1. Оценка фактического состояния
металла элементов гидротурбин с
применением
фазохронометрического метода
Москва, 2014
II Всероссийский Форум
Техногенные катастрофы: технологии предупреждения и ликвидации
Зав. Лаб., д.т.н. Мишакин В.В.
С.н.с., к.т.н. Гончар А.В.
Институт проблем машиностроения РАН

2. Актуальность
 Безопасность и эффективность природопользования
 Наработка свыше 30 лет
 Отсутствие комплексных методик диагностирования
 Устаревшая нормативная база, не учитывающая современное
развитие методов НК

3. Цель исследований
- установить связь повреждения и разрушения
ответственных элементов гидроагрегата с
параметрами фазохронометрии.
Задачи
Создание комплексной методики определения
фактического состояния ответственных элементов
ГЭС методами НК.
Разработка модели связывающей параметры
фазохрономертии с дефектами элементов
гидроагрегата.

4. Используемые методы и применяемое оборудование:Используемые методы и применяемое оборудование:
•Ультразвуковая томография: дефектоскоп OmniScan MX-PA1664M с
фазированной решеткой
•Ультразвуковой контроль: ЭМА толщиномер А1270, установка для
измерения поврежденности АИП
•Вихретоковый контроль: дефектоскоп вихретоковый ВД-70
•Измерение коэрцитивной силы: магнитный структуроскоп КРМ-Ц-
К2М
•Измерение микротвердости и твердости: цифровой микротвердомер
HVS-1000, портативный твердомер ТЭМП-3
•Металлографический анализ: портативный комплекс
металлографической микроскопии МикроконМет, растровый
электронный микроскоп TESCAN VEGA II LSU, комплекс
микроскопии ALTAMI MET
•Определение механических свойств: испытательная машина Tinius
Olsen H100KU
•Анализ химического состава
•Магнитопорошковый контроль

5. Ультразвуковой томограф
на фазированных решетках
Omniscan MX
Определение размеров и
координат дефектов в
объеме на всем пути
сканирования.
Методика проведения эксперимента

6. Портативный металлографический комплекс «СПЕКТР-
МЕТ» (МИКРОКОН-МЕТ)
Методика проведения эксперимента

7. Литые лопатки направляющего
аппарата г/а
Сталь 30Л
Срок эксплуатации –
более 40 лет
Обнаружены
усталостные
трещины
размерами от 20 до
150 мм

8. Вес: 7 000 кг, длина 7м.
Срок эксплуатации более 30 лет.
Исследовалось 58 лопаток, на 80%
лопаток обнаружены трещины
протяженностью от 10 до 40 мм.
Сварные лопатки
направляющего аппарата г/а

9. Трещины и трещиноподобные
дефекты в лопатках г/а

10. h, мм
x, ×100 мм
y, ×10 мм
Результаты ультразвуковых исследований

11. Ступица подпятника г/а
Трещины протяженностью до 350 мм
и глубиной до 140 мм.

12. Структура материала ступицы
подпятника г/а
Материал: Сталь 45. Ферритная сетка. Включения 3 балл.

13. Корпус статора гидрогенератора
Обследовано: 4 тыс. сварных швов, 90 сварных швов признаны
дефектными. 2,5% поврежденных швов – ощущались сильные вибрации,
г/а был выведен из эксплуатации на капитальный ремонт.

14. Смещение регулирующего кольца
направляющего аппарата г/а
Нержавеющие накладки, упорные планки и само
регулирующее кольцо были частично повреждены
или полностью разрушены.

15. Принцип фазохронометрической
диагностики гидротурбины
ϕϕ  kMI −=
taM 04cos ω
tnbk 0cos ω
( ) ( )tnbktaMI 000 cos14cos1 ωωωω +−+=
tn
nI
bk
t
I
ak
000 sin4sin
4
ωωωω −+=
tn
nI
bk
t
I
ak
T
000 sin4sin
4
22
ωωω
π
ω
π
−+
==
а, b – малые параметры, k – коэффициент трения.
Уравнение движения:
Добавка в крутящий момент от рабочего колеса:
Учет трения, связанного с электромагнитным взаимодействием:

16. Зависимость частоты вращения ротора гидротурбины от времени
1,99996
1,99997
1,99998
1,99999
2
2,00001
2,00002
2,00003
2,00004
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
t, c
f, Гц
1,99996
1,99997
1,99998
1,99999
2
2,00001
2,00002
2,00003
2,00004
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
t , c
f , Гц
1,99996
1,99997
1,99998
1,99999
2
2,00001
2,00002
2,00003
2,00004
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5
t, c
f, Гц
t, c
t, c
стационарный случай
случай повреждения одной лопатки
случай смещения кольца направляющего аппарата

17. Выводы• В лопатках направляющего аппарата имеются дефекты, которые
развиваются в процессе эксплуатации и могут снизить
эксплуатационную надежность гидротурбины. Неплотное прилегание
лопаток, выход лопаток из строя из-за разрушения срезного пальца,
потеря жесткости, повышенный износ основных элементов
направляющего аппарата, смещение регулирующего кольца приводят к
изменению напора и асимметрии потока воды, поступающей на лопасти
рабочего колеса гидротурбины. Изменение условий работы
гидротурбины отражается на периоде вращения ротора, который с
высокой точностью (10-7 с) может измеряться фазохронометрическим
методом.
• Износ трущихся поверхностей регулирующего кольца, нержавеющих
накладок и упорных планок может привести к смещению регулирующего
кольца направляющего аппарата и ассиметричному отклонению лопаток
направляющего аппарата. Изменение кинематических характеристик
элементов гидротурбины может регистрироваться в процессе
фазохронометрической диагностики.
• Показана возможность по данным фазохронометрических исследований
получить оперативную информацию о развитии повреждений лопаток и
кольца направляющего аппарата, произвести экспертную оценку и
сделать вывод о более детальном контроле поврежденности
современными средствами неразрушающего контроля.
Выражаем благодарность главному инженеру «КАМСПЕЦЭНЕРГО» А.Л.
Руденко и ген. директору А.И. Байкову за помощь в проведении исследований.

18. Публикации по теме
1. Руденко А.Л., Байков А.И., Мишакин В.В. Повышение эксплуатационной надежности
лопаток направляющих аппаратов гидротурбин // Безопасность труда в промышленности.
- 2013. - № 4. - С. 68-71 (эксперим., импакт-фактор 0,105).
2. Мишакин В.В., Сорокина С.А., Клюшников В.А., Байков А.И., Руденко А.Л. Исследование
структурного состояния и механических свойств материала лопаток направляющего
аппарата гидроагрегата ГЭС // Гидротехническое строительство, 2012, №5, С. 42–47.
(эксперим., импакт-фактор 0,115).
3. Руденко А.Л., Мишакин В.В. Оценка эффективности мероприятий для повышения
эксплуатационной надежности лопаток направляющего аппарата ГЭС при
восстановлении их работоспособности // Прикладная механика и технологии
машиностроения: сборник научных трудов / под ред. В.И. Ерофеева, С.И. Смирнова и Г.К.
Сорокина. – Н.Новгород: Изд-во «Интелсервис», №2 (21), 2012. С. 52–55.