Πώς επηρεάζει η μερική εισαγωγή ατμού έναν στρόβιλο δράσης;

Η μερική εισαγωγή ατμού επηρεάζει έναν ατμοστρόβιλο δράσης, καθώς ο ατμός διοχετεύεται μόνο σε ένα μέρος της περιφέρειας των ακροφυσίων. Μπορεί να μειώσει τις απώλειες στραγγαλισμού σε μερικό φορτίο σε σύγκριση με τη ρύθμιση όλων των ακροφυσίων μέσω μιας κοινής βαλβίδας στραγγαλισμού, αλλά προκαλεί επίσης απώλειες λόγω αντίστασης του ρευστού, απώλειες στα όρια των τομέων και επαναλαμβανόμενη φόρτιση των πτερυγίων. Επομένως, το όφελος στην απόδοση εξαρτάται από το αν η μείωση του στραγγαλισμού υπερκαλύπτει τις πρόσθετες αεροδυναμικές απώλειες, ενώ οι τάσεις στα πτερύγια παραμένουν εντός των ορίων σχεδιασμού.

Αυτή η αντιστάθμιση έχει σημασία όταν ένας στρόβιλος λειτουργεί για σημαντικό χρονικό διάστημα κάτω από την ονομαστική του ισχύ. Μια αλλαγή στη λειτουργία των ομάδων ακροφυσίων μπορεί να βελτιώσει την κατανάλωση ατμού σε ένα φορτίο, αλλά να προκαλέσει πτώση της απόδοσης ή εντονότερους κραδασμούς σε άλλο. Η ουσιαστική αξιολόγηση δεν είναι απλώς αν είναι διαθέσιμη η μερική εισαγωγή ατμού, αλλά πώς συμπεριφέρεται κάθε μοτίβο εισαγωγής σε όλο το αναμενόμενο εύρος λειτουργίας.

Το ποσοστό εισαγωγής δεν είναι το ίδιο με το φορτίο του στροβίλου

Το ποσοστό εισαγωγής είναι το μέρος της περιφέρειας των ακροφυσίων που τροφοδοτεί ενεργά με ατμό ένα συγκεκριμένο στάδιο. Για ακροφύσια κατανεμημένα περιμετρικά, μπορεί να εκφραστεί ωςε = ενεργό τόξο εισαγωγής / συνολική περιφέρεια. Η ρύθμιση μέσω ομάδων ακροφυσίων μεταβάλλει την ενεργό επιφάνεια εισαγωγής ανοίγοντας ή κλείνοντας βαλβίδες που εξυπηρετούν ξεχωριστές ομάδες.

Σε ένα στάδιο δράσης, το μεγαλύτερο μέρος της πτώσης πίεσης του σταδίου σημειώνεται στα σταθερά ακροφύσια. Τα κινούμενα πτερύγια αποδίδουν έργο εκτρέποντας και επιβραδύνοντας τους πίδακες που δημιουργούνται. Σε συνθήκες μερικής εισαγωγής, κάθε πτερύγιο περνά επανειλημμένα από έναν ενεργό τομέα ατμού και στη συνέχεια από έναν ανενεργό τομέα, αντί να δέχεται περίπου συνεχή ροή σε όλη την περιφέρεια.

Το ποσοστό εισαγωγής από μόνο του δεν καθορίζει την παροχή μάζας ή την ισχύ εξόδου. Σημασία έχουν επίσης η διατομή του λαιμού των ακροφυσίων, οι συνθήκες ατμού ανάντη, η πίεση κατάντη, το άνοιγμα των βαλβίδων και οι συνθήκες στραγγαλισμού. Δύο διατάξεις με το ίδιο ενεργό τόξο μπορεί να έχουν διαφορετική παροχετευτική ικανότητα και διαφορετικές απώλειες.

Η μερική εισαγωγή ατμού εφαρμόζεται συχνά κυρίως στο στάδιο ρύθμισης και όχι με τον ίδιο τρόπο σε όλο τον στρόβιλο. Στα κατάντη στάδια η ροή ανακατανέμεται περιμετρικά, αν και μπορεί να παραμείνει ανομοιόμορφη. Επομένως, μια μεταβολή της απόδοσης στο στάδιο ρύθμισης δεν πρέπει να θεωρείται ισόποση μεταβολή της απόδοσης ολόκληρου του στροβίλου.

Πώς προκύπτει το όφελος απόδοσης σε μερικό φορτίο

Με τη ρύθμιση μέσω κοινής βαλβίδας, η μείωση του φορτίου μειώνει την πίεση που παρέχεται σε όλα τα ακροφύσια. Ο στραγγαλισμός είναι κατά προσέγγιση ισενθαλπικός, αλλά αυξάνει την εντροπία και μειώνει το διαθέσιμο δυναμικό έργου του ατμού για τον στρόβιλο. Αντίθετα, η ρύθμιση μέσω ομάδων ακροφυσίων μπορεί να κλείνει επιλεγμένες ομάδες, διατηρώντας τις ανοικτές ομάδες πιο κοντά στις προβλεπόμενες συνθήκες εισόδου τους.

Αυτή η διαφορά εξηγεί γιατί η μερική εισαγωγή ατμού μπορεί να είναι ελκυστική για λειτουργία με μεταβαλλόμενο φορτίο. Δεν σημαίνει ότι οι ανοικτές ομάδες λειτουργούν πάντα χωρίς στραγγαλισμό. Κατά το διαδοχικό άνοιγμα των βαλβίδων, μια ομάδα μπορεί να είναι μερικώς ανοικτή, ενώ άλλες είναι πλήρως ανοικτές ή κλειστές. Τότε μεταβάλλονται ταυτόχρονα οι απώλειες πίεσης στις βαλβίδες, ο λόγος πίεσης του σταδίου ρύθμισης και οι συνθήκες κατάντη.

Για ουσιαστική σύγκριση, χρησιμοποιήστε ίδιες συνθήκες ατμού εισόδου, πίεση εξαγωγής, ταχύτητα περιστροφής και βάση ισχύος εξόδου. Αξιολογήστε ολόκληρο τον στρόβιλο, συμπεριλαμβανομένων των σχετικών μηχανικών απωλειών και της κατανάλωσης βοηθητικών συστημάτων. Ένας υπολογισμός σταδίου στο σημείο σχεδιασμού δεν αρκεί για να τεκμηριώσει ποια στρατηγική ρύθμισης καταναλώνει λιγότερο ατμό κατά τη διάρκεια ενός πραγματικού κύκλου λειτουργίας.

Απώλειες που αντισταθμίζουν τη μειωμένη στραγγαλιστική απώλεια

• Απώλειες αντίστασης του ρευστού στον ανενεργό τομέα: Τα πτερύγια που διέρχονται από περιοχές χωρίς εισαγωγή ατμού αναδεύουν και επιταχύνουν το περιβάλλον ρευστό, χωρίς να λαμβάνουν ωφέλιμο έργο από τους πίδακες. Η απώλεια εξαρτάται από την ταχύτητα περιστροφής, την πυκνότητα του ρευστού, τη γεωμετρία των πτερυγίων και το ανενεργό τόξο.
• Απώλειες πλήρωσης και εκκένωσης: Οι δίοδοι των πτερυγίων που εισέρχονται και εξέρχονται από έναν ενεργό τομέα υφίστανται παροδική ανάπτυξη και υποχώρηση της ροής. Οι επιδράσεις αυτές γίνονται σημαντικότερες όταν τα όρια των τομέων είναι πολλά σε σχέση με το τόξο εισαγωγής.
• Ανάμειξη στα όρια των τομέων: Οι πίδακες κοντά στα όρια εισαγωγής αλληλεπιδρούν με ρευστό χαμηλότερης ορμής, προκαλώντας ανομοιομορφία στην ταχύτητα, στη γωνία πρόσπτωσης και στην απώλεια ενέργειας.

Όσο μικραίνει το ποσοστό εισαγωγής, οι παρασιτικές απώλειες μπορούν να καταναλώνουν μεγαλύτερο μερίδιο της ωφέλιμης ισχύος του σταδίου. Δεν υπάρχει καθολικό ποσοστό εισαγωγής κάτω από το οποίο η απόδοση γίνεται απαράδεκτη. Το ισχύον όριο εξαρτάται από τη γεωμετρία του σταδίου, τις συνθήκες λειτουργίας και τις απαιτήσεις ελάχιστου φορτίου.

Η διάταξη των ακροφυσίων επηρεάζει τόσο τις απώλειες όσο και τη διέγερση

Ίσα ποσοστά εισαγωγής δεν εγγυώνται ίση απόδοση. Ένας ενιαίος ενεργός τομέας και αρκετοί χωριστοί τομείς δημιουργούν διαφορετικό αριθμό ορίων εισόδου και εξόδου. Η διαίρεση της εισαγωγής σε περισσότερους τομείς μπορεί να αυξήσει τις απώλειες στα όρια, ενώ μεταβάλλει την περιφερειακή κατανομή των δυνάμεων και το φάσμα συχνοτήτων της διέγερσης των πτερυγίων.

Ένας μικρός αριθμός μεγάλων τομέων μπορεί να μειώσει τα όρια, αλλά ενδέχεται να προκαλέσει εντονότερη ανομοιομορφία ροής χαμηλής τάξης. Οι κατανεμημένοι τομείς μπορεί να βελτιώσουν την περιφερειακή ισορροπία, αλλά εκθέτουν κάθε πτερύγιο σε περισσότερες μεταβάσεις φόρτισης ανά περιστροφή. Καμία διάταξη δεν είναι αυτομάτως ανώτερη· οι αεροδυναμικές και δομικές αξιολογήσεις πρέπει να βασίζονται στην πραγματική ακολουθία ανοίγματος των βαλβίδων.

Η ταχύτητα του ατμού στα ακροφύσια μεταβάλλεται επίσης με τον λόγο πίεσης. Επομένως, η σχέση μεταξύ ταχύτητας πτερυγίων και ταχύτητας πίδακα, καθώς και η γωνία πρόσπτωσης στην είσοδο, μπορεί να απομακρυνθούν από τις τιμές σχεδιασμού καθώς λειτουργούν οι βαλβίδες. Η διατήρηση της πίεσης σε μια ανοικτή ομάδα ακροφυσίων δεν εγγυάται βέλτιστα τρίγωνα ταχυτήτων σε όλο το εύρος ρύθμισης.

Η περιοδική φόρτιση των πτερυγίων είναι ζήτημα κόπωσης, όχι μόνο κραδασμών

Κάθε κινούμενο πτερύγιο δέχεται αύξηση της αεροδυναμικής δύναμης όταν εισέρχεται σε έναν τομέα εισαγωγής και μείωση όταν εξέρχεται από αυτόν. Η διέγερση που προκύπτει περιλαμβάνει αρμονικές συνιστώσες που σχετίζονται με την ταχύτητα περιστροφής και το μοτίβο εισαγωγής. Τα πλάτη και οι αποστάσεις των τομέων, καθώς και οι καταστάσεις των βαλβίδων, επηρεάζουν αυτό το φάσμα.

Όταν μια συνιστώσα διέγερσης πλησιάζει την ιδιοσυχνότητα ενός πτερυγίου ή μιας ομάδας πτερυγίων, οι δυναμικές τάσεις μπορεί να αυξηθούν. Η αξιολόγηση πρέπει να λαμβάνει υπόψη τις μορφές ιδιοταλάντωσης, την απόσβεση, τη συμπεριφορά των συνδέσμων ή των ταινιών σύνδεσης όπου εφαρμόζεται, καθώς και τις θερμές συνθήκες λειτουργίας. Ένα διάγραμμα Campbell είναι χρήσιμο, αλλά ο εντοπισμός μιας διέλευσης από συχνότητα από μόνος του δεν τεκμηριώνει το πλάτος της τάσης ή την αποδεκτή συμπεριφορά σε κόπωση.

Οι χαμηλοί κραδασμοί στα έδρανα δεν αποδεικνύουν ότι οι δυναμικές τάσεις των πτερυγίων είναι χαμηλές. Οι τοπικές ιδιομορφές των πτερυγίων μπορεί να μην προκαλούν ισχυρή απόκριση στους αισθητήρες του κελύφους ή των εδράνων. Αντίστροφα, οι αυξημένοι συνολικοί κραδασμοί μπορεί να οφείλονται σε μη ζυγοστάθμιση, κακή ευθυγράμμιση, έδρανα ή άλλες αιτίες και όχι στη μερική εισαγωγή ατμού.

Για παρατεταμένη λειτουργία με μεταβαλλόμενο φορτίο, ζητήστε επιβεβαίωση ότι η αξιολόγηση διέγερσης των πτερυγίων καλύπτει τους επιτρεπόμενους συνδυασμούς εισαγωγής και τις σχετικές μεταβάσεις. Η επαναλαμβανόμενη λειτουργία κοντά σε μια προβληματική συνθήκη μπορεί να έχει μεγαλύτερη σημασία από μια σύντομη διέλευση από αυτήν.

Διερεύνηση πτώσης απόδοσης ή μεταβολής κραδασμών

Όταν ένα σύμπτωμα εμφανίζεται κοντά σε μετάβαση ομάδας ακροφυσίων, εξακριβώστε πρώτα αν σχετίζεται με την κατάσταση των βαλβίδων ή με κάποια άλλη λειτουργική μεταβλητή. Συγκρίνετε σταθερά σημεία λειτουργίας με ίδιες συνθήκες ατμού και πίεση εξαγωγής, αντί να βασίζεστε μόνο στην ισχύ εξόδου.

1. Καταγράψτε την κατάσταση εισαγωγής. Καταγράψτε τις θέσεις κάθε βαλβίδας, τις πιέσεις στον θάλαμο βαλβίδων ή στις ομάδες ακροφυσίων, όπου είναι διαθέσιμες, την ταχύτητα περιστροφής, την παροχή ατμού και την ισχύ. Ελέγξτε αν η πραγματική κίνηση των βαλβίδων συμφωνεί με την εντολή ακολουθίας.
2. Διαχωρίστε τη μεταβατική από τη σταθερή συμπεριφορά. Μια σύντομη διαταραχή κατά την κίνηση των βαλβίδων διαφέρει από τις επίμονες απώλειες ή τη διέγερση αφού σταθεροποιηθούν οι συνθήκες.
3. Εξετάστε τα φάσματα κραδασμών. Συγκρίνετε τις συνιστώσες συχνότητας πριν και μετά τη μετάβαση. Συσχετίστε τις μεταβολές με τις τάξεις περιστροφής του άξονα, το μοτίβο εισαγωγής και τις αναγνωρισμένες ιδιομορφές, όχι μόνο με το συνολικό πλάτος.
4. Ελέγξτε εναλλακτικές αιτίες. Διαρροή ή εμπλοκή βαλβίδων, μεταβολές στις συνθήκες ατμού, διακυμάνσεις της πίεσης εξαγωγής και σφάλματα μέτρησης μπορεί να μοιάζουν με πρόβλημα σχετικό με την εισαγωγή.

Μην τροποποιείτε την επικάλυψη ή τη σειρά ανοίγματος των βαλβίδων αποκλειστικά για να εξαλείψετε μια πτώση απόδοσης. Τέτοιες αλλαγές μπορούν να επηρεάσουν τη διέγερση, τη σταθερότητα της ρύθμισης και την απόκριση φορτίου. Οι ρυθμίσεις πρέπει να παραμένουν εντός του εγκεκριμένου χάρτη λειτουργίας και των διαδικασιών ελέγχου του κατασκευαστή.

Τι να ζητήσετε πριν από την αποδοχή σχεδιασμού για μεταβαλλόμενο φορτίο

Μια χρήσιμη τεχνική υποβολή περιλαμβάνει εγγυημένη απόδοση σε αντιπροσωπευτικά φορτία, τους αντίστοιχους συνδυασμούς βαλβίδων, το ελάχιστο συνεχές φορτίο και τυχόν περιορισμένες περιοχές λειτουργίας. Πρέπει να διακρίνει τους υπολογισμούς του σταδίου ρύθμισης από την απόδοση του πλήρους μηχανήματος και να δηλώνει τις παραδοχές που χρησιμοποιούνται για τις απώλειες μερικής εισαγωγής.

Οι συγκρίσεις απόδοσης απαιτούν επίσης συμφωνημένα όρια μέτρησης και μεθόδους διόρθωσης. Η ειδική κατανάλωση ατμού, η ισχύς στον άξονα και η ηλεκτρική ισχύς εξόδου δεν είναι εναλλάξιμα μεγέθη. Πρέπει να ορίζονται εκ των προτέρων οι συνθήκες εισόδου, η πίεση εξαγωγής, οι παροχές εξαγωγής όπου εφαρμόζεται και ο χειρισμός της αβεβαιότητας, προτού αξιολογηθούν ανταγωνιστικές προτάσεις.

Σε επίπεδο εγκατάστασης, η αξιολόγηση μπορεί επίσης να περιλαμβάνει διαφορετική κινητήρια μηχανή. Η διαθέσιμη σειρά Αεριοστρόβιλων προσφέρει μοντέλα με αναφερόμενες ισχείς εξόδου από 2 έως 114.5 MW και επιλογές καυσίμου ανάλογα με το μοντέλο. Πρόκειται για σύγκριση διαφορετικής διάταξης, όχι για λύση στις απώλειες εισαγωγής του σταδίου ατμού: η διαθεσιμότητα ατμού, η παροχή καυσίμου, η ζήτηση θερμότητας και η απόδοση σε μερικό φορτίο πρέπει να αξιολογούνται ανεξάρτητα.

Για τον ίδιο τον ατμοστρόβιλο, το καθοριστικό τεκμήριο είναι ένας τεκμηριωμένος χάρτης λειτουργίας που συνδέει την ισχύ εξόδου, την κατάσταση των βαλβίδων, την κατανάλωση ατμού και τα επιτρεπόμενα όρια λειτουργίας. Μια ευνοϊκή ονομαστική απόδοση δεν αρκεί όταν το προβλεπόμενο προφίλ λειτουργίας περιλαμβάνει σημαντικό χρόνο σε φορτία με μερική εισαγωγή ή κοντά σε μεταβάσεις ομάδων ακροφυσίων.