การรับไอน้ำบางส่วนส่งผลต่อกังหันไอน้ำแบบแรงกระตุ้นอย่างไร?

การรับไอน้ำแบบบางส่วนส่งผลต่อกังหันไอน้ำแบบแรงกระตุ้นโดยจ่ายไอน้ำผ่านเพียงบางส่วนของเส้นรอบวงหัวฉีด วิธีนี้อาจลดการสูญเสียจากการควบคุมปริมาณไอน้ำที่โหลดบางส่วน เมื่อเทียบกับการควบคุมหัวฉีดทุกหัวผ่านวาล์วควบคุมร่วม แต่ก็ทำให้เกิดการสูญเสียจากแรงต้านของไหลในช่องที่ไม่มีไอน้ำไหลผ่าน การสูญเสียบริเวณขอบเซกเตอร์ และการรับแรงซ้ำของใบพัด ดังนั้น ประโยชน์ด้านประสิทธิภาพจึงขึ้นอยู่กับเงื่อนไข กล่าวคือ การลดการสูญเสียจากการควบคุมปริมาณไอน้ำต้องมีมากกว่าการสูญเสียทางอากาศพลศาสตร์ที่เพิ่มขึ้น ขณะที่ความเค้นของใบพัดยังอยู่ในขีดจำกัดการออกแบบ

การแลกเปลี่ยนระหว่างข้อดีและข้อเสียนี้มีความสำคัญเมื่อกังหันทำงานที่กำลังต่ำกว่าพิกัดเป็นเวลานาน การเปลี่ยนรูปแบบการทำงานของกลุ่มหัวฉีดอาจช่วยลดอัตราการใช้ไอน้ำที่โหลดหนึ่ง แต่กลับทำให้ประสิทธิภาพลดลงหรือการสั่นสะเทือนรุนแรงขึ้นที่อีกโหลดหนึ่ง การประเมินที่เป็นประโยชน์จึงไม่ใช่เพียงการพิจารณาว่ารองรับการรับไอน้ำแบบบางส่วนหรือไม่ แต่ต้องดูว่ารูปแบบการรับไอน้ำแต่ละแบบทำงานอย่างไรตลอดช่วงการทำงานที่คาดการณ์ไว้

สัดส่วนการรับไอน้ำไม่ใช่สิ่งเดียวกับโหลดของกังหัน

สัดส่วนการรับไอน้ำคือสัดส่วนของเส้นรอบวงหัวฉีดที่จ่ายไอน้ำให้สเตจหนึ่งอยู่ในขณะนั้น สำหรับหัวฉีดที่กระจายอยู่รอบเส้นรอบวง สามารถคำนวณได้ดังนี้ε = ส่วนโค้งที่รับไอน้ำ ÷ เส้นรอบวงทั้งหมด การควบคุมด้วยกลุ่มหัวฉีดจะเปลี่ยนพื้นที่รับไอน้ำที่มีผลโดยเปิดหรือปิดวาล์วที่จ่ายไอน้ำให้แต่ละกลุ่มแยกจากกัน

ในสเตจแบบแรงกระตุ้น แรงดันที่ลดลงส่วนใหญ่ของสเตจเกิดขึ้นในหัวฉีดที่อยู่นิ่ง ใบพัดที่เคลื่อนที่จะแปลงพลังงานจากไอพ่นให้เป็นงาน โดยเปลี่ยนทิศทางและลดความเร็วของไอพ่น เมื่อรับไอน้ำแบบบางส่วน ใบพัดแต่ละใบจะเคลื่อนผ่านเซกเตอร์ที่มีไอน้ำและเซกเตอร์ที่ไม่มีไอน้ำซ้ำ ๆ แทนที่จะได้รับการไหลรอบเส้นรอบวงอย่างต่อเนื่องโดยประมาณ

สัดส่วนการรับไอน้ำเพียงอย่างเดียวไม่ได้กำหนดอัตราการไหลเชิงมวลหรือกำลังขับ พื้นที่คอคอดของหัวฉีด สภาวะไอน้ำต้นทาง แรงดันปลายทาง การเปิดวาล์ว และสภาวะการไหลวิกฤตล้วนมีผลเช่นกัน การจัดวางสองแบบที่มีส่วนโค้งรับไอน้ำเท่ากันอาจมีความสามารถในการไหลและการสูญเสียต่างกัน

โดยทั่วไป การรับไอน้ำแบบบางส่วนจะจำกัดอยู่ที่สเตจควบคุม แทนที่จะนำไปใช้เหมือนกันตลอดทั้งกังหัน การไหลในสเตจปลายน้ำจะกระจายรอบเส้นรอบวง แม้อาจยังคงไม่สม่ำเสมอ ดังนั้น จึงไม่ควรถือว่าการเปลี่ยนแปลงประสิทธิภาพของสเตจควบคุมเป็นการเปลี่ยนแปลงในระดับเดียวกันของประสิทธิภาพทั้งกังหัน

ที่มาของข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพเมื่อทำงานที่โหลดบางส่วน

เมื่อควบคุมปริมาณไอน้ำด้วยวาล์วร่วม การลดโหลดจะทำให้แรงดันที่จ่ายไปยังหัวฉีดทุกหัวลดลง การควบคุมปริมาณไอน้ำเกิดขึ้นโดยประมาณที่เอนทัลปีคงที่ แต่ทำให้เอนโทรปีเพิ่มขึ้นและลดศักยภาพในการทำงานที่กังหันสามารถนำไปใช้ได้ ในทางกลับกัน การควบคุมด้วยกลุ่มหัวฉีดสามารถปิดบางกลุ่ม ขณะที่กลุ่มที่เปิดยังคงทำงานใกล้เคียงกับสภาวะไอน้ำขาเข้าที่ออกแบบไว้

ความแตกต่างนี้อธิบายได้ว่าทำไมการรับไอน้ำแบบบางส่วนจึงเหมาะกับการใช้งานที่โหลดแปรผัน แต่ไม่ได้หมายความว่ากลุ่มที่เปิดจะทำงานโดยไม่มีการควบคุมปริมาณไอน้ำเสมอไป ระหว่างการเปิดวาล์วตามลำดับ วาล์วกลุ่มหนึ่งอาจเปิดเพียงบางส่วน ขณะที่กลุ่มอื่นเปิดเต็มที่หรือปิดอยู่ การสูญเสียแรงดันในวาล์ว อัตราส่วนแรงดันของสเตจควบคุม และสภาวะปลายน้ำจึงเปลี่ยนแปลงไปพร้อมกัน

เพื่อให้การเปรียบเทียบมีความหมาย ควรใช้สภาวะไอน้ำขาเข้า แรงดันไอเสีย ความเร็ว และเกณฑ์กำลังขับที่ตรงกัน ประเมินกังหันทั้งเครื่อง รวมถึงการสูญเสียทางกลและการใช้พลังงานของอุปกรณ์เสริมที่เกี่ยวข้อง การคำนวณสเตจ ณ จุดออกแบบไม่สามารถระบุได้ว่ากลยุทธ์การควบคุมแบบใดใช้ไอน้ำน้อยกว่าตลอดรอบการทำงานจริง

การสูญเสียที่หักล้างประโยชน์จากการลดการควบคุมปริมาณไอน้ำ

• การสูญเสียจากแรงต้านของไหลในเซกเตอร์ที่ไม่มีไอน้ำ: ใบพัดที่เคลื่อนผ่านบริเวณที่ไม่มีการรับไอน้ำจะกวนและเร่งของไหลรอบข้างโดยไม่ได้รับงานที่เป็นประโยชน์จากไอพ่น การสูญเสียนี้ขึ้นอยู่กับความเร็ว ความหนาแน่นของของไหล รูปทรงใบพัด และส่วนโค้งที่ไม่มีไอน้ำ
• การสูญเสียจากการเติมและการระบาย: ช่องทางไหลในใบพัดที่เคลื่อนเข้าและออกจากเซกเตอร์ที่มีไอน้ำจะเกิดการเริ่มต้นและการลดลงของการไหลแบบชั่วคราว ผลกระทบเหล่านี้มีความสำคัญมากขึ้นเมื่อมีขอบเขตของเซกเตอร์จำนวนมากเมื่อเทียบกับส่วนโค้งที่รับไอน้ำ
• การผสมบริเวณขอบเซกเตอร์: ไอพ่นใกล้ขอบเขตการรับไอน้ำจะปะทะกับของไหลที่มีโมเมนตัมต่ำกว่า ทำให้เกิดความเร็วและมุมปะทะที่ไม่สม่ำเสมอ รวมถึงการสูญเสียพลังงาน

เมื่อสัดส่วนการรับไอน้ำลดลงมาก การสูญเสียแฝงอาจกินสัดส่วนกำลังที่เป็นประโยชน์ของสเตจมากขึ้น ไม่มีสัดส่วนการรับไอน้ำสากลที่ต่ำกว่าระดับหนึ่งแล้วจะถือว่าประสิทธิภาพยอมรับไม่ได้ ขีดจำกัดที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับรูปทรงของสเตจ สภาวะการทำงาน และข้อกำหนดโหลดต่ำสุด

การจัดวางหัวฉีดมีผลต่อทั้งการสูญเสียและแรงกระตุ้น

สัดส่วนการรับไอน้ำที่เท่ากันไม่ได้รับประกันว่าจะให้สมรรถนะเท่ากัน เซกเตอร์ที่รับไอน้ำต่อเนื่องหนึ่งเซกเตอร์กับหลายเซกเตอร์ที่แยกจากกันมีจำนวนขอบเขตทางเข้าและทางออกต่างกัน การแบ่งการรับไอน้ำเป็นหลายเซกเตอร์อาจเพิ่มการสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับขอบเขต ขณะเดียวกันก็เปลี่ยนการกระจายแรงตามแนวเส้นรอบวงและองค์ประกอบความถี่ของแรงกระตุ้นต่อใบพัด

เซกเตอร์ขนาดใหญ่จำนวนน้อยอาจลดจำนวนขอบเขต แต่ก็อาจทำให้การไหลไม่สม่ำเสมอในลำดับต่ำมีความรุนแรงขึ้น การกระจายเป็นหลายเซกเตอร์อาจช่วยให้สมดุลรอบเส้นรอบวงดีขึ้น แต่ทำให้ใบพัดแต่ละใบได้รับการเปลี่ยนแปลงของแรงบ่อยครั้งขึ้นต่อหนึ่งรอบ ไม่มีรูปแบบใดเหนือกว่าโดยอัตโนมัติ การประเมินทางอากาศพลศาสตร์และโครงสร้างต้องอ้างอิงลำดับการเปิดวาล์วจริง

ความเร็วของไอน้ำที่หัวฉีดยังเปลี่ยนแปลงตามอัตราส่วนแรงดันด้วย ดังนั้น ความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วใบพัดกับความเร็วไอพ่น และมุมปะทะขาเข้า จึงอาจเบี่ยงเบนจากค่าที่ออกแบบไว้เมื่อวาล์วทำงาน การรักษาแรงดันในกลุ่มหัวฉีดที่เปิดไว้ไม่ได้รับประกันว่าสามเหลี่ยมความเร็วจะเหมาะสมตลอดช่วงการควบคุม

แรงที่กระทำต่อใบพัดเป็นคาบเป็นประเด็นด้านความล้า ไม่ใช่แค่การสั่นสะเทือน

ใบพัดที่เคลื่อนที่แต่ละใบจะได้รับแรงทางอากาศพลศาสตร์เพิ่มขึ้นเมื่อเข้าสู่เซกเตอร์ที่รับไอน้ำ และลดลงเมื่อออกจากเซกเตอร์นั้น แรงกระตุ้นที่เกิดขึ้นมีองค์ประกอบฮาร์มอนิกที่สัมพันธ์กับความเร็วรอบและรูปแบบการรับไอน้ำ ความกว้างและระยะห่างของเซกเตอร์ ตลอดจนสถานะของวาล์ว ล้วนมีผลต่อสเปกตรัมดังกล่าว

เมื่อองค์ประกอบของแรงกระตุ้นเข้าใกล้ความถี่ธรรมชาติของใบพัดหรือกลุ่มใบพัด ความเค้นพลวัตอาจเพิ่มขึ้น การประเมินควรพิจารณารูปร่างโหมด การหน่วง พฤติกรรมของแถบครอบหรือแถบยึดใบพัดเมื่อเกี่ยวข้อง และสภาวะการทำงานที่อุณหภูมิสูง แผนภาพแคมป์เบลล์มีประโยชน์ แต่การพบว่าความถี่ตัดกันเพียงอย่างเดียวไม่ได้ระบุแอมพลิจูดของความเค้นหรือยืนยันว่าความล้าอยู่ในเกณฑ์ยอมรับได้

การสั่นสะเทือนของแบริ่งต่ำไม่ได้พิสูจน์ว่าความเค้นพลวัตของใบพัดต่ำ โหมดเฉพาะที่ของใบพัดอาจไม่ทำให้เกิดการตอบสนองอย่างเด่นชัดที่เซนเซอร์บนตัวเรือนหรือแบริ่ง ในทางกลับกัน การสั่นสะเทือนโดยรวมที่สูงขึ้นอาจเกิดจากความไม่สมดุล การจัดแนว แบริ่ง หรือสาเหตุอื่น ไม่ใช่การรับไอน้ำแบบบางส่วน

สำหรับการใช้งานที่โหลดแปรผันต่อเนื่อง ควรขอการยืนยันว่าการประเมินแรงกระตุ้นของใบพัดครอบคลุมชุดการรับไอน้ำที่อนุญาตและการเปลี่ยนผ่านที่เกี่ยวข้องแล้ว การทำงานซ้ำ ๆ ใกล้สภาวะที่มีปัญหาอาจส่งผลมากกว่าการผ่านสภาวะนั้นเพียงช่วงสั้น ๆ

การตรวจสอบเมื่อประสิทธิภาพลดลงหรือการสั่นสะเทือนเปลี่ยนแปลง

เมื่อพบอาการใกล้จังหวะเปลี่ยนกลุ่มหัวฉีด ให้ตรวจสอบก่อนว่าอาการสัมพันธ์กับสถานะวาล์วหรือกับตัวแปรการทำงานอื่น เปรียบเทียบจุดทำงานคงตัวที่มีสภาวะไอน้ำและแรงดันไอเสียตรงกัน แทนการพิจารณาจากกำลังขับเพียงอย่างเดียว

1. บันทึกสถานะการรับไอน้ำ บันทึกตำแหน่งวาล์วแต่ละตัว แรงดันในห้องวาล์วหรือกลุ่มหัวฉีดหากมี ความเร็ว อัตราการไหลของไอน้ำ และกำลัง ตรวจสอบว่าการเคลื่อนที่จริงของวาล์วตรงกับลำดับที่สั่งหรือไม่
2. แยกพฤติกรรมชั่วคราวออกจากพฤติกรรมคงตัว การรบกวนช่วงสั้น ๆ ระหว่างวาล์วเคลื่อนที่แตกต่างจากการสูญเสียหรือแรงกระตุ้นที่เกิดขึ้นต่อเนื่องหลังสภาวะคงตัวแล้ว
3. ตรวจทานสเปกตรัมการสั่นสะเทือน เปรียบเทียบองค์ประกอบความถี่ก่อนและหลังการเปลี่ยนผ่าน เชื่อมโยงการเปลี่ยนแปลงกับอันดับการหมุน รูปแบบการรับไอน้ำ และโหมดที่ระบุไว้ แทนการพิจารณาเฉพาะแอมพลิจูดโดยรวม
4. ตรวจสอบสาเหตุอื่นที่เป็นไปได้ การรั่วของวาล์ว วาล์วติดขัด การเปลี่ยนแปลงสภาวะไอน้ำ การเปลี่ยนแปลงแรงดันไอเสีย และความคลาดเคลื่อนในการวัด อาจมีอาการคล้ายปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการรับไอน้ำ

อย่าปรับการซ้อนทับหรือการเปิดวาล์วตามลำดับเพียงเพื่อกำจัดการลดลงของประสิทธิภาพ การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวอาจเปลี่ยนแรงกระตุ้น เสถียรภาพในการควบคุม และการตอบสนองต่อโหลด การปรับตั้งต้องอยู่ภายในแผนที่การทำงานและขั้นตอนควบคุมที่ผู้ผลิตอนุมัติ

สิ่งที่ควรขอก่อนยอมรับการออกแบบสำหรับโหลดแปรผัน

เอกสารทางเทคนิคที่เป็นประโยชน์ควรระบุสมรรถนะที่รับประกัน ณ โหลดตัวแทน ชุดวาล์วที่สอดคล้องกัน โหลดต่อเนื่องต่ำสุด และช่วงการทำงานที่มีข้อจำกัด (ถ้ามี) เอกสารควรแยกการคำนวณของสเตจควบคุมออกจากสมรรถนะของทั้งเครื่อง และระบุสมมติฐานที่ใช้สำหรับการสูญเสียจากการรับไอน้ำแบบบางส่วน

การเปรียบเทียบสมรรถนะยังต้องกำหนดขอบเขตการวัดและวิธีการแก้ไขให้ตรงกัน อัตราการใช้ไอน้ำ กำลังเพลา และกำลังไฟฟ้าขาออกใช้แทนกันไม่ได้ ควรกำหนดสภาวะขาเข้า แรงดันไอเสีย อัตราการไหลของไอน้ำสกัดเมื่อเกี่ยวข้อง และวิธีพิจารณาความไม่แน่นอนก่อนประเมินข้อเสนอที่แข่งขันกัน

ในระดับโรงงาน การประเมินอาจรวมถึงต้นกำลังชนิดอื่นด้วย รุ่นต่าง ๆ ในกลุ่มกังหันก๊าซที่นำเสนอมีรุ่นกำลังขาออกตามรายการตั้งแต่ 2 ถึง 114.5 MW และมีตัวเลือกเชื้อเพลิงแตกต่างกันไปตามรุ่น นี่เป็นการเปรียบเทียบสถาปัตยกรรมอีกแบบหนึ่ง ไม่ใช่วิธีแก้การสูญเสียจากการรับไอน้ำในสเตจกังหันไอน้ำ โดยต้องประเมินความพร้อมของไอน้ำ การจ่ายเชื้อเพลิง ความต้องการความร้อน และสมรรถนะเมื่อโหลดบางส่วนแยกจากกัน

สำหรับตัวกังหันไอน้ำเอง หลักฐานชี้ขาดคือแผนที่การทำงานที่มีข้อมูลรองรับ ซึ่งเชื่อมโยงกำลังขับ สถานะวาล์ว อัตราการใช้ไอน้ำ และเงื่อนไขการทำงานที่อนุญาต ประสิทธิภาพที่ดี ณ พิกัดเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอ เมื่อรูปแบบการใช้งานที่ตั้งใจไว้ทำให้เครื่องทำงานที่โหลดซึ่งรับไอน้ำเพียงบางส่วน หรือใกล้จังหวะเปลี่ยนกลุ่มหัวฉีดเป็นเวลานาน