje praktyka częstość drgań ciśnienia w rurociągu wylotowym zaleźy nie tylko od prędkości obrotowej wału turbiny, ale i od wartości obciąźenia. Wydaje się równieź, źe na skłonność pojawienia się składowej podsynchronicznej w promieniowo osiowych turbinach moźe mieć wpływ zjawisko wirowania wody w przestrzeni znajdującej się nad wirnikiem pod jego pokrywą. Mechanikę tego zjawiska dokładnie analizuje w swojej pracy KUPRIASZIN [9]. Zawarta w tej przestrzeni woda poddana jest działaniu obwodowych sił tarcia i promieniowych sił odśrodkowych. Przeprowadzone przez Schulz-Grunowa doświadczenia pokazały, źe prędkość wirowania wody w tej przestrzeni związana jest z częstością kątową wirnika współczynnikiem k = 2,8 i określona jest zaleźnością

Jak podaje literatura [10] moc tracona na pokonanie oporów tarcia występującego na górnej powierzchni koła wodnego wirnika jest większa od mocy traconej w łoźyskach i dławicach, co świadczy, źe wzrost ciśnienia wody nad wirnikiem w znacznym stopniu wpływa pozytywnie na rozproszenie energii ruchu wału, a spadek ciśnienia nad wirnikiem minimalizuje rozpraszanie tej energii. Zachodzi więc obawa, źe przy spadku ciśnienia nad wirnikiem część dotychczas rozpraszanej energii przekazywana jest na podtrzymanie obserwowanych samowzbudnych drgań wirnika.

3. Zakończenie.

    Przy poszukiwaniu sposobu poprawy stanu dynamicznego turbiny z wirnikiem Francis'a naleźy pamiętać, źe przy wzroście ciśnienia wody nad wirnikiem rosną opory ruchu i powstają czynniki sprzyjające rozpraszaniu energii ruchu wirnika. Moźe to prowadzić do: minimalizacji ekscentryczności szczelin, spadku prędkości wody w uszczelnieniach, minimalizacji reakcji działających w uszczelnieniach sił promieniowych i tarcia, dociąźenia wirnika w łoźysku oporowym i sprzyjać stabilizacji ruchu wału w szerokim zakresie obciąźenia hydrozespołu.