Parní turbína
Slovo turbína pochází ze začátku 19. století, a i když bylo prvně použito pro zdokonalené vodní kolo, dnes se používá pro všechny stroje s otáčejícím se kolem s lopatkami. Turbína v jaderné elektrárně je velký stroj, převádějící energii horké páry na mechanickou energii středové hřídele (která je pevně spojena a pohání elektrický generátor). Funguje podobně jako vodní turbína, jen namísto vody je na lopatky nasměrována pára vyrobená v parogenerátoru. Když temelínská turbína pracuje naplno, proudí do ní tolik páry, že by každou minutu zaplnila jeden horkovzdušný balón. V minulosti by takové množství páry stačilo pro několik set parních lokomotiv.
Stovky velkých parních lokomotiv z minulého století by mohly jezdit na páru, která je dnes určena jediné temelínské turbíně
Temelínský turbogenerátor může současně napájet až 10 000 nabíječek elektromobilů Tesla
Temelínský turbogenerátor
V Jaderné elektrárně Temelín má turbína s generátorem neuvěřitelný elektrický výkon přes 1 000 MW. Kdyby veškerá elektřina (vyrobená turbínou s generátorem) napájela například rychlovarné konvice, mohlo by jich být současně zapojeno asi půl milionu. Kdybychom nepotřebovali tolik horké vody, stačila by vyrobená energie například na základní dobíjení asi 300 000 elektromobilů, případně 10 000 vozů Tesla při použití stejnosměrné nabíječky SuperCharger.
Proud páry tlačí lopatku turbíny do strany a tím roztáčí celé kolo
Lopatka za lopatkou, větrník na páru
Když proudu páry postavíme do cesty lopatku, šikmo uchycenou na obvodu oběžného kola, pára se od ní odrazí a odstrčí ji na druhou stranu. Pokud je na kole za první lopatkou uchycena druhá, která se tím dostane do proudu páry, odraz a odstrčení lopatky se opakuje. Při plně osazeném kole lopatkami vyvolává tento cyklický děj rovnoměrné otáčení celého kola, jako kdybychom foukali do větrníku.
V opravdové turbíně se střídají kola s pevnými rozváděcími lopatkami s otáčejícími se koly s oběžnými lopatkami
Lopatky turbíny
Proč bychom ale ofukovali jenom jednu lopatku? Když budeme foukat současně na všechny lopatky po celém obvodu lopatkového oběžného kola, znásobí se síla, která kolem otáčí. Jinými, odbornými slovy – více energie proudící páry se přemění na mechanickou energii kola s lopatkami. Správnou rychlost a směr páry zajišťuje taky lopatkové kolo (rozváděcí), které se ale neotáčí a je pevně spojeno se skříní turbíny. Pevné lopatky mají za úkol zrychlit proud páry protékající mezi nimi a nasměrovat jej pod správným úhlem na lopatky oběžného kola. Každý kanálek mezi dvěma lopatkami pevného kola je jako jedna pusa foukající do větrníku.
Každý díl turbíny má vstup a výstup páry a je složen z několika stupňů (dvojic kol)
Rozváděcí a oběžné kolo, stupeň a díl turbíny
V reálné turbíně je parovodem přiváděna horká pára s vysokým tlakem do turbíny, kde je po obvodu rovnoměrně rozdělena, prochází kanálky mezi lopatkami pevného kola a roztáčí lopatky oběžného kola. Spolupracující dvojice kol (pusa a větrník) tvoří tzv. stupeň turbíny. Roztočením jednoho kola přijde pára jen o část své energie, a proto se turbínové stupně (dvojice kol) řadí za sebou a spolu tvoří díl turbíny. Podle tlaku páry, která v dílu roztáčí kola, to může být vysokotlaký, středotlaký nebo nízkotlaký díl. Každý díl turbíny je samostatné těleso se vstupem a výstupem páry. Velké energetické turbíny mají většinou 3 až 4 díly uložené za sebou na společné hřídeli.
S každým dalším stupněm se zvětšuje objem páry a s tím souvisí větší průměr lopatkového kola
Souvislost tlaku páry s délkou lopatek
Když pára projde jedním stupněm, roztočí kolo s lopatkami a tím vykoná určitou práci. To se projeví poklesem parametrů – trochu se sníží její tlak i teplota. Při nižším tlaku má ale pára o malinko větší objem. Je to, jako kdybychom u moře nafoukli balonek vzduchem a vyrazili s ním do hor. Rostoucí nadmořská výška a klesající atmosférický tlak by způsobily zvětšování objemu balonku. Když má pára za každým stupněm větší objem, musí se zvětšit i prostor mezi lopatkami, kterým následně protéká. Proto má každý další stupeň turbíny o malinko větší délku lopatek. Je-li objem páry na konci turbíny tak velký, že by se již tak dlouhé lopatky nedaly vyrobit, je nutné proud páry rozdělit do dvou, někdy i tří stejných nízkotlakých dílů s kratšími lopatkami. To je například u temelínské turbíny, která má jeden vysokotlaký díl a tři nízkotlaké díly.
Díky vyšší frekvenci mávání křídel kolibříka jsou jeho křídla za letu prakticky neviditelná
Rychleji než kolibřík
Rotory většiny energetických turbín se otáčejí rychlostí 3 000 otáček za minutu. Podobně rychle se otáčí například kliková hřídel motoru auta jedoucího na půl plynu. Počet otáček souvisí s frekvencí naší běžné elektrické sítě. Když 3 000 vydělíme 60, dostaneme 50 otáček za sekundu (50 Hertz). Pro srovnání – dlouhohrající vinylová deska se otáčí asi 90krát pomaleji. Tak vysokou obrazovou frekvenci (50 opakování nebo otáček rotujícího bodu za sekundu) již lidské oko přestává vnímat jako jednotlivé obrázky, ale jako plynulý pohyb. Na tom je založen princip původní televize nebo ladnost pohybu letícího kolibříka, který mává křídly přibližně stejnou frekvencí.
Pohled na díly 1000MW parní turbíny v Jaderné elektrárně Temelín během její montáže
Jak je to velké
Temelínská turbína s generátorem (nazývané turbogenerátor) je dominantním zařízením strojovny jaderného bloku. Vlastní turbína je dlouhá 60 metrů a váží kolem 2 000 tun. Délkou odpovídá čtyřem za sebou postaveným vagónům legendární tramvaje Tatra T3, jenom je tak 100krát těžší než tramvaje. Co se týče hmotnosti turbíny, ta je opravdu velká. Vždyť jen samotný vysokotlaký díl váží stejně jako 30 závodních speciálů Tatra 815 z Rallye Dakar dohromady. A to ještě nemluvíme o nízkotlakých dílech. Ty jsou tři a každý má skoro dvakrát větší hmotnost než první vysokotlaký díl. Rotory všech dílů turbíny musí být dokonale vyváženy, aby se při padesáti otáčkách za sekundu moc nechvěly. Při velkých požadavcích na přesnost a těsnost průtočných částí musí být turbíny sestaveny s téměř hodinářskou přesností.
Ulomená lopatka z Temelína by za tři minuty přistála v Praze
Nadzvuková lopatková střela
Pozornost si zasluhují i jednotlivé lopatky na oběžných kolech, především ty nejdelší, nacházející se v posledním stupni nízkotlakých rotorů. Výroba takové lopatky je hotová věda. Lopatky se pohybují již v mokré páře, což klade velké nároky na materiál kvůli erozi, navíc obrovská odstředivá síla vyžaduje extrémní pevnost lopatky. Největší lopatky nízkotlakých dílů temelínské turbíny mají délku 122 cm (přibližně délka násady rýče) a každá váží skoro 50 kilogramů. Lopatky se otáčejí takovou rychlostí, že obvodová rychlost jejich volných konců je dvakrát větší, než je rychlost zvuku. Takže kdybychom takovou rychlostí lopatku vystřelili, předběhla by stíhačku Gripen a za tři minuty by doletěla z Temelína do Prahy.
Velké a horké
Parní turbína převádí energii páry na mechanický pohyb a pára vstupující do turbíny je pěkně horká. Má třikrát vyšší teplotu než pára vycházející z vařící konvice. Průchodem turbínou se teplota páry snižuje a na výstupu z nízkotlakých dílů má pára jen 39 °C, takže je příjemně teplá. Podobně se snižuje i tlak páry. Při vstupu do turbíny má pára přes 6 MPa, tj. 60krát větší, než je atmosférický tlak nebo 15krát větší tlak, než je tlak páry vycházející z obyčejného domácího parního čističe. Po průchodu turbínou pára kondenzuje při tlaku pouhých několika kPa, což je slušný podtlak (nižší než atmosférický). Přesvědčit bychom se o tom mohli tím, že bychom udělali malou dírku do turbíny v místě, kde pára opouští poslední stupeň. Pára by neunikala ven, ale dírkou by se do turbíny nasával okolitý vzduch.