Jít na vyhledávání

Parní turbína

Výklad

 

Na rozebraném nízkotlakém dílu parní turbíny během rekonstrukce jsou vidět její nejdelší lopatky, jejichž délka může dosahovat kolem 1 metru (Zdroj: © photosoup / stock.adobe.com)

Na rozebraném nízkotlakém dílu parní turbíny během rekonstrukce jsou vidět její nejdelší lopatky, jejichž délka může dosahovat kolem 1 metru

Parní turbína je nejpoužívanější tepelný rotační lopatkový motor sloužící k přeměně vnitřní energie páry na mechanickou energii – otáčení rotoru turbíny. K transformaci energie dochází při silovém působení páry na lopatky turbíny. Moderní energetická turbína má několik těles, přičemž každé těleso se skládá z více stupňů tvořených rozváděcími a oběžnými lopatkovými koly.

V mezilopatkových kanálech rozváděcího kola každého stupně pára expanduje, její vnitřní (tepelná a tlaková) energie se mění na energii kinetickou, která se následně na oběžném lopatkovém kole mění na energii mechanickou. Všechna oběžná kola jsou upevněna na hřídeli a tvoří otáčející se rotor turbíny, upevnění rozváděcích kol tvoří její stator. Výkon parních turbín se většinou reguluje změnou parametrů a průtoku páry turbínou.

Historie

Historie parní turbíny se začala psát koncem devatenáctého století, kdy první stroj splňující tato kritéria sestrojil švédský inženýr a vynálezce Gustaf de Laval. Nechal se inspirovat vodní Peltonovou turbínou, jen s tím rozdílem, že namísto vody proudila z dýz na lopatky oběžného kola pára. Vzhledem k vysokým rychlostem (až 30 000 ot./min.) a tím i odstředivým silám, nutnosti převodů a horším materiálovým vlastnostem v té době byly výkony rovnotlakých Lavalových parních turbín omezené a na pohon výkonových generátorů se nehodily.

Turbogenerátor s Lavalovou turbínou a převodovkou z roku 1893, vystavený v Národním muzeu americké historie ve Washingtonu, měl výkon 10 koňských sil

Turbogenerátor s Lavalovou turbínou a převodovkou z roku 1893, vystavený v Národním muzeu americké historie ve Washingtonu, měl výkon 10 koňských sil

Nedostatky první Lavalovy turbíny odstranil o rok později v roce 1884 anglický vynálezce Charles Algernon Parsons – vynálezce přetlakové turbíny. Na rozdíl od Lavala použil vícestupňovou konstrukci parní turbíny, přičemž každý stupeň sestával z nepohyblivého věnce rozváděcích lopatek pevně spojeného s tělesem turbíny a z věnce lopatek oběžného kola spojeného s hřídelí. V přetlakové turbíně dochází k expanzi páry nejen v lopatkových kanálech rozváděcího kola, ale i při průtoku páry oběžným kolem. Turbína Charlese Parsonse měla relativně nízké otáčky a mohla být připojena přímo ke generátoru nebo například přes redukci k lodnímu šroubu.

Na přelomu 19. a 20. století začalo její masivní využívání a za několik let úplně vytlačila parní stroj. První Parsonsova turbína poháněla generátor o výkonu 7,5 kW, ale v poměrně krátkém čase se výkon jeho turbogenerátorů zvýšil až 10 000krát. Výkony turbín byly lehce škálovatelné a turbína si tak našla své pevné místo v energetice.

Rozdělení parních turbín

Základní rozdíl při konstrukci turbín spočívá v principu přeměny energie páry na kinetickou energii rotoru. Rovnotlaká akční parní turbína je charakteristická tím, že k expanzi a poklesu tlaku páry dochází jen při jejím průtoku rozváděcími lopatkami, při průtoku páry oběžným kolem se její tlak nemění. Pro přetlakovou reakční turbínu naopak platí, že k expanzi a poklesu tlaku páry dochází na lopatkách obou kol turbínového stupně.

Uspořádání a princip práce rovnotlaké a přetlakové parní turbíny

Uspořádání a princip práce rovnotlaké a přetlakové parní turbíny

Parní turbína z Jaderné elektrárny Temelín se třemi nízkotlakými díly je typickým představitelem turbín na sytou páru (Zdroj: ČEZ, a. s.)

Parní turbína z Jaderné elektrárny Temelín se třemi nízkotlakými díly je typickým představitelem turbín na sytou páru

Podle parametrů vstupní páry lze parní turbíny rozdělit na turbíny na sytou páru (často využívané v jaderné energetice) a turbíny na přehřátou páru, které pracují v uhelných elektrárnách a vyznačují se vyšší účinností.

Kontrola rotorových lopatek posledního stupně parní turbíny v mělnické elektrárně (Zdroj: ČEZ, a. s.)

Kontrola rotorových lopatek posledního stupně parní turbíny v mělnické elektrárně

Parní turbíny jsou výkonově dobře škálovatelné, ty větší jsou složeny z několika vícestupňových těles na společné hřídeli. Teoreticky je ale možné turbíny dělit na jednostupňové a vícestupňové a na jednotělesové a vícetělesové. Pro vícestupňové parní turbíny platí, že je průměr oběžného kola každého následujícího stupně větší, protože postupnou expanzí páry se zvětšuje i její objem. Průměry oběžných kol posledních nízkotlakých stupňů jsou ale limitovány maximální odstředivou silou působící na lopatky a tím i jejich délkou. Je-li páry v nízkotlaké oblasti turbíny více, je nutné její rozdělení do dvou, někdy i tří nízkotlakých dílů.

Pára procházející lopatkami jednoproudého tělesa způsobuje boční tlak na rotor (ve směru osy), který musí vyrovnávat axiální ložisko (Zdroj: © photosoup / stock.adobe.com)

Pára procházející lopatkami jednoproudého tělesa způsobuje boční tlak na rotor (ve směru osy), který musí vyrovnávat axiální ložisko

Tělesa parních turbín mohou být jednoproudá nebo dvouproudá. Pára v jednoproudém tělese prochází jednotlivými stupni tělesa jen jedním směrem, a axiální síly vzniklé v rotoru musí být kompenzovány ložiskem nebo druhým, v protisměru orientovaným tělesem. U dvouproudých těles vchází pára do tělesa uprostřed a proudí přes stupně symetricky na obě strany. Axiální síly obou proudů se vyrovnají a není nutné je externě kompenzovat.

Náhradní rotor dvouproudého nízkotlakého tělesa parní turbíny v Temelíně

Náhradní rotor dvouproudého nízkotlakého tělesa parní turbíny v Temelíně

Podle dalšího využití páry, která prošla turbínou, můžeme parní turbíny rozdělit na kondenzační, protitlakové a odběrové. Kondenzační turbíny se snaží plně využít potenciál v páře – pára po opuštění posledního stupně turbíny kondenzuje na chladných trubkách kondenzátoru a tím v něm udržuje hluboký podtlak. Pára z výstupu protitlakové turbíny má ještě dostatečně vysoké parametry na to, aby mohla být dále technologicky využita, například k vytápění. Parní turbína může být ještě odběrová – pára se z turbíny odebírá na více místech mezi jednotlivými stupni a slouží k regenerativnímu ohřevu kondenzátu nebo jako zdroj tepla pro teplárenství. Odběry mohou být regulované nebo neregulované. Většina energetických parních turbín je odběrových.

Regenerační ohřev kondenzátu zlepšuje tepelnou bilanci cyklu (Zdroj: © fotopic / stock.adobe.com)

Regenerační ohřev kondenzátu zlepšuje tepelnou bilanci cyklu

Pomocné systémy turbíny

Olejová regulace parní turbíny se nachází na její ose u vysokotlakého dílu (Zdroj: © Andrei Merkulov / stock.adobe.com)

Olejová regulace parní turbíny se nachází na její ose u vysokotlakého dílu

Bezpečnou a spolehlivou práci turbíny zabezpečují především systémy pro její regulaci, mazání, prohřev nebo protáčení rotorů.

Bezproblémový chod turbosoustrojí zabezpečuje vysokotlaký olejový systém, hydraulicky řídící všechny regulační a uzavírací prvky na vstupech páry do jednotlivých dílů. Jsou to hlavně ochranné rychlozávěrné ventily, které rychle uzavřou přívod páry do turbíny v případě nenadálé havarijní situace a tím nouzově přesměrují tok páry mimo soustrojí do jiných zařízení, například kondenzátoru. Další jsou regulační ventily a klapky umožňující plynulou regulaci průtoku páry do turbíny na základě vyhodnocení provozních čidel nebo přímého zásahu operátora bloku. Regulační ventily na základě impulzů z elektro-hydraulického převodníku škrtí přívod páry do turbíny a tím snižují její využitelnou energii i výkon turbíny.

Druhým důležitým pomocným systémem turbíny je systém mazání, který zásobuje mazacím olejem všechna kluzná ložiska turbosoustrojí. Skládá se ze zásobní olejové nádrže, čerpadel oleje, filtrů, chladičů až po tlaková potrubí. Mazání ložisek musí být zabezpečeno při všech režimech turbíny.

Vnitřní hermetické kryty tří nízkotlakých dílů temelínské turbíny, uložené ve strojovně vedle pracující turbíny

Vnitřní hermetické kryty tří nízkotlakých dílů temelínské turbíny, uložené ve strojovně vedle pracující turbíny

Během najíždění turbíny ze studeného stavu je potřebný další systém – systém prohřevu a odvodnění vnitřních částí turbíny, zabezpečující postupné rovnoměrné zvyšování teplot těles ještě před vpuštěním páry do turbíny. S najížděním souvisí i tzv. natáčecí zařízení, které umožňuje pomalé protáčení rotorů turbíny během prohřevu před najetím, nebo naopak při ochlazování po odstavení turbosoustrojí.

Turbína pro 1000MW blok JE Temelín

V sekundárním okruhu temelínských bloků je použita unikátní prototypová turbína na sytou páru výrobce Škoda Power. Turbína je čtyřtělesová – skládá se z jednoho vysokotlakého dílu a tří paralelních nízkotlakých dílů uspořádaných za sebou na společné hřídeli. Vzhledem k negativnímu vlivu vlhké páry na účinnost a životnost turbíny je mezi vysokotlakým dílem a nízkotlakými díly zařazen separátor – přihřívač.

Strojovna bloku Jaderné elektrárny Temelín s 1000MW turbínou (Zdroj: ČEZ, a. s.)

Strojovna bloku Jaderné elektrárny Temelín s 1000MW turbínou

Ze čtyř parogenerátorů proudí sytá pára o tlaku 6,3 MPa a teplotě asi 280 °C přes regulační a rychlozávěrné ventily do dvouproudého vysokotlakého dílu (2 × 5 stupňů). Zde expanduje a odevzdává lopatkám přibližně 2/5 své energie. Expanzí se pára dostává do oblasti mokré páry – obsahuje asi 10 % malých kapiček vody, které by mohly působit erozivně na lopatky dalších stupňů turbíny a snižovat tím její životnost. Proto je za VT dílem pára vedena do dvou vnějších horizontálních separátorů, zrcadlově umístěných po obou stranách turbíny. Průchodem přes žaluzie separátorů je pára zbavena vlhkosti a je také zvýšena její teplota na 250 °C.

Jeden ze dvou horizontálních separátorů, které zbavují páru přebytečné vlhkosti a přihřívají ji před vstupem do tří nízkotlakých dílů (Zdroj: ČEZ, a. s.)

Jeden ze dvou horizontálních separátorů, které zbavují páru přebytečné vlhkosti a přihřívají ji před vstupem do tří nízkotlakých dílů

Z výstupu separátorů proudí pára do nízkotlaké části turbíny. Při expanzi se snižuje tlak páry a roste její měrný objem, takže větší množství páry musí být rozděleno až do tří dvouproudých nízkotlakých dílů. Každý NT rotor je svařenec 9,2 m dlouhý, váží 86 tun a je na něm v 8 stupních (2 × 4) uchyceno 970 lopatek. Nejdelší koncové lopatky s nadzvukovými aerodynamickými profily jsou dlouhé 1,22 m. Průměr nízkotlakého rotoru přes tyto lopatky je úctyhodných 4,3 m.

Exkurze středoškolských studentů u nízkotlakých dílů 1 000MW temelínské turbíny

Exkurze středoškolských studentů u nízkotlakých dílů 1 000MW temelínské turbíny

Temelínská turbína měří spolu s generátorem 60 metrů a váží přibližně 2 000 tun. Je to unikátní zařízení v rámci domácí i světové energetické výrobní základny.

Vrátit se nahoru
detail