Parní turbína

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Fyzikální principy

Pracovní látkou v parní turbíně je vodní pára, jejíž tepelná energie, kterou získala v uhelném kotli od produktů spalování paliva nebo v parogenerátorech jaderných elektráren, se mění na mechanickou práci rotoru. Proces transformace energie probíhá při expanzi páry, proudící mezilopatkovým prostorem rozváděcího a v případě přetlakové turbíny i oběžného kola. Do turbíny vstupuje pára s určitou vnitřní tlakovou a tepelnou energií, která se postupně v jednotlivých stupních turbíny mění expanzí na kinetickou energii. Tu pára na svojí další cestě předá s určitou účinností lopatkám oběžných kol, která konají mechanickou práci.

V ideální turbíně probíhá expanze páry jako izoentropický děj (entropie soustavy se nemění) – pára koná práci na úkor vnitřní energie.

Ze zjednodušené rovnice prvního zákonu termodynamiky vyplývá, že měrná mechanická práce ideální turbíny se rovná izoentropickému tepelnému spádu, tvořenému rozdílem měrných entalpií páry na vstupu do turbíny (ip [kJ/kg]) a výstupu z turbíny (ik0 [kJ/kg]).

a = ip − ik0 = Δi0

V reálných parních turbínách dochází například vlivem tření páry v lopatkování ke ztrátám a skutečný tepelný spád je menší.

Δi = ip − ik

Míru zmenšení spádu a tím i výsledné měrné mechanické práce charakterizuje vnitřní termodynamická účinnost turbíny.

ηtd = Δi / Δi0 = (ip − ik) / (ip − ik0)

Výkon parní turbíny (Pt [kW]) je zjednodušeně přímo úměrný skutečnému tepelnému spádu a množství páry protékající turbínou (mp [kg/s]).

Pt = mp . (ip − ik)

Emisní pára vycházející z turbíny kondenzuje na trubkách kondenzátoru při stálém emisním tlaku. Pokud má vzniklý kondenzát na výstupu z kondenzátoru entalpii ikon, turbína má následující spotřebu tepla (Qt [kJ/s]).

Qt = mp . (ip − ikon)