Hvordan påvirker delvis indløb en impulsturbine?

Delvis indstrømning påvirker en impulsturbine til damp ved kun at tilføre damp gennem en del af dysekredsens omkreds. Det kan reducere droslingstab ved dellast sammenlignet med at regulere alle dyser gennem en fælles droslingsventil, men medfører også vindagetab, tab ved sektorgrænser og gentagen belastning af skovlene. Effektivitetsgevinsten er derfor betinget: Den reducerede drosling skal opveje de ekstra aerodynamiske tab, samtidig med at skovlspændingerne holder sig inden for konstruktionsgrænserne.

Denne afvejning er vigtig, når en turbine tilbringer en betydelig del af tiden under mærkeydelsen. En ændring i driften af dysegrupperne kan forbedre dampforbruget ved én belastning, men give et effektivitetsfald eller kraftigere vibrationer ved en anden. Den relevante vurdering handler ikke blot om, hvorvidt delvis indstrømning er mulig, men om, hvordan hvert indstrømningsmønster fungerer på tværs af det forventede driftsområde.

Indstrømningsgraden er ikke det samme som turbinebelastningen

Indstrømningsgraden er den andel af dysekredsens omkreds, der aktivt tilfører damp til et bestemt trin. For dyser fordelt langs omkredsen kan den udtrykkes somε = aktiv indstrømningsbue / samlet omkreds. Regulering med dysegrupper ændrer det effektive indstrømningsareal ved at åbne eller lukke ventiler, der betjener separate grupper.

I et impulstrin sker det meste af trykfaldet i trinnet i de stationære dyser. De bevægelige skovle udvinder arbejde ved at afbøje og bremse de resulterende stråler. Ved delvis indstrømning passerer hver skovl gentagne gange gennem en aktiv dampsektor og derefter en inaktiv sektor i stedet for at blive udsat for omtrent kontinuerligt flow langs omkredsen.

Indstrømningsgraden alene bestemmer ikke masseflow eller ydelse. Dysernes halsareal, dampforholdene opstrøms, trykket nedstrøms, ventilåbningen og chokningsforholdene har også betydning. To konfigurationer med samme aktive bue kan have forskellig flowkapacitet og forskellige tab.

Delvis indstrømning er ofte koncentreret i reguleringstrinnet frem for at blive anvendt på samme måde i hele turbinen. Flowet fordeler sig igen langs omkredsen i nedstrøms trin, selvom en ujævn fordeling kan fortsætte. En ændring i reguleringstrinnets effektivitet bør derfor ikke betragtes som en tilsvarende ændring i hele turbinens effektivitet.

Hvor effektivitetsfordelen ved dellast kommer fra

Ved drosling med en fælles ventil sænkes trykket til alle dyser, når belastningen reduceres. Drosling er omtrent isenthalpisk, men øger entropien og reducerer det arbejdspotentiale, der er til rådighed for turbinen. Regulering med dysegrupper kan i stedet lukke udvalgte grupper, mens de åbne grupper holdes tættere på deres tilsigtede indløbsforhold.

Denne forskel forklarer, hvorfor delvis indstrømning kan være attraktiv ved drift med variabel belastning. Det betyder ikke, at de åbne grupper altid fungerer uden drosling. Under sekventiel åbning af ventiler kan én gruppe være delvist åben, mens andre er helt åbne eller lukkede. Ventiltryktab, trykforholdet i reguleringstrinnet og forholdene nedstrøms ændres da samtidig.

For at foretage en meningsfuld sammenligning skal indløbsdampforhold, udstødningstryk, omdrejningstal og ydelsesgrundlag være ens. Vurder hele turbinen, herunder relevante mekaniske tab og hjælpeforbrug. En beregning af trinnet ved designpunktet kan ikke fastslå, hvilken reguleringsstrategi der bruger mindst damp over en faktisk driftscyklus.

Tab, der opvejer den reducerede drosling

• Vindagetab i inaktive sektorer: Skovle, der passerer gennem områder uden indstrømning, omrører og accelererer den omgivende fluid uden at modtage nyttigt arbejde fra dampstrålen. Tabet afhænger af omdrejningstal, fluidets densitet, skovlgeometrien og den inaktive bue.
• Tab ved fyldning og tømning: Skovlkanaler, der går ind i og ud af en aktiv sektor, gennemgår en transient opbygning og aftagning af flowet. Disse effekter bliver mere betydelige, når der er mange sektorgrænser i forhold til den indstrømmede bue.
• Blanding ved sektorgrænser: Stråler nær indstrømningsgrænserne vekselvirker med fluid med lavere impuls, hvilket skaber ujævn hastighed, indløbsindfaldsvinkel og energidissipation.

Når indstrømningen bliver meget lille, kan parasitiske tab udgøre en større andel af den nyttige effekt fra trinnet. Der findes ingen universel indstrømningsgrad, under hvilken ydeevnen bliver uacceptabel. Den relevante grænse afhænger af trinnets geometri, driftsforholdene og kravene til minimumsbelastning.

Dysearrangementet påvirker både tab og excitation

Samme indstrømningsgrad garanterer ikke samme ydeevne. Én sammenhængende aktiv sektor og flere adskilte sektorer skaber forskelligt antal indgangs- og udgangsgrænser. Hvis indstrømningen opdeles i flere sektorer, kan tabene ved sektorgrænserne øges, samtidig med at den omkredsmæssige kraftfordeling og frekvensindholdet i skovleksitationen ændres.

Et lille antal store sektorer kan reducere antallet af grænser, men skabe en kraftigere uensartethed i flowet af lav orden. Fordelte sektorer kan forbedre balancen langs omkredsen, men udsætter hver skovl for flere belastningsovergange pr. omdrejning. Ingen af løsningerne er automatisk bedst; aerodynamiske og strukturelle vurderinger skal baseres på den faktiske rækkefølge for ventilåbning.

Dysehastigheden ændres også med trykforholdet. Forholdet mellem skovlhastighed og strålehastighed samt indløbsindfaldsvinklen kan derfor afvige fra designværdierne, når ventilerne er i drift. At bevare trykket i en åben dysegruppe garanterer ikke optimale hastighedstrekanter i hele reguleringsområdet.

Periodisk skovlbelastning er et udmattelsesproblem, ikke kun et vibrationsproblem

Hver bevægelig skovl udsættes for en stigning i den aerodynamiske kraft, når den går ind i en sektor med indstrømning, og en reduktion, når den forlader sektoren. Den resulterende excitation indeholder harmoniske komponenter, der er knyttet til omdrejningstallet og indstrømningsmønstret. Sektorernes bredde og afstand samt ventilstillingerne påvirker dette spektrum.

Når en excitationskomponent nærmer sig en egenfrekvens for en skovl eller skovlgruppe, kan den dynamiske spænding stige. Vurderingen bør tage højde for svingningsformer, dæmpning, udformning af dækskiver eller skovlbånd, hvor det er relevant, samt varme driftsforhold. Et Campbell-diagram er nyttigt, men det er ikke nok at identificere et frekvenssammenfald for at fastslå spændingsamplituden eller udmattelsesacceptabiliteten.

Lave lejevibrationer beviser ikke, at skovlenes dynamiske spændinger er lave. Lokale skovlsvingninger giver muligvis ikke en kraftig respons ved sensorer på hus eller lejer. Omvendt kan forhøjede samlede vibrationer skyldes ubalance, opretning, lejer eller andre forhold og ikke delvis indstrømning.

Ved vedvarende drift med variabel belastning bør du bede om bekræftelse på, at de tilladte kombinationer af indstrømning og relevante overgange er omfattet af vurderingen af skovleksitation. Gentagen drift tæt på et problematisk forhold kan være vigtigere end en kortvarig passage gennem det.

Undersøgelse af et effektivitetsfald eller en vibrationsændring

Når et symptom opstår omkring en overgang mellem dysegrupper, skal du først fastslå, om det følger ventiltilstanden eller en anden driftsvariabel. Sammenlign stabile driftspunkter med ens dampforhold og udstødningstryk i stedet for kun at basere vurderingen på ydelsen.

1. Registrer indstrømningstilstanden. Registrer de enkelte ventilpositioner, tryk i ventilkammeret eller dysegrupperne, hvor de er tilgængelige, samt omdrejningstal, dampflow og effekt. Kontrollér, at ventilernes faktiske bevægelse stemmer overens med den kommenderede sekvens.
2. Adskil transient og stabil adfærd. En kortvarig forstyrrelse under ventilbevægelsen adskiller sig fra vedvarende tab eller excitation, efter at forholdene er stabiliseret.
3. Gennemgå vibrationsspektre. Sammenlign frekvenskomponenterne før og efter overgangen. Relatér ændringer til akselordener, indstrømningsmønstret og identificerede svingningsformer frem for kun til den samlede amplitude.
4. Kontrollér andre mulige årsager. Ventillækage, fastsiddende ventiler, ændringer i dampforholdene, variationer i udstødningstrykket og målefejl kan ligne et problem relateret til indstrømningen.

Ændr ikke ventiloverlap eller åbningsrækkefølge alene for at fjerne et effektivitetsfald. Sådanne ændringer kan påvirke excitation, reguleringsstabilitet og belastningsrespons. Justeringer skal holdes inden for producentens godkendte driftskort og kontrolprocedurer.

Hvad du bør bede om, før du accepterer et design til variabel belastning

En brugbar teknisk dokumentation omfatter garanteret ydeevne ved repræsentative belastninger, de tilhørende ventilkombinationer, minimum kontinuerlig belastning og eventuelle begrænsede driftsområder. Den bør skelne mellem beregninger for reguleringstrinnet og ydeevne for hele maskinen samt angive de antagelser, der anvendes for tab ved delvis indstrømning.

Sammenligninger af ydeevne kræver også aftalte målegrænser og korrektionsmetoder. Dampforbrug, aksel effekt og elektrisk effekt kan ikke sidestilles. Indløbsforhold, udstødningstryk, aftapningsflow, hvor det er relevant, og behandling af usikkerhed bør fastlægges, før forslagene sammenlignes.

På anlægsniveau kan vurderingen også omfatte en anden drivmaskine. Det leverede udvalg afgasturbiner omfatter modeller med angivne ydelser fra 2 til 114.5 MW og brændstofmuligheder, der afhænger af modellen. Dette er en sammenligning af separate anlægstyper, ikke en løsning på tab ved indstrømning i et damptrin: Tilgængelighed af damp, brændstofforsyning, varmebehov og dellastydelse skal vurderes separat.

For selve dampturbinen er den afgørende dokumentation et underbygget driftskort, der forbinder ydelse, ventilstilling, dampforbrug og tilladt drift. En gunstig virkningsgrad ved mærkeydelse er ikke tilstrækkelig, når den planlagte drift indebærer betydelig driftstid ved delvist indstrømmede belastninger eller tæt på overgange mellem dysegrupper.