Флаттер лопастей на низконапорных турбинах Каплана

  Поворотно-лопасная турбина (ПЛ-турбина) – реактивная турбина. В ней вращающий момент создаётся тангенциальными реактивными силами на лопастях  при их обтекании потоком воды.
  Её лопасти могут поворачиваться вокруг своей оси одновременно, за счёт чего регулируется её мощность. Также мощность регулируется с помощью лопаток направляющего аппарата.
  Такая конструкция запатентована в 1920 году австрийским инженером Виктором Капланом, благодаря чему во многих странах мира эта турбина носит имя изобретателя. Однако имя Каплана носит также турбина без возможности поворота лопастей, положение которых относительно ротора является фиксированным. Турбины последнего типа обычно называются пропеллерными (ПР-турбинами) или полу-Каплан.
 
  ПЛ-турбины применяются при низких (до 30 м.) напорах.
 
  Лопасти такой турбины имеют форму крыла самолёта. А, свисающие на задней кромке консолей лопастей части, схожи с элеронами крыльев самолёта. Элероны (от фр. aileron — «крылышко»), или рули; крена, — части крыльев самолёта, служащие для поворотов его вокруг продольной оси.

 Элементы конструкции самолётов при некоторых условиях могут быть подвержены определённому явлению, назыаваемому флаттером.
  Фла;ттер (от англ. flutter «дрожание, вибрация») — сочетание самовозбуждающихся незатухающих изгибающих и крутящих автоколебаний элементов летательного аппарата: главным образом, крыла самолёта либо несущего винта вертолёта.
  Флаттер проявляется при достижении некоторой критической скорости, зависящей от характеристик аэроупругости конструкции летательного аппарата. При большой амплитуде автоколебаний может произойти разрушение конструкции.        Опасность флаттера возрастает при переходе к сверхзвуковым скоростям полёта.

  Известно много различных форм флаттера, которые определяются возможными сочетаниями деформаций конструкции во время колебаний. Наибольшую практическую значимость представляют следующие:
* изгибно-крутильный флаттер крыла (оперения), характеризующийся изгибом и закручиванием крыла;
* изгибно-элеронный флаттер крыла, сопровождающийся изгибом крыла и отклонением элерона.
 
  Элементы конструкции самолёта работают в потоке воздуха. А лопасти турбины – в потоке воды, плотность и удельный вес которой, в 1000 раз выше. Соответственно, и усилия, воздействующие на лопасть, намного выше. 
 
  На фото изображен излом свисающей задней кромки лопасти турбины марки ПЛ 577-ВБ-550 (Поворотно-лопастная, с вертикальной осью, бетонная спиральная камера, диаметр рабочего колеса 5,5 м).
  Проектный напор 22 м.
 
  Излом произошёл после того, как вследствие обмеления реки кардинально изменился напор. При сохранении проектной высоты 22 м., отметка уровня нижнего бьефа снизилась до отметки меридиональной плоскости турбины (кр. стрелка) и ниже.
  Вследствие чего резко изменился режим обтекания лопастей. Турбина из напорно-струйной превратилась в свободно-струйную. Возникли опасные режимы с разрывом потока.
 
  Возникли условия для изгибно-элеронного флаттера лопастей.
 
  На станции установлено 4 таких турбины, за период с 2005 по 2015 год по сценарию изгибно-элеронного флаттера произошло три случая повреждения лопастей.   
 
  Ссылки:
1. «Гидравлические машины. Турбины и насосы» Г.И. Кривченко. Москва, «Энергия» 1978 г.