ผลกระทบของการเพิ่มครีบที่ผนังท่อระบายน้ำต่อการเปลี่ยนแปลงความดันของกังหันฟรานซิส

พลังงานน้ำเป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่ตอบสนองได้อย่างรวดเร็ว โดยปกติแล้วจะทำหน้าที่ควบคุมช่วงเวลาที่มีความต้องการใช้ไฟฟ้าสูงสุดและควบคุมความถี่ของกระแสไฟฟ้าในระบบส่งไฟฟ้า ซึ่งหมายความว่าหน่วยผลิตไฟฟ้าพลังน้ำมักจะต้องทำงานภายใต้สภาวะที่เบี่ยงเบนไปจากสภาวะที่ออกแบบไว้ จากการวิเคราะห์ข้อมูลการทดสอบจำนวนมาก พบว่าเมื่อกังหันทำงานภายใต้สภาวะที่ไม่เป็นไปตามการออกแบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้สภาวะการทำงานที่โหลดบางส่วน จะเกิดการผันผวนของความดันอย่างรุนแรงในท่อระบายน้ำของกังหัน ความถี่ต่ำของการผันผวนของความดันนี้จะส่งผลเสียต่อการทำงานที่เสถียรของกังหันและความปลอดภัยของหน่วยผลิตไฟฟ้าและโรงงาน ดังนั้น การผันผวนของความดันในท่อระบายน้ำจึงเป็นประเด็นที่ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางจากภาคอุตสาหกรรมและสถาบันการศึกษา

นับตั้งแต่มีการเสนอประเด็นปัญหาการผันผวนของความดันในท่อระบายน้ำของกังหันน้ำเป็นครั้งแรกในปี 1940 สาเหตุของปัญหานี้ก็ได้รับความสนใจและถกเถียงจากนักวิชาการหลายท่าน ปัจจุบัน นักวิชาการส่วนใหญ่เชื่อว่าการผันผวนของความดันในท่อระบายน้ำภายใต้สภาวะการทำงานแบบไม่เต็มกำลังนั้น เกิดจากการเคลื่อนที่ของกระแสน้ำวนแบบเกลียวในท่อระบายน้ำ การมีอยู่ของกระแสน้ำวนทำให้การกระจายความดันบนหน้าตัดของท่อระบายน้ำไม่สม่ำเสมอ และด้วยการหมุนของกระแสน้ำวนนั้น สนามความดันที่ไม่สมมาตรก็จะหมุนตามไปด้วย ทำให้ความดันเปลี่ยนแปลงเป็นระยะๆ ตามเวลา ก่อให้เกิดการผันผวนของความดัน กระแสน้ำวนแบบเกลียวเกิดจากกระแสน้ำวนที่ทางเข้าท่อระบายน้ำภายใต้สภาวะการทำงานแบบไม่เต็มกำลัง (กล่าวคือ มีส่วนประกอบของความเร็วในแนวสัมผัส) สำนักงานการชลประทานแห่งสหรัฐอเมริกาได้ทำการศึกษาทดลองเกี่ยวกับกระแสน้ำวนในท่อระบายน้ำ และวิเคราะห์รูปร่างและพฤติกรรมของกระแสน้ำวนภายใต้ระดับการหมุนที่แตกต่างกัน ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่า เฉพาะเมื่อระดับการหมุนวนถึงระดับหนึ่งเท่านั้น แถบกระแสน้ำวนแบบเกลียวจะปรากฏขึ้นในท่อส่งน้ำ กระแสน้ำวนแบบเกลียวจะปรากฏขึ้นภายใต้สภาวะการทำงานแบบโหลดบางส่วน ดังนั้นเฉพาะเมื่ออัตราการไหลสัมพัทธ์ (Q/Qd โดยที่ Qd คืออัตราการไหล ณ จุดออกแบบ) ของการทำงานของกังหันอยู่ระหว่าง 0.5 ถึง 0.85 เท่านั้น จึงจะเกิดการผันผวนของความดันอย่างรุนแรงในท่อส่งน้ำ ความถี่ของส่วนประกอบหลักของการผันผวนของความดันที่เกิดจากแถบกระแสน้ำวนนั้นค่อนข้างต่ำ ซึ่งเทียบเท่ากับ 0.2 ถึง 0.4 เท่าของความถี่การหมุนของใบพัด และยิ่ง Q/Qd น้อยลงเท่าใด ความถี่ของการผันผวนของความดันก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น นอกจากนี้ เมื่อเกิดโพรงอากาศ ฟองอากาศที่เกิดขึ้นในกระแสน้ำวนจะเพิ่มขนาดของกระแสน้ำวนและทำให้การผันผวนของความดันรุนแรงขึ้น และความถี่ของการผันผวนของความดันก็จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย
ภายใต้สภาวะการทำงานแบบไม่เต็มกำลัง การผันผวนของความดันในท่อระบายน้ำอาจเป็นภัยคุกคามอย่างมากต่อการทำงานที่เสถียรและปลอดภัยของหน่วยผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ เพื่อลดการผันผวนของความดันนี้ จึงมีการเสนอแนวคิดและวิธีการต่างๆ มากมาย เช่น การติดตั้งครีบที่ผนังท่อระบายน้ำและการระบายอากาศเข้าไปในท่อระบายน้ำ ซึ่งเป็นสองมาตรการที่มีประสิทธิภาพ Nishi และคณะได้ใช้วิธีการทดลองและวิธีการคำนวณเพื่อศึกษาผลของครีบต่อการผันผวนของความดันในท่อระบายน้ำ รวมถึงผลของครีบชนิดต่างๆ จำนวนครีบ และตำแหน่งการติดตั้ง ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าการติดตั้งครีบสามารถลดความเบี่ยงเบนของกระแสน้ำวนและลดการผันผวนของความดันได้อย่างมีนัยสำคัญ Dmitry และคณะยังพบว่าการติดตั้งครีบสามารถลดขนาดของการผันผวนของความดันได้ 30% ถึง 40% การระบายอากาศจากรูตรงกลางของเพลาหลักไปยังท่อระบายน้ำก็เป็นอีกวิธีหนึ่งที่มีประสิทธิภาพในการลดการผันผวนของความดันเช่นกัน นอกจากนี้ นิชิและคณะยังได้ลองระบายอากาศในท่อดราฟต์ผ่านรูเล็กๆ บนพื้นผิวของครีบ และพบว่าวิธีนี้สามารถลดการผันผวนของแรงดันได้ และปริมาณอากาศที่ต้องการมีน้อยมากเมื่อครีบไม่สามารถทำงานได้