Turbíny

8.4.2.12

Turbíny

Ing. Vítězslav Šťastný, CSc. a kolektiv

 NahoruTepelné turbíny

Tepelné turbíny jsou rychloběžné motory, ve kterých dochází k expanzi vysokotlaké přehřáté páry, popř. mokré páry nebo stlačeného horkého plynu, při kterém se přeměňuje tepelná a tlaková energie vzdušiny na energii mechanickou (dynamický účinek páry proudící oběžným kolem vyvozuje obvodovou sílu a tím kroutící moment na hřídeli). Charakteristickými vlastnostmi turbín jsou vysoké otáčky, tím relativně malá hmotnost při velkých výkonech, vysoká účinnost a možnost expanze až do vakua.

 NahoruTypy turbín

Tepelné turbíny se člení podle různých kritérií, zejména podle pracovní látky, tlaku výstupní páry, odběrů páry z turbíny, počtu turbínových těles, počtu stupňů, principu funkce a proudění pracovní látky.

 NahoruPracovní látka

U plynových turbín jsou pracovní látkou obvykle spaliny plynných nebo kapalných paliv se vstupní teplotou do turbíny 600 až 1500 °C a výstupní teplotou 450 až 600 °C, účinnost výroby elektřiny je 28 až 38 %.

U parních turbín na přehřátou páru bývá vstupní teplota páry do turbíny 400 až 650 °C, celková účinnost výroby elektřiny (včetně parního kotle) je 28 až 46 °C.

Parní turbíny na sytou resp. mokrou páru. Používají se převážně v jaderných elektrárnách a pro mikrokogeneraci.

 NahoruTlak výstupní páry

Turbiny protitlaké; výstupní tlak je poměrně vysoký ~0,1 až 0,6 MPa, pára se dá použít pro topné nebo technologické účely.

Turbíny kondenzační; pára expanduje do vakua na tlak 0,002 až 0,01 MPa. Teplo emisní páry je ztraceno a odvádí se do okolí chladicím systémem.

Schéma turbíny s neregulovanými a s regulovanými odběry páry je v obr. 1. Pára se odebírá na několika místech z turbíny a ohřívá napájecí vodu kotle dle obr. 1a), takže se zvětšuje účinnost tepelného oběhu.

Obr. 1 Odběrové turbíny

1. turbína s neregulovanými odběry

2. turbína s regulovanými odběry1 – regenerační ohříváky napájecí vody, 2 spotřebiče tepla, 3 pára, 4 napájecí voda

U turbín s regulovanými odběry páry se pára odebírá jedním nebo max. třemi odběry s vhodným tlakem, kterými se dodává teplo spotřebitelům. Odběr páry se reguluje podle požadavků spotřeby. U velkých bloků se zvyšuje účinnost zařízení přihříváním páry. Přehřátá pára z kotle expanduje z tlaku p₁ na tlak p₂ ve VT díle turbíny, vrací se do kotle do přihříváku páry, kde se její teplota zvýší z t₂ na t_pp. Tato pára se přihřívá obvykle na teplotu vstupní páry nebo t_pp = t₁ - (15 až 30) °C.

U velkých turbín na sytou páru (v jaderných elektrárnách) se za vnější separaci vlhkosti zařazuje ještě přihřívání páry.

Podle počtu těles se turbíny dělí na jednotělesové (s expanzí v jednom tělese) a mnohatělesové (s expanzí ve dvou nebo více tělesech) zapojených za sebou nebo vedle sebe. V obr. 2 je čtyřtělesová parní turbína s (VT) tělesem, středotlakým (ST) tělesem a s dvěma dvouproudými (NT) tělesy.

Obr. 2 Čtyřtělesová parní turbína

Pro menší výkony se používají jednotělesové turbíny.

Další dělení se provádí podle počtu stupňů parní turbíny. Vícestupňové parní turbíny jsou prováděny buď ze stejných tlakových stupňů, nebo jsou kombinované. Pro malé výkony se používají jednostupňové turbíny.

 NahoruPrincip funkce

Každý stupeň turbíny je tvořen pevnou rozváděcí lopatkovou mříží a oběžnou lopatkovou mříží umístěnou na rotoru. Rozváděcí lopatky tvoří řadu paralelních trysek, jejichž účelem je přeměnit s minimálními ztrátami tlak vzdušiny na rychlost.

U rovnotlakého stupně se celý entalpický spád přeměňuje v rozváděcích lopatkách na rychlost, u přetlakového stupně pouze část a zbytek entalpického spádu se přemění na rychlost v oběžné lopatkové mříži a následně v rotoru se mění kinetická energie na mechanickou práci.

U přetlakových turbín (obr. 3b) vzniká přetlakem páry na oběžné lopatky velká osová síla na rotor, která se vyrovnává odlehčujícím pístem. U vícestupňové rovnotlaké turbíny je použito Curtisova kola jako regulačního stupně (obr. 3a).

Obr. 3_t Příklad typů turbín

1. vícestupňová rovnotlaká turbína, 1 – oběžná kola, 2 – rozváděcí kola, 3 – rozváděcí lopatky, 4 – skříň

2. přetlaková turbína, 1 – bubnový rotor, 2 – oběžné lopatky, 3 – rozváděcí lopatky, 4 – skříň, 5 – odlehčující píst

Podle proudění pracovní látky se nejčastěji používají axiální turbíny (pára proudí rovnoběžně s osou hřídele). U radiálních turbín pára proudí kolmo na osu hřídele. U centripetálních turbín pára vstupuje do turbíny radiálně a vystupuje axiálně (používá se u malých turbín). V obr. 4 je uveden příklad jednostupňové protitlaké turbíny, která zpracovává celý tepelný spád v jednom radiálním stupni.

Obr. 4 Jednostupňová protitlaká turbína

1 – rychlouzávěrný ventil, 2 – regulační ventil, 3 – rozváděcí kolo, 4 – oběžné kolo, 5 – turbínový protitlaký modul, 6 – jednopastorková převodová skříň, 7 – spojka

 NahoruEnergetická bilance parní turbíny

Vstupní energie pracovní látky se přeměňuje na výkon turbíny a ztráty. Rozlišují se ztráty vnitřní, kde se ztracená energie přeměňuje na teplo, které lze znova využít a ztráty vnější (např. únik páry ucpávkami, ztráty tepla do okolí, ztráty mechanické). Do vnitřních ztrát patří hlavně tření v rozváděcích a oběžných lopatkách, okrajová ztráta, změnou směru proudu, ztráta vějířová, ztráty ventilační, částečným ostřikem, vnitřními netěsnostmi a další.

 NahoruÚčinnost turbíny

Celková účinnost turbíny (termodynamická na spojce)

Výkon turbíny na spojce

P_sp = M· h_ad· η_{td sp} [kW]

Výkon turbogenerátoru na svorkách

P_sv = M· h_ad· η_{td sp}· η_g = M· h_ad· η_{td sv} [kW]

kde je η_g [1] účinnost elektrického generátoru, η_{td sv} [1] termodynamická účinnost turbogenerátoru na svorkách, h_ad teoretický adiabatický entalpický spád, h_i entalpický spád turbíny, M [kg/s] hmotnostní průtok pracovní látky.

V následujících obrázcích jsou uvedeny informativní hodnoty účinností.

Obr. 5 Termodynamická účinnost parních turbín na spojce

1 – kondenzační turbíny, 2 – protitlaké vysokotlaké turbíny

Horní křivky platí pro menší…