ผลของการเพิ่มครีบบนผนังท่อร่างต่อแรงสั่นสะเทือนของกังหันฟรานซิส

เนื่องจากเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่ตอบสนองรวดเร็ว พลังงานน้ำจึงมักมีบทบาทในการควบคุมจุดสูงสุดและความถี่ในโครงข่ายไฟฟ้า ซึ่งหมายความว่าหน่วยพลังงานน้ำมักต้องทำงานภายใต้เงื่อนไขที่เบี่ยงเบนไปจากเงื่อนไขการออกแบบ จากการวิเคราะห์ข้อมูลการทดสอบจำนวนมาก พบว่าเมื่อกังหันทำงานภายใต้เงื่อนไขที่ไม่ใช่การออกแบบ โดยเฉพาะภายใต้เงื่อนไขโหลดบางส่วน จะเกิดการสั่นของแรงดันที่รุนแรงในท่อร่างของกังหัน ความถี่ต่ำของการสั่นของแรงดันนี้จะส่งผลเสียต่อการทำงานที่เสถียรของกังหันและความปลอดภัยของหน่วยและเวิร์กช็อป ดังนั้น การสั่นของแรงดันในท่อร่างจึงเป็นที่กังวลอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมและสถาบันการศึกษา

นับตั้งแต่มีการเสนอปัญหาของการเต้นของแรงดันในท่อร่างของกังหันเป็นครั้งแรกในปี 1940 สาเหตุนี้จึงได้รับการวิพากษ์วิจารณ์และอภิปรายโดยนักวิชาการหลายคน ในปัจจุบัน นักวิชาการส่วนใหญ่เชื่อว่าการเต้นของแรงดันในท่อร่างภายใต้เงื่อนไขการรับน้ำหนักบางส่วนเกิดจากการเคลื่อนที่ของกระแสน้ำวนแบบเกลียวในท่อร่าง การมีอยู่ของกระแสน้ำวนทำให้การกระจายแรงดันบนหน้าตัดของท่อร่างไม่สม่ำเสมอ และด้วยการหมุนของสายพานกระแสน้ำวน สนามแรงดันที่ไม่สมมาตรก็หมุนเช่นกัน ทำให้แรงดันเปลี่ยนแปลงเป็นระยะตามเวลา ก่อให้เกิดการเต้นของแรงดัน กระแสน้ำวนแบบเกลียวเกิดจากการไหลวนที่ทางเข้าท่อร่างภายใต้เงื่อนไขการรับน้ำหนักบางส่วน (กล่าวคือ มีองค์ประกอบเชิงสัมผัสของความเร็ว) สำนักงานชลประทานแห่งสหรัฐอเมริกาได้ทำการศึกษาทดลองเกี่ยวกับกระแสน้ำวนในท่อร่าง และวิเคราะห์รูปร่างและพฤติกรรมของกระแสน้ำวนภายใต้ระดับการหมุนวนที่แตกต่างกัน ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าเมื่อระดับการหมุนวนถึงระดับหนึ่งเท่านั้น แถบกระแสน้ำวนแบบเกลียวจะปรากฏขึ้นในท่อร่าง กระแสน้ำวนแบบเกลียวจะปรากฏขึ้นภายใต้เงื่อนไขการรับน้ำหนักบางส่วน ดังนั้นเมื่ออัตราการไหลสัมพันธ์ (Q/Qd, Qd คืออัตราการไหลจุดออกแบบ) ของการทำงานของกังหันอยู่ระหว่าง 0.5 ถึง 0.85 เท่านั้น จึงจะเกิดการสั่นของแรงดันอย่างรุนแรงในท่อร่าง ความถี่ของส่วนประกอบหลักของการสั่นของแรงดันที่เกิดจากสายพานกระแสน้ำวนนั้นค่อนข้างต่ำ ซึ่งเทียบเท่ากับ 0.2 ถึง 0.4 เท่าของความถี่การหมุนของรันเนอร์ และยิ่ง Q/Qd เล็กลง ความถี่ของการสั่นของแรงดันก็จะสูงขึ้น นอกจากนี้ เมื่อเกิดโพรงอากาศ ฟองอากาศที่เกิดขึ้นในกระแสน้ำวนจะเพิ่มขนาดของกระแสน้ำวนและทำให้การสั่นของแรงดันมีความเข้มข้นมากขึ้น และความถี่ของการสั่นของแรงดันก็จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย
ภายใต้เงื่อนไขการรับน้ำหนักบางส่วน การสั่นของแรงดันในท่อร่างอาจเป็นภัยคุกคามอย่างมากต่อการทำงานที่มั่นคงและปลอดภัยของหน่วยพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ เพื่อระงับการสั่นของแรงดันนี้ มีการเสนอแนวคิดและวิธีการต่างๆ มากมาย เช่น การติดตั้งครีบบนผนังของท่อร่างและการระบายอากาศในท่อร่าง ซึ่งเป็นมาตรการที่มีประสิทธิภาพสองประการ Nishi et al. ใช้การทดลองและวิธีเชิงตัวเลขเพื่อศึกษาผลกระทบของครีบต่อการสั่นของแรงดันของท่อร่าง รวมถึงผลกระทบของครีบประเภทต่างๆ ผลกระทบของจำนวนครีบและตำแหน่งการติดตั้ง ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าการติดตั้งครีบสามารถลดความเยื้องศูนย์ของกระแสน้ำวนและลดการสั่นของแรงดันได้อย่างมีนัยสำคัญ Dmitry et al ยังพบว่าการติดตั้งครีบสามารถลดแอมพลิจูดของการสั่นของแรงดันได้ 30% ถึง 40% การระบายอากาศจากรูตรงกลางของเพลาหลักไปยังท่อร่างก็เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการระงับการสั่นของแรงดันเช่นกัน ระดับความเยื้องศูนย์ของกระแสน้ำวน นอกจากนี้ นิชิและคณะ ยังได้ทดลองระบายอากาศในท่อร่างผ่านรูเล็กๆ บนผิวครีบ และพบว่าวิธีนี้สามารถระงับการเต้นของแรงดันได้ และปริมาณอากาศที่ต้องการจะน้อยมากเมื่อครีบไม่สามารถทำงานได้