Tento web obsahuje aplikace Google Adsense a Google analytics, které využívají data ze souborů cookie, více informací. Používání této stránky vyjadřujete souhlas s využitím těchto dat. Využívání dat ze souborů cokie lze zakázat v nastavení Vašeho prohlížeče.

23. Tepelné turbíny a turbokompresory

Autor: Jiří Škorpík, skorpik@fme.vutbr.cz : aktualizováno 2014-02

Princip tepelných turbín a turbokompresorů a základní konstrukční znaky jsou popsány v článku 11. Lopatkový stroj, přičemž klíčovými pojmy jsou jednostupňová parní turbína, vícestupňová parní turbína, vícetělesová parní turbína, vícestupňový turbokompresor, turbodmychadlo a spalovací turbína. Možnosti uplatnění těchto strojů jsou velmi široké a alespoň ta základní jsou posány v následujících kapitolách.

Parní turbíny

Parní turbíny netvoří samostatný funkční celek, potřebují širokou technologickou základnu se zdrojem páry s vnějším přestupem tepla. Díky tomu může být použito v podstatě jakékoliv palivo, ale za cenu velkých investic i velkého zastavěného prostoru. Z těchto důvodů je využití parních turbín především u větších výkonů (než je tomu například u spalovacíh motorů) a to v tepelných elektrárnách, teplárnách a v pohonu lodí.

Nejčastěji je pracovní látkou vodní pára ale může se jednat i o páry jiného složení. Teplota vodní páry na vstupu do parní turbíny se obvykle pohybuje kolem 535 °C (starší typy parních turbín-fosilní blok), 565 °C (moderní fosilní blok) a u bloků se superkritickými parametry páry může dosahovat až 650 °C [7, s. 274] (jako materiál lopatek prvních stupňů jsou použity niklové slitiny). Pára pro parní turbínu se vyrábí například v parních kotlích (spalování fosilních paliv, biomasy, odpadů apod.), v parogenerátorech jaderných elektráren nebo v parogenerátoru solární elektrárny. V parních geotermálních elektrárnách může být zdrojem páry geotermální vrt.

reklama
Návrhové programy lopatkových strojů - VIKLAN - výpočtové programy na míru

Podle zapojení parní turbíny v technologickém celku hovoříme o kondezanční, protitlaké turbíně a turbíně s odběrem páry:

Za kondenzační turbínu je označována turbína, za kterou následuje kondenzátor. Minimální teploty kondenzace (v případě vody) se pohybují již od 15 °C (podle lokality a způsobu chlazení kondenzátoru), tomu odpovídá tlak za turbínou přibližně 0,002 MPa, proto se někdy říká, že pára expanduje do vakua. V případě, že se teplota kondenzace významně zvýší např. z důvodů využití kondenzačního tepla pro vytápění (zvýšení teploty kondenzace na 8090 °C) nebo jiné účely říkáme, že turbína pracuje v režimu s potlačenou kondenzací někdy se používá výraz s potlačeným vakuem:

Zapojení kondenzační turbíny.
1.id454 Zapojení kondenzační turbíny.
1 chladící smyčka kondenzátoru pro případ udržování co nejnižšího tlaku kondenzace; 2 chladící smyčka kondenzátoru pro případ využití kondenzačního tepla (potlačená kondenzace). T parní turbína; Kon. kondenzátor; Ch. chladící zařízení, používá se suchá kondenzace (jako v tomto případě kondenzátor chlazený vzduchem) nebo mokrá kondenzace respektive chlazení odparem; S.T. spotřebič tepla (sítě CZT-centrální zásobování teplem). Tento způsob zapojení je běžný u turbín v teplárnách. Smyčka číslo 2 se zapíná podle požadavku spotřebiče tepla (v případě vytápění je to v zimní období). Během letního provozu, kdy není nutné ohřívat vodu na požadovanou teplotu se kondenzační teplo maří v chladiči, je zapojena smyčka 1 s cílem udržovat nejnižší možnou teplotu kondenzace pro dosažení co nejvyšší tepelné účinnosti parního oběhu.

Kondenzátor se nejčastěji nachází za turbínou (výstupní axiální hrdlo turbíny) nebo pod turbínou – turbína je umístěna na betonové turbínové stolici (boční výstupní hrdlo turbíny). Kondenzátor se může nacházet i ve vzdálenějším místě od turbíny např. u vzduchových kondenzátorů, které jsou často umísťovány na střechu strojovny.

V případě protitlakových turbín není na výstupu kondenzátor, ale parovod případně kondenzátor s tlakem kondenzace obvykle vyšším než 0,1 MPa:

Zapojení protitlakové turbíny. 2.id139 Zapojení protitlakové turbíny.
a parovod. pi [Pa] vstupní tlak; pe [Pa] výstupní tlak. Tlak páry ve výstupním parovodu záleží na dalším využití páry a může být i vyšší jak 1 MPa. Tato pára se využívá například pro technologické účely nebo vytápění.

Turbína s odběrem páry je turbína, ze které je část páry odebírána po částečné expanzi za jiným než posledním stupněm turbíny. Po délce turbíny může být takových odběrů několik:

Způsoby odběrů páry z parní turbíny.
3.id167 Způsoby odběrů páry z parní turbíny.
vlevo turbína s regulovaným odběrem; vpravo turbína s neregulovaným odběrem. Regulované odběry se používají například k zásobování parovodu párou o tlaku vyšším než je na konci turbíny (použití pro průmyslové nebo výtopenské účely). Množství odebrané páry se reguluje ventilem, který je vně nebo součástí turbíny např. Obrázek 23 níže. Neregulované odběry se používají především u elektrárenských turbín za účelem regenerace tepla*. U více tělesových turbín může být odběr realizován i mezi tělesy.
*Regenerace tepla v parním oběhu
Regenerace tepla v parním oběhu je proces zvyšující tepelnou účinnost oběhu. Spočívá v odebrání části páry z turbíny a kondenzačním teplem této páry předehřátí napájecí vody kotle/parogenerátoru.

Turbína s regulovaným odběrem je rozdělena na dvě části. Obě části jsou obvykle konstruovány pro maximální odběr páry. To znamená, že ta část turbíny za odběrem je konstruována na průtok nižší než část turbíny před odběrem. V případě, že spotřebič páry připojený na odběru bude odstaven (sezónní provoz, servisní odstávka a pod.) klesne výkon turbíny (přibližně o 50%60% jmenovitého výkonu turbosoustrojí). Existují turbíny, které jsou konstruovány na stejný průtok před i za odběrem, takové turbíny jsou dražší, a pokud nedochází k výpadku odběrové páry příliš často je to i zbytečné.

Oba uvedené typy odběrů páry se kombinují. Kombinované konstrukce turbín se především používájí v teplárnách, kde takové konstrukce vedou k efektivnějšímu využívání paliva i k vyššímu zabezpečení dodávek tepla. V těchto případech neregulovaný odběr pokrývá základní spotřebu tepla v době nejnižší spotřeby. V teplárně je také redukční stanice zapojená v bypassu turbíny (havárie turbosoustrojí nezpůsobí výpadek dodávky tepla):

Schéma zařízení teplárny s parní turbínou.
4.id150 Schéma zařízení teplárny s parní turbínou.
Teplárna obsahuje protitlakovou turbínu s jedním regulovaným odběrem páry pro technologické účely. 1 sklad paliva; 2 parní kotel; 3 kondenzační turbína s jedním regulovaným odběrem; 4 kondenzátor; 5 paralelní chladící okruh v tomto případě s chladící věží; 6 odběr a vratka topné vody (CZT); 7 oběhové čerpadlo chladícího okruhu; 8 redukční stanice pro obtok páry do kondenzátoru; 9 chladící stanice; 10 spotřebiče páry; 11 čerpadlo vratného kondenzátu; 12 redukční stanice pro obtok páry; 13 kondenzátní čerpadlo; 14 redukční stanice prohřívání napájecí nádrže a termické odplynění; 15 napájecí nádrž s termickým odplyněním; 16 chemická úprava vody; 17 ohřívák doplňující vody; 18 redukční stanice páry pro ohřev doplňující vody; 19 napájecí čerpadlo. Schéma zapojení používané u teplárenských parních turbín s výkony ~1070 MWe

Vykon teplárny s parní turbínou odpovídá spotřebě připojených spotřebičů tepla a páry, proto jejich výkony bývají do 100 MWe. Teplárny se budují v blízkosti spotřebiče tepla či páry a někdy jsou přímo součásti průmyslového komplexu s velkou spotřebou tepla a páry.

Teplené elektrárny se budují v blízkosti zdroje paliva nebo z důvodů jiných provozních výhod v blízkosti zdroje vody (řeka, nádrž), vedení VVN apod.

V elektrárnách jsou kondenzační turbíny s neregulovanými odběry za účelem regenerace tepla. Pracovní parametry, konstrukce a schéma zapojení takové turbíny se odlišuje nejčastěji podle typu zdroje páry:

Schéma zařízení elektrárenského bloku 200 MW Škoda.
5.id146 Schéma zařízení elektrárenského bloku 200 MW Škoda.
1 skládka paliva; 2 parní kotel; 3 přehřívák; 4 přihřívák*; 5 VT díl turbíny; 6 ST díl turbíny; 7 NT díl turbíny; 8 kondenzátor; 9 systém nízkotlaké regenerace; 10 srážeč přehřátí před odplyňovačem; 11 napájecí nádrž; 12 napájecí čerpadlo kotle**; 13 kondenzátor turbíny pohánějící napájecí čerpadlo; 14 systém vysokotlaké regenerace; 15 systém chlazení generátoru a budiče (generátor je chlazen vodíkem); 16 odvod tepla ze systému chlazení generátoru a budiče; 17 kondenzátní čerpadlo.
*Přihřívání páry
Přihřívání páry je další z metod zvyšování tepelné účinnosti R-C oběhu. Pára na výstupu z VT dílu turbíny se přivede zpět do kotle, kde se ohřeje téměř na původní teplotu, ale při nižším tlaku.
**Napájecí čerpadlo kotle
U menších bloků je pohon napájecího čerpadla obvykle realizován pomocí elektromotoru (tzv. elektronapáječka). U větších bloků se často používá pro pohon napájecího čerpadla malé parní turbíny (tzv. turbonapáječka), ale protože příkon čerpadla je relativně malý je i turbína pohánějící toto čerpadlo malého výkonu a má mnohem nižší účinnost než hlavní parní turbína pohánějící generátor. Pokud je účinnost turbonapáječky nižší než je součin účinnost výroby elektřiny hlavního soustrojí a účinnosti elektronapáječky, zvažuje se použití elektrického pohonu čerpadla.
Uspořádání turbosoustrojí 4x200 MW ve strojovně elektrárny Dětmarovice.
6.id168 Uspořádání turbosoustrojí 4x200 MW ve strojovně elektrárny Dětmarovice. Obrázek: [9].

Nejčastějším typem jaderného reaktoru používaného v jaderných elektrárnách je tlakovodní reaktor. U takového typu jaderného reaktoru nemůže teplota vyrobené páry přesáhnout kritickou teplotu vody. Ve skutečnosti je ale teplota vyrobené páry ještě nižší cca 320 °C max (obvykle <300 °C), a to z technických (přestup tepla v parogenerátoru) a bezpečnostních důvodů. Na druhou stranu jaderné reaktory mohou být zdroje tepla o vysokém výkonu díky čemuž parní turbíny v jaderných elektrárnách mohou dosahovat výkonu i 1500 MW:

Schéma zařízení jaderného bloku s reaktorem VVER o výkonu 1 000 MW.
7.id149 Schéma zařízení jaderného bloku s reaktorem VVER o výkonu 1 000 MW.
a primární okruh; b sekundární okruh. 1 reaktor; 2 cirkulační čerpadlo; 3 parogenerátor; 4 vysokotlaký díl turbíny; 5 3x nízkotlaký díl turbíny; 6 separátor vlhkosti*; 7 přihřívání páry–přihřívák; 8 vysokotlaký ohřívák; 9 napájecí nádrž s odplyňovačem; 10 napajecí čerpadlo parogenerátoru; 11 soustava ohříváků topné vody**; 12 až 13 soustava nízkotlakých ohříváků s přečerpávání kaskádovaného kondenzátu; 14 3x kondenzátor turbíny; 15 kondenzátní čerpadlo; 16 kondenzátor parní turbíny pro pohon napájecího čerpadla, a první stupeň ohřátí topné vody.
*Separátor vlhkosti
Po expanzi páry ze stavu sytosti do oblasti mokré páry ve VT dílu obsahuje pára velké množství vlhkosti (vodu). Tato vlhkost se ještě před přihříváním páry odstraňuje v separátoru–přihřívák není uzpůsoben k varu vody a vodní kapičky by mohly poškodit i lopatky NT dílu turbíny.
**Poznámka
I když se jedná o elektrárnu, tak část tepla může být využita pro vytápění areálu elektrárny a případně i blízkých sídlišť. Například v případě jaderné elektrárny Temelín se odvádí část tepla pro vytápění města Týn nad Vltavou.

Parní turbíny se do celkové velikosti cca 1012 m umísťují na ocelový rám obsahující i olejové hospodářství a další příslušenství včetně elektrorozvaděčů a rozhraní pro řídící systém (omezující limit jsou přepravní rozměry). V případě menších výkonů cca do 50 MW se na rám vejde i generátor a u menších výkonů (cca 10 MW) se vejde na rám i kondenzátor:

Turbosoustrojí s parní turbínou a základním příslušenstvím na společném rámu.
8.id989 Turbosoustrojí s parní turbínou a základním příslušenstvím na společném rámu.
Označení tohoto turbínového kompletu je SST 100. Parametry: výkon až 8,5 MW; vstupní tlak páry až 6,5 MPa; teplota vstupní páry až 480 °C; rozměr 8x3,7 m při výšce 3,4 m. Výrobce: Siemens AG. Zdroj: [21].

Parní turbíny se používají i k pohonu lodí. Právě instalace parní turbíny v rychlodi Turbinia odstartovala zájem o parní turbíny. Dříve se potřebná pára pro hnací turbínu na lodi vyráběla v parních kotlích na pevná nebo kapalná paliva. Pro výrobu páry na lodi se také používá tlakovodních jaderných reaktorů konstrukčně uspůsobených pro lodní aplikace. Jaderný pohon podstatně zvýšil akční rádius těchto jednotek, který je v případě letadlových lodí až 350 000 km. Výkony parních turbín závisí na funkci a velikosti plavidla, přičemž v současnosti nejvýkonnější jsou na letadlových lodí třídy Nimitz, kde jsou 4 turbíny každá o výkonu 209 MW.

Turbíny mohou přímo pohánět lodní šroub nebo pohání el. generátor a teprve vyrobená elektřina se používá k pohonu lodních šroubů (u jednotek s vysokými požadavky na regulaci otáček nebo dokonce změny smyslu otáčení lodního šroubu například u ledoborců:

Jaderný ledoborec Jamal a schéma zapojení parní turbíny na plavidlech s jaderným pohonem.
9.id152 Jaderný ledoborec Jamal a schéma zapojení parní turbíny na plavidlech s jaderným pohonem.
(a) zapojení na jaderném ledoborci Jamal; (b) systém pohonu na mohutných jaderných lodí třídy Nimitz [19], [20, s. 348]; (c) jaderný ledoborec Jamal obrázek z [18]. 1 přívod páry z parogenerátoru; 2 bypass parní turbíny pro případ náhlého zastavení pohonu lodních šroubů; 3 kondenzátor; 4 3xjednofázový generátor střídavého proudu; 5 usměrňovač; 6 stejnosměrný motor; 7 přívod el. od druhého turbosoustrojí; 8 lodní šroub; 9 turbosoustrojí s el. generátorem; 10 parní turbína pro pohon lodního šroubu; 11 akumulace el. energie v bateriích. U  jaderného ledoborce Jamal tvoří pohon dva jaderné reaktory OK – 900 každý o výkonu 171 MWt. Tyto reaktory vyrábí páru pro dvě turbosoustrojí s parní turbínou o celkovém výkonu 55,3 MW. Vyrobená elektřina se také využívá k pokrytí spotřeby lodě a k pohonu čerpadel, pro přesun vodního balastu. Délka ledoborce Jamal je 150 m, šířka 30 m, výška 55 m, výtlak: 23 455 t, maximální rychlost 22 uzlů (44 km·h-1).
reklama

Plynové turbíny

Plynové turbíny se používají v tepelných elektrárnách, teplárnách a k pohonu lodí, letadel atd. Pomocí plynové turbíny se nejčastěji realizuje Braytonův oběh. Plynové turbíny s otevřeným oběhem a spalovacími komorami (tzv. spalovací turbína) tvoří kompaktní celek o výkonech od cca 30 kW (mikrotubíny) do 500 MW. Tyto celky mají široké použití díky svému poměru výkon/rozměr (hmotnost) i v dopravě (předpokladem v takové aplikaci je i plynulá regulovatelnost výkonu rychlý náběh i odstavení):

Plynová turbína se spalovacími komorami (spalovací turbína) a její příslušenství umístěné na rámu.
10.id669 Plynová turbína se spalovacími komorami (spalovací turbína) a její příslušenství umístěné na rámu.
1 nosný rám s olejovou nádrží; 2 přívod vzduchu; 3 odvod spalin; 4 vývod výkonu na hřídeli; 5 měření otáček; 6 olejové čerpadlo. Spalovací turbíny do velikosti cca 12 m se dodávají na společném rámu, u menších turbín, než je tato, je na společném rámu i el. generátor. Na obrázku je spalovací turbína Siemens SGT – 750, mechanický výkon 37 MW, tepelná účinnost 40%, kompresní poměr 23,8, teplota spalin na výstupu 462 °C, množství spalin 113,3 kg·s-1 (což přibližně odpovídá množství nasávaného vzduchu), 3050 až 6405 min-1, na obrázku je dobře patrno 8 spalovacích komor. Obrázek: [21].

Spalování paliva ve spalovací komoře spalovací turbíny je na rozdíl od spalovacích motorů nepřetržité (kontinuální) a tím i ekologičtější než v případě pístových spalovacích motorů. Na druhou stranu jsou spalovací turbíny odkázány na spalovaní ušlechtilého paliva (tekutinové). Instalace spalovacích turbín je rychlá, levná a snadná (oproti výstavbě bloku s parní turbínou). Vzhledem ke své konstrukci a velikosti se hodí i do extrémních podmínek:

Spalovací turbíny jsou schopné bez větší údržby pracovat v extrémních venkovních podmínkách. 11.id169 Spalovací turbíny jsou schopné bez větší údržby pracovat v extrémních venkovních podmínkách.
Elektrárna pro zásobování ropného pole Severo-Gubinsky (Rusko-poloostrov Jamal). Výkon elektrárny je 2x4 MW. Turbíny spalují zemní plyn. Elektrárnu tvoří pouze kontejner s turbínou a regulací, vzduchové sací filtry, nezbytné přípojky a komín. Obrázek: [12].

Přes všechny výhody se provoz samostatné spalovací turbíny – tepelná elektrárna se spalovací turbínou u nás prakticky nevyskytuje (velmi často pouze jako záložní jednotky elektrizační soustavy s velkou rychlostí startu). Ani ve světě se takto jednoduché a přímé aplikace spalovací turbíny příliš nevyskytují. Důvodem je vysoká cena ušlechtilého paliva (nejčastěji spalovací turbíny spalují zemní plyn a ropné produkty; mohou i jiná méně ušlechtilá paliva, ale to obvykle obnáší i komplikace jako zanášení a opotřebení lopatek). Proto je snaha o maximální využití energie v palivu a to buď regenerací tepla v Braytonově oběhu nebo využití tepla spalin pro ohřev vody nebo jiných látek k průmyslovému využití popřípadě kombinací obou. Proto se spalovací turbíny používají převážně v teplárnách:

Schéma spalovací turbíny s regenerací tepla a s tepelným výměníkem pro ohřev vody.
12.id154 Schéma spalovací turbíny s regenerací tepla a s tepelným výměníkem pro ohřev vody.
vlevo zapojení s tepelným výměníkem spaliny/vzduch pro regeneraci tepla; vpravo zapojení s tepelným výměníkem spaliny/voda pro ohřev vody (teplárna se spalovací turbínou). mvz [kg·s-1] hmotnostní tok vzduchu; mpal [kg·s-1] hmotnostní tok paliva. a rekuperační výměník pro regeneraci tepla; b vzduch přimíchávaný do horkých spalin; c rekuperační výměník spaliny/voda. Horké spaliny o teplotě i 600 °C se míchají se studeným vzduchem za účelem snížení teploty spalin před výměníkem a zvýšení jejich objemového průtoku (směšovací úsek není potřeba pokud je zde umístěn regenerační výměník-teplota spalin se sníží).

Malé spalovací turbíny do výkonu cca 500 kW se nazývají mikroturbíny a používají se převážně v kogeneračních jednotkách, které jsou charakteristické rychlým startem, minimálními nároky na údržbu a malými rozměry...:

Jednopólové schéma zapojení malé spalovací turbíny Capstone C30.
13.id161 Jednopólové schéma zapojení malé spalovací turbíny Capstone C30.
1 vysokofrekvenční generátor; 2 střídač (50/60 Hz); 3 napájení příslušenství jednotky; 4 startovací modul. Spalovací turbína je tvořena jednostupňovým kompresorem a jednostupňovou turbínou s radiálními stupni. Výkon jednotky je 30 kWe (jedna z nejlepších účinností v kategorii mikroturbín), elektrická účinnost až 26%, produkce NOx 9 ppm, teplota spalin před výměníkem 275 °C, hmotnost 405 kg, výška celé jednotky je téměř 1,5 m. Obrázek [22].

Nevýhodou spalovacích mikroturbín jsou vysoké otáčky od 20 000150 000 min-1. To klade vysoké technické nároky na ložiska generátoru a relativně vysoké finanční nároky na systém změny frekvence elektrického proudu. Protože jednotky s mikroturbínou jsou poměrně drahé a spalují pouze ušlechtilé palivo používají se především jako záložní zdroje schopné rychlého spuštění. Vzhledem k jejich malé hmotnosti je také možné s nimi mnohem lépe manipulovat než s centrálou s pístovým spalovacím motorem. Malé jednotky se někdy skládají do skupin se společným řídícím systémem pro zvýšení a optimalizování celkového výkonu.

Expanzní plynové turbíny (soustrojí neobsahuje kompresní část) se obvykle zkráceně označují jako turboexpandéry nebo jen expandéry. Nejčastěji jsou to jednostupňové turbíny s jedním radiálním stupněm s axiálním výstupem zvláště pokud se jedná o proměnné objemové průtoky (tyto stupně jsou méně citlivé na změnu průtoku) a malé změny entalpie, jinak se používají axiální stupně (například z důvodu lepších možností chlazení lopatek při vysokých teplotách pracovního plynu). Turboexpandéry se používají jako redukční stanice tlaku na plynovodu, v průmyslu pro zkapalňování plynů a směsi plynu s následnou extrakcí jednotlivých kapalných složek [2], v kryogenní technice (při expanzi může být výstupní teplota helia jen několik desítek Kelvinů [17], [31]. Výkony turbo-expandérů se pohybují od 100 kW do několika megawatt.

Spalovací turbíny se používají i k pohonu kompresorů v kompresních stanicích na trasách plynovodů (kompenzují tlakové ztráty v plynovodu). U tranzitních plynovodů se budují kompresní stanice na vzdálenostech cca 100 až 150 km, přičemž střední tlak se pohybuje kolem 7,5 MPa a potřebný příkon turbokompresoru dosahuje až 40 MW. Jako palivo je použit plyn z onoho plynovodu. Pokud je výkon spalovací turbíny větší než příkon turbokompresoru připojuje se z druhé strany turbíny ještě elektrický generátor:

Příklad zapojení turbosoustrojí se spalovací turbínou a turbokompresorem v kompresní stanici. 14.id666 Příklad zapojení turbosoustrojí se spalovací turbínou a turbokompresorem v kompresní stanici.
1 vysokotlaký díl turbíny; 2 nízkotlaký díl turbíny; 3 turbokompresor; 4 plynovod; 5 přepážka oddělující plynové hospodářství od strojovny spalovací turbíny.

Plynové turbíny jsou součásti i tepelné akumulační elektrárny (systém CAES – Compressed Air Energy Storage). Tento typ zařízení obsahuje turbokompresor poháněný elektrickým motorem, zásobník tlakového vzduchu a plynovou turbínou se spalovací komorou . Při přebytku energie v síti elektromotor turbokompresoru je zapnut a dochází ke kompresi vzduchu, který je stlačován do akumulační nádrže (může se jednat o vytěžené hlubinné doly či jiné podzemní prostory). Naopak v době nedostatku elektřiny v síti stlačený vzduch je přiváděn do spalovací komory plynové turbíny. Vzniklé horké spaliny expandují v turbíně, na kterou je připevněn elektrický generátor. Vzduch z podzemního zásobníku může sebou strhávat prach, který poškozuje lopatky turbíny, proto musí být speciálně upravovány a často kontrolovány. Tento systém akumulace elektrické energie se vyznačuje vysokou rychlostí startu výroby elektřiny, i startu zahájení akumulace energie. Bylo postaveno několik takových akumulačních elektráren, které dosahovaly celkové účinnosti akumulace elektřiny pod 50% [5]. Zvýšení účinnosti takového systému si konstruktéři slibují přidáním akumulace tepla-regenerace tepla vzniklé při kompresi (systém AA – CAES – Advenced Adiabatic CAES). Takové opatření by mohlo zvýšit účinnost akumulace elektřiny na 70 až 75% [4], [15, s. 171] bez nutnosti instalace spalovací komory. Tento systém se v současnosti v Německu připravuje společnost RWE [3]:

Schéma zařízení akumulační elektrárny typu AA-CAES.
15.id720 Schéma zařízení akumulační elektrárny typu AA-CAES.
Z.V. zásobník stlačeného vzduchu; Z.K. zásobník studené akumulační kapaliny (olej); R.T. zásobník ohřáté akumulační kapaliny (regenerované teplo). Vzduch je po kompresi ochlazován chladicí kapalinou, která je přečerpávána z nádrže Z.K. do tepelně izolované nádrže R.T. Před vstupem do turbíny je stlačený vzduch ohříván teplou kapalinou, která je čerpána z nádrže R.T. zpět do nádrže Z.K.

Velký význam má spalovací turbína v letectví, kde je používaná jako pohonná jednotka:

Proudový motor typu turbo-fan.
16.id164 Proudový motor typu turbo-fan.
(a) schématický řez motorem; (b) změna stavových veličin pracovního plynu v motoru v i-s diagramu; (c) obrázek proudového motoru typu turbo – fan GE90 zdroj [13]. i [J·kg-1] měrná entalpie pracovního plynu; s [J·kg-1·K-1] měrná entropie pracovního plynu; aK [J·kg-1] měrná práce komprese; aT [J·kg-1] měrná práce expanze; c [m·s-1] rychlost spalin z výstupní trysky; psk [Pa] tlak ve spalovací komoře motoru; pat [Pa] tlak okolního (nasávaného) vzduchu. 1 proud atmosférického vzduchu; 2 první stupeň turbokompresoru; 3 tryska v obtoku (bypass) stlačeného vzduchu; 4 další stupně turbokompresoru; 5 spalovací komora; 6 stupně plynové turbíny; 7 usměrnění toku spalin do výstupní trysky; 8 proud vzduchu z obtoku. Kompresní poměr u proudových motorů je až 40 v hlavním proudu, na obtoku dosahuje pouze do 10.

Síla, kterou proudový motor vytváří se nazývá tah. Tah proudového motoru je definován stejně jako tah vrtulového pohonu s tím, že se hmotnostní průtok zvýší i o přiváděné palivo do spalovací komory proudového motoru. Celkový tah proudového motoru je součet tahů jednotlivých plynů na výtoku z motoru (i bypassem). Účinnost proudového motoru je definovaná stejně jako vnitřní účinnost vrtule pouze mechanický příkon vrtule je nahrazen příkonem chemické energie v palivu. Bypass umožňuje zvyšovat hmotnostní průtok motorem [23, s. 177], ale celkově snižuje rychlost výtokových plynů z motoru. Proto motory s vyšším obtokem jsou vhodnější pro menší rychlosti a naopak. Poměr mezi hmotnostním tokem vzduchu přes bypass a proudem vzduchu přes jádro motoru (spalovací komory) se nazývá obtokový poměr [23, s. 168] (obtokový poměr u motorů typu turbofan pro dopravní letadla je přibližně 1:8). Definice propulzní účinnosti proudového motoru je stejná jako u propulzní účinnosti vrtulového pohonu respektive se jedná o podíl mezi práci vykonané tahem a změnou kinetické energie vzduchu a paliva:

Základní typy proudových motorů a definice jejich účinností.
17.id176 Základní typy proudových motorů a definice jejich účinností.
(a) turbojet; (b) turbofan; (c) turboprop (mezi vrtulí a motorem je převodovka). T [N] tah motoru; v [m·s-1] rychlost axiálního pohybu motoru vzhledem k vztažné soustavě (rychlost letu vzhledem k nehybnému pozorovateli); ci [m·s-1] absolutní rychlost (vzhledem k vztažné soustavě) pracovních látek na vstupu do motoru, index pal označuje palivo, vz vzduch (spalovací), b vzduch (bypass); ce [m·s-1] absolutní rychlost pracovních látek na výstupu z motoru, index s označuje spaliny; w [m·s-1] relativní rychlost (w=c-v); m [kg·s-1] hmotnostní tok; ηi [-] účinnost proudového motoru; Qr [J·kg-1] spalné teplo paliva; ηp [-] propulzní účinnost (max 1); K vyznačení kontrolního objemu motoru. Rovnici pro tah lze odvodit pomocí Eulerovy rovnice. Tlakové síly na vstupu i výstupu z kontrolního objemu se vzájemně vyruší a vliv hmotnostních sil je zanedbatelný. Rovnice je odvozena pro případ, kdy směr letu je rovnoběžný se směrem proudění látky (v // c). Nejvyšší propulzní účinnosti dosahují motory turboprop cca při Ma~0,4, turbofan Ma~0,75, turbojet Ma~1,7 (Ma Machovo číslo). Definice jsou uvedeny např. v [14, s. 538].

Pro zvýšení účinnosti proudového motoru mimo jmenovitý stav se používají dvou i tříhřídelové proudové motory:

Koncepce dvouhřídelového proudového motoru.
18.id664 Koncepce dvouhřídelového proudového motoru.
NK nízkotlaký díl turbokompresoru; VK vysokotlaký díl turbokompresoru; VT vysokotlaký díl turbíny; NT nízkotlaký díl turbíny. Vícehřídelová konstrukce umožňuje vyšší regulovatelnost kompresního poměru v různých fázích letu díky odlišným otáčkám nízkotlakého a vysokotlakého turbokompresoru. Hřídele se otáčí ve stejném smyslu. Jedná se o tzv. koncentrické uložení. Podrobnější popis důvodu použití je uveden v kapitole 26. Regulace turbokompresorů.

Výkon a parametry proudového motoru záleží na potřebné rychlosti letounu a jeho operační výšce. V současnosti motor s největším tahem 360 kN je motor typu turbofan Trent 900 Rolls-Royce, který se používá například na Airbusech A380. U nadzvukového dopravního letadla Concorde byly instalovány 4xmotory typu turbojet Olympus 593 Mrk610 o max. tahu 170 kN, při maximální rychlosti 2 Ma jen 45 kN (výrobce Rolls-Royce/SNECMA). Příklad malého proudového motoru je motor Global flyeru* (Williams international, typ fj44-1) má tah pouze 6,78,5 kN nebo ještě menší tah měl proudový motor nainstalovaný na letadle Marabu** TJ100 o tahu 1 kN (PBS Velká Bíteš).

*Global flyer
První letoun s proudovým motorem, který obletěl svět bez doplnění paliva – na jaře roku 2005. Pilot Steve Fosset [32] se zároveň stal prvním člověkem, který obletěl svět v letadle sám.
**Marabu
Experimentální letoun pro vzdušný průzkum vyvinutý na FSI VUT v Brně Leteckým ústavem [10]. Letoun je poháněn pístovým motorem s tlačnou vrtulí a malým proudovým motorem uloženým na levém křídle. Hmotnost proudového motoru je 19 kg [17].

Podobný princip pohonu jako turboprop je pohon vrtulníku pomocí spalovací turbíny. V takovém případě spalovací turbíny pohání přes převodovku hlavní a stabilizační vrtuli vrtulníku nebo se ke stabilizaci proudu vzduchu z trysek, který se odebírá z turbokompresorové části spalovací turbíny. Výkony spalovacích turbín pro vrtulníky se pohybují od 100 kW do 800 kW, přičemž jich může být na jednom vrtulníku i několik.

reklama
Kniha-Turbíny pro luftwaffe.

Letecké spalovací turbíny podléhají přísným bezpečnostním kritériím, jsou podrobovány častým prohlídkám a mají legislativně omezenou životnost, která je mnohem kratší než jejich fyzická životnost. Po vyřazení z letadel jsou tedy plně funkční a využívají se především v energetice. Tyto motory se musí upravit pro stacionární provoz a výrobu mechanické energie (odstranění bypassů, doplnění dalších turbínových a případně i turbokompresorových stupňů apod.), takto upravené turbíny se nazývají aeroderiváty. Aeroderiváty dosahují výkonu cca 40 MW (u radikálně upravených aeroderivátů s vysokou účinností je výkon i přes 100 MW). Jejich výhodou je rychlý start (mají odlehčené rotory) a menší pořizovací náklady u menších výkonů. U větších výkonů mohou být pořizovací náklady vyšší, ale mají i vyšší účinnost*.

*Účinnost aeroderivátů
Pro zvýšení účinností se používají metody popsané v článku 27. Plynová turbína v technologickém celku. To mimo jiné zahrnuje přidání dalších těles (stupňů kompresorových i turbínových), což zvyšuje cenu aeroderivátu.
Schéma zapojení jednoduchého aeroderivátu. 19.id665 Schéma zapojení jednoduchého aeroderivátu.
a původní spalovací turbína z proudového motoru; b plynová turbína pro zpracování entalpického spádu odpovídající kinetické energii proudu spalin na výstupu z původního proudového motoru. Spalovací turbíny pro letecké aplikace nemají horizontální dělící rovinu (potřeba úspory hmotnosti) a montáž a demontáž takového motoru se provádí v axiálním směru přes vertikální dělící rovinu. Proto k demontáži aeroderivátu jsou potřeba speciální montážní pomůcky původem z leteckých opraven.

Spalovací turbíny se používají i pro pohony lodí i pozemních dopravních prostředků (lokomotivy, automobily..) především těch vojenských (tanků). Důvodem použití je obvykle nízká hmotnost v poměru k výkonu:

Příklady pohonů se spalovací turbínou pro lodě a automobily.
20.id165 Příklady pohonů se spalovací turbínou pro lodě a automobily.
(a) turbosoustrojí LM2500 se spalovací turbínou od společnosti GE používané na výletní lodi Queen Mary II*, obrázek z [24]; (b) schéma turbínového pohonu osobního automobilu Chrysler (1963)**. 1 regulační tryska; 2 pohon příslušenství turbínového pohonu (vstřikovací čerpadlo, pohon regeneračního výměníku...); 3 pohon nápravy; 4 rotující regenerační výměník (teplosměnné plochy regenerátoru jsou vyrobeny z keramického materiálu snášející prudké změny teplot).
*Turbosoustrojí LM2500 na výletní lodi Queen Mary II
Queen Mary II je nejdelší výletní loď světa o délce 345 m a výtlaku 75 000 tun. Její pohon je tvořen kombinací pístových spalovacích motorů a dvěma jednotkami LM2500. Celkový výkon pohonu je 117,2 MW z toho jednotky LM2500 dodávají 50 MW. Jednotka LM2500 je tvořena aeroderivátem odvozeným z leteckého motoru GE CF6 – 6 o tahu 234 kN, který je používán i na Boeingu 747. Turbína s generátorem jsou umístěny ve speciálním kontejneru, který je odhlučněn a zároveň konstruován pro utlumení vibrací. Vyrobená elektřina slouží k pohonu lodních šroubů s elektrickými motory umístěnými v gondolách mimo trup lodi. Průtočné části turbíny jsou z materiálu odolávají koroznímu prostředí nasávaného mořského vzduchu. Jednotky LM2500 jsou umístěny v nadpalubní části lodi blízko sání vzduchu a výfuku. Těžší klasické spalovací motory jsou umístěny pod těžištěm lodi.
**Turbínový pohon osobního automobilu Chrysler (1963)
Turbosoustrojí je dvouhřídelové a je tvořeno spalovací turbínou s jedním radiálním kompresorovým stupněm a jedním axiálním turbínovým stupněm a jednou hnací turbínou s axiálním stupněm (hnací turbína má opačný smysl otáčení než spalovací turbína). Regulace výkonu se provádí změnou průtoku spalin přes regulační trysku. Zajímavě je řešen regenerační výměník, který rotuje přes tlakový prostor zkomprimovaného vzduchu i přes beztlaký prostor výfukových spalin. Jmenovitý výkon turbíny na výstupní hřídeli je 130 hp, při otáčkách 3 600 min-1, maximální otáčky turbíny činily 44 500 ot·min-1. Více o spalovacích turbínách pro automobily např. v [28], [23].

Plynová turbína je také součástí raketového motoru na kapalné palivo. V těchto případech je turbínou poháněno čerpadlo okysličovadla a paliva, které udržují požadovaný tlak ve spalovací komoře (například provozní tlak spalovací komory motoru SSME raketoplánu Space shuttle byl 20,3 MPa a výkon turbíny turbočerpadla vodíku dosahoval 56 MW [25, str. 25], [29]).

Teplo ze spalin na výfuku ze spalovací turbíny se nemusí využívat pouze k ohřevu vody, jak je nakresleno na Obrázku 12, ale pomocí tohoto tepla lze vyrábět páru pro parní oběh. Taková kombinace dvou tepelných oběhů, nazývána jako paroplynový oběh, výrazně zvyšuje účinnost transformace energie v palivu na elektřinu a to až nad 55% (v současnoti /2012/ 60%).

Paroplynový oběh

Z rozboru tepelných oběhů vyplývá, že pro dosažení maximalní tepelné účinnosti je potřebné přivádět teplo do oběhu při co nejvyšší střední teplotě a naopak teplo z oběhu odvádět při co nějnišší střední teplotě pracovní látky. První požadavek splňuje oběh spalovací turbíny a druhý parní oběh. Kombinací oběhu spalovací turbíny a parního oběhu vznikne tzv. paroplynový oběh, který splňuje obě podmínky pro maximální účinnost tepelného oběhu:

Schéma zařízení pro realizaci paroplynový oběhu a jeho znázornění v T-s diagramu.
21.id155 Schéma zařízení pro realizaci paroplynový oběhu a jeho znázornění v T-s diagramu.
B schéma zařízení pro realizaci Braytonova oběhu; R-C schéma zařízení pro realizaci Rankine-Clausiova oběhu. Horké spaliny ze spalovací turbíny jsou přivedeny do parního kotle K, kde dojde k jejich vychlazení a k výrobě odpovídajícího množství páry pro parní turbínu. Pro zvýšení celkové účinnosti se u R-C oběhu využívá regenerace. T-s diagram je vztažen na 1 kg pracovního plynu v plynovém oběhu (proto index B u značky kg), kterým je v tomto případě plyn s konstatní měrnou tepelnou kapacitou při stálém tlaku cp=1 kJ·kg-1·K-1. T [K] absolutní teplota. Pro parní oběh platí souřadnice s' (číselná osa v měřítku zde není uvedena, pouze osa plynového oběhu), která zohledňuje rozdíly entalpií a průtoku v obou obězích.

Spálením stejného množství paliva v paroplynovém oběhu se vyrobí více práce než při provozu spalovací turbíny bez parní části. Pro zvýšení výkonu paroplynového bloku je možné v kotli spalovat další palivo a využít přebytku kyslíku ve spalinách ze spalovací turbíny (tzv. přitápění). Přitápění ale snižuje účinnost tím, že se snižuje podíl práce spalovací turbíny.

Návrh parního oběhu a jeho optimalizace vychází z hmotnostního toku výfukových plynů na výstupu z plynové turbíny a jejich teploty T4. Je tedy zřejmé, že maximální teplota pary Tb bude nižší o ΔT1 než teplota spalin T4 (nutný teplotní spád v tepelném výměníku-přehřívák parního kotle). Teplota syté páry Tb' bude dána potřebným teplotním rozdílem ve výparníku kotle ΔT2. Ze zákona zachování energie je zřejmé, že teplo odpovídající změně teploty výfukového plynu z teploty T4 na teplotu T5' je rovno teplu respektive změně entalpie páry mezi stavy b a b'. Teplo odpovídající změně teploty výfukového plynu z teploty T5' na teplotu T5 je rovno teplu respektive změně entalpie vody mezi stavy b' a a (pokud parní oběh obsahuje regeneraci je spotřeba tepla na tomto úseku menší). Minimální teplotní spád mezi spalinami a napájecí vodou kotle je ΔT3. Cílem návrhu je parní oběh o maximálním možném výkonu. To v některých případech může vést i na vícetlaké řešení parní části paroplynového oběhu, které je popsané v kapitole Parní turbína v paroplynovém bloku [25.].

Jako příklad paroplynového bloku zde uvádím teplárnu Červený mlýn v Brně s dvoutlakovým oběhem. Celkový elektrický výkon této teplárny je 94 MW z toho 70 MW připadá na spalovací turbínu, tepelný výkon je 140 MW. Parní část: 100 t·h-1, 6,84 MPa, 500 °C, 0,92 MPa. Tepelný výkon je přenášen v horké vodě (125 MW) a v páře (15 MW), účinnost vztažená na výrobu elektrické energie 47,5%, celková účinnost 89,0%, teplárenské modul e=0,68. Výfuk spalovací turbíny je propojen s parním kotlem spalinovodem vybaveným dalším komínem. Takto lze spalovací turbínu v případě nutnosti (požadavek elektrické sítě na rychlou dodávku el. energie) provozovat i s odstaveným parním kotlem:

Schéma zařízení parní části paroplynové teplárny Červený mlýn.
22.id157 Schéma zařízení parní části paroplynové teplárny Červený mlýn.
1 vstup horkých spalin z plynové turbíny do parního kotle; 2 výstup spalin z kotle do komína; 3 spalinový ohřívák horké vody; 4 horkovodní kotel (na ZP); 5 parní spotřebič (0,9 MPa, 200 °C); 6 horkovodní spotřebič (130/70 °C); 7 beztlakový akumulátor tepla (5600 m3); 8 parní buben vysokotlaké páry; 9 parní buben nízkotlaké páry; 10 směšování pára/kondenzátní voda a předehřev napájecí vody kotle.

Parní turbína v Červeném mlýně má jeden regulovaný a jeden neregulovaný odběr. V případě regulovaného odběru se pára odebírá do parovodu, pokud je páry v parovodu přebytek vstupuje tato pára přes ventil regulovaného odběru do turbíny a průtok parní turbínou dosahuje maxima. Neregulovaný odběr slouží k ohřevu vody ve špičkovém ohříváku vody:

Protitlaková dvoutlaková parní turbína s jedním regulovaným a jedním neregulovaným odběrem páry, typ G40 (ALSTOM Power v Brně).
23.id670 Protitlaková dvoutlaková parní turbína s jedním regulovaným a jedním neregulovaným odběrem páry, typ G40 (ALSTOM Power v Brně).
Výkon 24 MW, otáčky turbíny 6000 min-1. Turbína nemá na vstupu regulační ventil – regulace výkonu je prováděna regulací tlaku páry v kotli.

Paroplynové bloky jsou ve světě rozšířené pro svou vysokou tepelnou účinnost a rychlost výstavby. Paroplynové jednotky se používají i pro pohon lodí*.

reklama
*Paroplynový pohon lodí
V tomto případě je parní oběh zapojen za hlavní pohonou jednotkou, kterou bývá spalovací motor nebo spalovací turbína. Účinnost těchto lodních paroplynových jednotek může být až 51,5% [1, s. 32]. K těmto účelům jsou vhodná soustrojí s parní turbínou na rámu, které obsahují i kondenzátor.

Turbokompresory

Turbokompresory se uplatňují tam, kde je požadována vysoká čistota pracovního plynu, vysoká životnost nebo velké objemové průtoky (až 3 000 000 m3·h-1). Turbokompresory mají při stejném výkonu menší hmotnost než objemové kompresory. Tlak za turbokompresorem může být i 100 MPa (možnosti jednotlivých typů turbokompresorů jsou zřejmé z grafu v [16, s. 60] uvádějící závislost tlaku na výtlaku a na výkonnosti). Speciální turbokompresory dokáží pracovat i při velmi nízkých teplotách například v případě kryogenní techniky může teplota heliových par být jen 3,5 K [17]. Používají se v báňském a strojírenském průmyslu, ve kterých je velká spotřeba vzduchu pro pneumatické pohony, v chemickém průmyslu, v chladící technice, v kompresních stanicích plynovodů a jako součást většiny typů plynových turbín..:

Kompresní stanice Werne (Německo).
24.id160 Kompresní stanice Werne (Německo).
(a) pohled na areál kompresní stanice; (b) strojovna turbokompresorů. Kompresní stanice Werne je na trase tranzitního plynovodu zemního plynu, ve kterém se udržuje tlak kolem 7,5 MPa. Obsahuje dva dvoustupňové turbokompresory s radiálními stupni RV090 poháněné spalovacími turbínami. Vstupní tlak je 6 MPa, tlakový poměr je 1,45 (konstrukční tlak 11,6 MPa), otáčky turbokompresoru jsou 5 500 min-1, výkonnost stanice je 2x2 000 000 m3·h-1, jmenovitý příkon turbokompresorů je 2x25 MW. Hnací spalovací turbíny jsou dvohřídelové Pratt&Whitney FT8-55 o výkonu 26 MW (schéma zapojení je na Obrázku 14). Zdroj obrázků a dat [30].

Podobný typ turbokompresorů jako se používá v kompresních stanicích tranzitních plynovodů se používají i v průmyslu, kdy zajišťují například oběh stlačeného plynu v technologickém okruhu. Proto se takové kompresory s vysokým tlakem na sání a malým tlakovým poměrem nazývají oběhové kompresory [26, s. 16].

Pro zvýšení vnitřní účinnosti kompresoru se u vícestupňových turbokompresorů používá mezichlazení:

Princip komprese s mezichlazením a řez 6 – stupňovým radiálním turbokompresorem s odběrem pro mezichlazení.
25.id671 Princip komprese s mezichlazením a řez 6 – stupňovým radiálním turbokompresorem s odběrem pro mezichlazení.
(a) princip mezichlazení znázorněn na dvoustupňovém radiálním turbokompresoru; (b) řez 6 – stupňovým radiálním turbokompresorem řady 2MCL společnosti GE s odběrem mezi třetím a čtvrtým stupněm pro mezichlazení nebo odběr části stlačeného plynu, obrázek z [24]. mCh mezichladič plynu; i parametry plynu na vstupu; e parametry plynu na výstupu; e* parametry plynu na výstupu v případě komprese bez mezichlazení; 1 odběr plynu k mezichladiči; 2 odvod ochlazeného plynu z mezichladiče zpět do turbokompresoru; aiz [J·kg-1] vnitřní práce při izoentropické komprese ze stavu i do stavu e*; apol [J·kg-1] vnitřní práce při ideální polytropické kompresi ze stavu i do stavu e; Δai [J·kg-1] ušetřená měrná vnitřní práce kompresoru díky mezichlazení (Δai=aiz-apol). V případě vícetělesových turbokompresorů se může mezichlazení instalovat v propoji mezi jednotlivými tělesy.

Ze schématu je patrné, že maximální množství vnitřní práce se ušetří v případě izotermické komprese. Proto bývájí mezichladiče za co největším počtem stupňů, ale existují i další způsoby chlazení kompresorů.

Kompresory s atmosférickým sání a tlakovým poměrem přibližně do 3 se nazývají dmychadla respektive v případě lopatkového stroje rotační dmychadla. Rotační dmychadla bývají nejčastěji malé jednostupňové radiální kompresory s axiálním vstupem poháněné elektromotorem. Dmychadla se používají například ke zvýšení tlaku vzduchu na sání pístového spalovacího motoru. V takovém případě mohou být poháněné mechanickým převodem od hřídele motoru nebo častěji malým turboexpandérem využívající expanzi spalin ze spalovacího motoru při výfuku, takové soustrojí se nazývá turbodmychadlo:

Zapojení turbodmychadla u pístového spalovacího motoru. 26.id163 Zapojení turbodmychadla u pístového spalovacího motoru.
1 spalovací motor; 2 chladič palivové směsi; 3 sání vzduchu; 4 zemní plyn (palivo); 5 turbínová část turbodmychadla; 6 kompresor turbodmychadla; 7 elektrický zapalovač; 8 katalyzátor; 9 směšovač; 10 chladící okruh motoru. V případě plynných paliv se vzduch i palivo smíchává (palivová směs) ještě před vstupem do turbodmychadla. Výkonnost turbodmychadel pístových spalovacích motorů se pohybuje od 500 m3·h-1 vzduchu (motor o výkonu cca 100 kW), do 20 000 m3·h-1 vzduchu (stacionární motory o výkonech mezi 5 až 7 MW), u lodních motorů může být ještě vyšší. Více typů zapojení a regulace výkonu turbodmychadla je popsáno v [28].

Expanzní části turbodmychadel jsou obvykle tvořeny pouze jedním radiálním stupněm. Axiální stupně u turbodmychadel se používají především u velkých stacionárních motorů s malou změnou průtoku spalin při provozu (přibližnš konstantní výkon). Tlak spalin před expanzní části turbodmychadel je obvykle větší než tlak vzduchu na výstupu z turbodmychadla. Mazací okruh turbodmychadla je velice často spojen s mazacím okruhem spalovacího motoru, ale v některých případech má vlastní mazací okruh popřípadě je vybaveno valivými ložisky.

Speciálním typem kompresorů jsou reverzační kompresory používané u velkých plynojemů. Tyto kompresory jsou schopné pracovat v kompresorovém režimu i v turbínovém režimu jako turboexpandéry. Reverzační kompresory jsou přes spojku připojeny k el. motoru, který může pracovat i v generátorovém režimu [6].

Vlivy teplot na konstrukci tepelných turbín

U prvních stupňů tepelných turbín, zejména pak u spalovacích turbín, vysoká jakost materiálu lopatek a úprava jejich povrchu nestačí k zaručení pevnosti i při vysokých teplotách pracovního plynu a je nutné lopatky aktivně chladit. Aktivním chlazením je myšleno chlazení například závěsů lopatek či chlazení celé lopatky protkané chladícími kanálky. Jako chladící médium se používá vzduch (spalovací turbíny) nebo v případě parních turbín voda [11, s. 931]:

Lopatky spalovací turbíny řady MS5002 od GE s chladícími kanály. 27.id682 Lopatky spalovací turbíny řady MS5002 od GE s chladícími kanály.
Vzduch pro chlazení lopatek se odebírá v některé části kompresoru (pro první stupně expanzní části turbíny za posledním stupněm kompresoru). Chladící vzduch se kanálky vyvádí do proudu expandujících spalin otvory v lopatce umístěné na konci přetlakové strany. Povrch lopatek musí být ošetřen, ze strany chlazení, korozivzdornou vrstvou. Obrázek z [15].

Podobně důmyslně musí být provedena i konstrukce spalovací komory, aby vzduch pro spalování zároveň ochlazoval kovové části komory.

reklama
Návrhové programy lopatkových strojů - VIKLAN - výpočtové programy na míru

Odkazy

  1. TŮMA, Jan. Rotterdamský přístav se posouvá do moře, Technický týdeník, č. 11, 2011. Praha: Business Media CZ, ISSN 0040-1064.
  2. Natural gas processing, Wikipedia, [2011]. [on-line], http://en.wikipedia.org/wiki/Natural_gas_processing.
  3. ADELE – Adiabatic compressed-air energy storage (CAES) for electricity supply, [2011]. [on-line], http://www.rwe.com/web/cms/en/365478/rwe/innovations/power-generation/energy-storage/compressed-air-energy-storage/project-adele.
  4. Energy Storage Power Corporation, [2011]. [on-line], http://www.espcinc.com.
  5. TŮMA, Jan. Velkokapacitní zásobníky spolehlivě uskladní přebytky elektřiny – Tlakovzdušné akumulační elektrárny na obzoru, Technický týdeník, č. 6, 2011. Praha: Business Media CZ, ISSN 0040-1064.
  6. Efektivní reverzační turbokompresor, Technický týdeník, č. 1, 2011. Praha: Business Media CZ, ISSN 0040-1064.
  7. IBLER, Zbyněk, KARTÁK, Jan, MERTLOVÁ, Jiřina, IBLER, Zbyněk ml. Technický průvodce energetika-1. díl, 2002. 1. vydání. Praha: BEN-technická literatura, ISBN 80-7300-026-1.
  8. IP Rotor Cooling, [2011]. Popis základních atributů konstrukce parních turbín společnosti Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. http://www.mhi.co.jp/en/products/detail/steam_turbine_design_topics.html.
  9. ČEZ, a.s., 2011. Majitel a provozovatel elektráren. Adresa: Praha 4, Duhová 2/1444, PSČ 140 53, Česká republika, http://www.cez.cz.
  10. Letecký ústav na FSI VUT v Brně, [2012]. Pracoviště, kde byl navržen a postaven exerimentální letoun MARABU. Adresa: Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně, Technická 2896/2, 616 69 Brno, http://lu.fme.vutbr.cz.
  11. MILLER, Rudolf, HOCHRAINER, A., LÖHNER, K., PETERMANN, H. Energietechnik und Kraftmaschinen, 1972. Hamburg: Rowohlt taschenbuch verlag GmbH, ISBN 3-499-19042-7.
  12. CSC Iskra-Energetika, 2012. Inženýrská společnost v oblasti energetiky. Adresa: 28, Vedeneev Str., Perm, Russia, 614038. Web: http://www.iskra-energy.ru.
  13. Ecomagination, 2012. Webové stránky společnosti General Electric Company zaměřené na prezentaci produktů. Web: http://www.ecomagination.com.
  14. MATTINGLY, Jack, HEISER, William, PRATT, David, Aircraft Engine Design, 2002. Second edition. Reston: American Institute of Aeronautics and Astronautics, ISBN 1-56347-538-3.
  15. MS 5002 Gas Turbine a Through D Evolution, [2011]. Propagační článek společnosti GE. http://www.ge.com.
  16. BECKMANN, Georg. GILLI, Paul. Thermal Energy Storage, 1984. Wien: Springer-Verlag, ISBN 3-211-81764-6.
  17. První brněnská strojírna Velká Bíteš, a.s., [2012]. Výrobce a dodavatel malých plynových turbín, kryogenních turbokompresorů a malých parních turbín. Adresa: Vlkovská 279, 595 12 Velká Bíteš, http://www.pbsvb.cz.
  18. DANILOV, Alexandr. Пpocтopы apктики, В мире науки, 2006. Ruskojazyčná verze časopisu Scientific American. Moskva: Адрес: 119991 г. Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, д. 1, стр. 46, офис 138.
  19. Nuclear Propulsion, Federation of American Scientists, 2000. Washington, DC: 1725 DeSales Street, NW 6th Floor, 20036, http://www.fas.org/man/dod-101/sys/ship/eng/reactor.html.
  20. LAVERY, Brian. Lodě, 2005. 1. vydání. Praha: Euromedia Group k. s., ISBN 80-242-147-7.
  21. Siemens AG, 2011. Výrobce a dodavatel mnoha týpů tepelných turbín a turbokompresorů. Web: http://www.siemens.com.
  22. Capstone Turbine Corporation, 2011. Výrobce a dodavatel malých plynových turbín se spalovací komorou. Web: http://www.capstoneturbine.com.
  23. BATHIE, William. Fundamentals of gas turbines, 1984. John Wiley&Sons, Inc. ISBN 0-471-86285-1.
  24. General Electric Company, 2011. Výrobce a dodavatel mnoha typů tepelných turbín a turbokompresorů. Adresa: Fairfield, CT 06828, United States. Web: http://www.ge.com.
  25. RŮŽIČKA, Bedřich. POPELÍNSKÝ, Lubomír. Rakety a kosmodromy, 1986. Vydání 1. Praha: Naše vojsko.
  26. CHLUMSKÝ, Vladimír, LIŠKA, Antonín. Kompresory, 1978. 1. vydání. Praha: SNTL.
  27. History of Chrysler Corporation – Gas Turbine Vehicles, 1979. Prepared By Technical Information Engineering, 42 stran. Web: http://www.turbinecar.com/misc/history.pdf.
  28. JAN, Zdeněk, ŽDÁNSKÝ, Bronislav. Automobily – Motory, 2010. 6. vydání. Brno: Avid, spol. s.r.o., ISBN 978-80-87143-15-5.
  29. SUTTON, George. BIBLARZ, Oscar. Rocket propulsion elements, 2010. New Jersey: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-08024-5.
  30. MAN Diesel & Turbo SE, [2012]. Výrobce a dodavatel mnoha typů tepelných turbín a turbokompresorů. Adresa: Augsburg, Stadtbachstrasse 1, D-86153 Augsburg, Deutchland. Web: http://www.mandieselturbo.com.
  31. KAPICA, Pjotr. Experiment, teorie, praxe, 1982. 1. vydání. Praha: Mladá fronta. Překlad z ruského originálu Эксперимент. Теория. Практика, 1977.
  32. FOSSET, Steve. Lovec větru-vlastní životopis, 2008. Řitka: Daranus, s.r.o. ISBN 978-80-86983-59-2.

Bibliografická citace článku

ŠKORPÍK, Jiří. Tepelné turbíny a turbokompresory, Transformační technologie, 2011-02, [last updated 2014-02]. Brno: Jiří Škorpík, [on-line] pokračující zdroj, ISSN 1804-8293. Dostupné z http://www.transformacni-technologie.cz/tepelne-turbiny-a-turbokompresory.html. English version: Heat turbines and turbocompressors. Web: http://www.transformacni-technologie.cz/en_tepelne-turbiny-a-turbokompresory.html.

©Jiří Škorpík, LICENCE
reklama
www.transformacni-technologie.cz