TEPELNÉ TURBÍNY A TURBOKOMPRESORY

Úvod do parních turbín

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 jsou parní turbíny využívány především tam, kde je potřeba větších výkonů (než je tomu například u spalovacích motorů) a to v tepelných elektrárnách, teplárnách, pro pohon lodí a pracovních strojů velkých příkonů.

reklama

Parní turbína je velmi rozšířený stroj vyráběný a provozovaný v rozmanitých výkonech. Parní turbíny nebo jejich části se vyrábí prakticky ve všech zemích s rozvinutým strojírenstvím. Nejvíce výrobců je v segmentu výkonů parních turbín do 100 MW, přičemž parní turbínu s výkonem 1 000 a více megawat je schopno v současné době dodat jen asi 5 společností.

Nejčastěji je pracovní látkou vodní pára, ale může se jednat i o páry jiného složení, viz kapitola Alternativní pracovní látky v parních obězích. 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] – teploty jsou dány použitým materiálem vstupních částí parních turbín a prvních stupňů lopatek. 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.

jiné účely, říkáme, že turbína pracuje v režimu s potlačenou kondenzací – někdy se používá výraz s potlačeným vakuem. Kondenzátor se nachází obvykle co nejblíže turbíny kvůli hrozící vysoké tlakové ztrátě – může se ale nacházet i na vzdálenějším místě od turbíny, např. vzduchové kondenzátory, které jsou často umísťovány až na střechu strojovny.

● Základní schéma protitlakové turbíny

V případě protitlakových turbín není na výstupu kondenzátor, ale parovod, případně kondenzátor s tlakem kondenzace obvykle vyšším než 0,1 MPa, viz Obrázek 96.

turbíny před odběrem. V případě, že spotřebič páry připojený na odběru bude odstaven (sezónní provoz, servisní odstávka), klesne výkon turbíny (přibližně o 50 % až 60 % jmenovitého výkonu turbosoustrojí). Existují turbíny, které jsou konstruovány na stejný maximální 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 mohou na jedné turbíně kombinovat, Obrázek 670, protože každý typ odběru je vhodný pro jiné využití. Neregulované odběry se používají především za účelem regenerace tepla, což je proces zvyšující tepelnou účinnost oběhu, který spočívá v odebrání části páry z turbíny, která pak při kondenzaci ve výměníku předehřívá napájecí vodu zdroje páry. U vícetělesových turbín může být odběr realizován i mezi tělesy. Regulované odběry se používají, například k zásobování parovodu párou o tlaku vyšším, než je na konci turbíny. Kombinací neregulovaného a regulovaného odběru získáme tedy turbínu schopnou zásobovat regenerační výměníky i spotřebiče páry (neregulovaný odběr může pokrývat základní celoroční odběr páry – takže není nutný regulovaný odběr).

nákladná, z těchto důvodů se nevyskytují parní turbíny s více jak dvěma regulovanými odběry a v nabídce je má velmi málo firem [18, s. 33].

● Základní schémata vícetělesových turbín

Především u větších výkonů se používají vícetělesové parní turbíny. Uspořádání a propojení jednotlivých těles parních turbín záleží na způsobu zapojení parní turbíny v technologickém celku tj. na typu zdroje páry a účelu bloku (Obrázek 283 a Obrázek 802).

Při expanzi páry v turbíně dochází k nárůstu jeho objemu a tedy i zvyšování průtočného průřezu turbíny. Při velkých průtocích může vycházet průtočný průřez příliš velký (velký průměr turbíny), než aby protékal jen jedním tělesem, potom se použije opět místo jednoho tělesa turbíny více těles mezi sebou paralelně propojených (Obrázek 268).

různé otáčky (optimální pro daný zpracovaný spád a střední průměry lopatek). U menších výkonů lze dosáhnout různých otáček jednotlivých těles jejich propojení přes převodovku, viz Obrázek 445, s. 6.

Vícetělesové turbíny o výkonech nad 100 více megawatt jsou typické pro elektrárny, jejichž primárním cílem je vyrábět elektřinu s nejvyšší účinností, proto tělesa obsahují i zvýšené množství neregulovaných odběrů pro regeneraci. Pracovní parametry, konstrukce a schéma zapojení takové turbíny se liší nejčastěji podle typu zdroje páry, navíc jedna elektrárna obsahuje více turbosoustrojí (zdroj páry, turbosoustrojí a jeho kondenzační příslušenství se nazývá blok), která jsou uspořádana společně v jedné strojovně, viz Obrázek 168.

● Základní schémata lodních parních turbín

Byla to právě instalace parní turbíny v rychlodi Turbinia, která odstartovala zájem o parní turbíny. Potřebná pára pro hnací turbínu se vyrábí v parních kotlích na pevná nebo kapalná paliva nebo kotlích na odpadní teplo (spaliny z velkých spalovacích motorů nebo spalovacích turbín), u velkých vojenských plavidel nebo ledoborců se k výrobě páry používají tlakovodní jaderné reaktory konstrukčně uspůsobené pro lodní aplikace.

Turbíny mohou přímo pohánět lodní šroub nebo pohání el. generátor a teprve vyrobená elektřina se používá k pohonu lodních šroubů – tento nepřímý systém se používá především u jednotek s vysokými požadavky na regulaci otáček nebo dokonce změny smyslu otáčení lodního šroubu, například u ledoborců jak je ukazáno na Obrázku 152.

● Způsoby regulace výkonu parních turbín

Výkon parních turbín se reguluje především změnou množství páry vstupující do turbíny, změnou tlaku a případně i teploty.

Změnu tlaku páry a její vyrobené množství lze regulovat pomocí výkonu zdroje páry, pak parní turbína je regulována prostřednictvím tohoto zdroje. Takový způsob se nazývá regulace klouzavými parametry páry [45, s. 130] – konstruovaná na maximální výkon kotle, přičemž výkon je regulován změnou tlaku v kotli (pomocí napájecího čerpadla kotle). S parametry páry se samozřejmě mění i tepelná účinnost oběhu.

Mnohem častěji jsou ale zdroje páry konstruované pro konstantní tlak a teplotu páry a průtok páry turbínou je regulován pomocí regulačních ventilů. Základním způsobem regulace průtoku parní turbínou je regulace pomocí škrcení páry na vstupu. Při regulaci škrcením vstupuje pára do turbíny jedním nebo více paralelními ale současně pracujícími regulačními ventily (více o konstrukci regulačního ventilu parních turbín např. [46, s. 85]), viz Obrázek 100, s. 8. Jestliže je regulační ventil plně otevřen, je tlak páry na vstupu do turbíny roven tlaku velice blízko před regulačním ventilem a i průtok páry turbínou je maximální, bod i₁. Jestliže se regulační ventil „přivře“, dojde ke škrcení – izoentalpické expanzi páry ještě před vstupem do turbíny a tlak se sníží na tlak p₂. Vzhledem k tomu, že tlak na konci turbíny p_e je stále stejný klesne i měrná vnitřní práce turbíny (proto je tento typ regulace nehospodárný, snížením měrné práce turbíny dojde i ke snížení vnitřní účinnosti turbíny). Tento typ regulace parních turbín se používá u turbín malých výkonů (například i u turbín pohánějících turbokompresory; hydrodynamická čerpadla – snadno se regulují výkon/otáčky apod.) a turbín, které jsou určeny pro pokrytí základní spotřeby elektřiny (např. jaderná elektrárna, která pracuje přibližně stále na max. výkon.). K regulaci škrcením se používají podle situace jednosedlové ventily, dvousedlové ventily nebo ventily s difuzorem.

vyšší než za částečně otevřeným regulačním ventilem, proto rychlost páry na výstupu ze skupiny lopatkových kanálů ovládané částečným otevřeným ventilem je nižší. Pořadí otevírání regulačních ventilů ovlivňuje konstrukce turbíny a navrhuje se tak, aby co nejméně nerovnoměrné rozložení proudu páry v prvních stupních turbíny (při kterém mimo jiné vzniká ztráta parciálním ostřikem) ovlivňovalo chod turbíny (například nesymetrické zatížení ložisek a pod). Velikost jednotlivých skupin lopatkových kanálů může být různé podle požadavků na výkon účinnost při plně otevřených jednotlivých ventilech či přání zákazníka. Více o tomto problému a konstrukci např. v [46, s. 89]. Z principu skupinové regulace je zřejmé, že regulační stupeň musí být rovnotlakový, nebo Curstisův, jinak by došlo, vlivem vysokého tlaku p₁, k přetékaní páry za otevřenou skupinou lopatkových kanálů do oblasti uzavřených skupin lopatkových kanálů neboli k vysoké ztrátě parciálním ostřikem. Navíc rovnotlakové rotorové lopatky takového stupně mohou být umístěny na disku s větším průměrem než následující lopatková část (Obrázek 462, s. 4), a tak v jednom stupni zpracuje regulační stupeň výrazně větší entalpický spád, což snižuje celkový počet stupňů turbíny.

U parních turbín s požadavkem na občasné přetížení výkonu turbíny se může použít regulace obtokem páry. U takového způsobu regulace je několik posledních stupňů turbíny navrženo na vyšší než jmenovitý průtok a v případě potřeby zvýšení výkonu se druhým vstupem do turbíny s vlastním regulačním ventilem umístěným před těmito předimenzovanými stupni vpustí další pára. Více např. v [45, s. 130].

Další informace o regulacích parních turbín jsou v kapitole Spotřební charakteristiky parních turbín.

Jednostupňová parní turbína v poslední úloze zpracovávala malý spád při velkém průtoku, při vyšším zpracovaném spádu by však muselo být užito minimálně Curtisova stupně a při nižším průtoku by dokonce došlo na parciální ostřik, aby se nemusely zkracovat lopatky (čím kratší lopatky, tím větší jsou měrné ztráty radiální mezerou). Kombinace vysokého zpracovaného spádu a nižšího průtoku při zachování pouze jednoho oběžného kola vede na konstrukce s obracečem proudu páry, viz Obrázek 914, s. 10.

Pro jednostupňové turbíny je typické letmé uložení oběžného kola. Vzhledem k rovnotlakosti stupně (samozřejmě v případě vysokého protitlaku, jako v předchozí úloze, bude ucpávka složitější) se používají dotekové ucpávky obvykle na bázi grafitu. Tyto turbíny bývají také vysokootáčkové, kvůli vysoké výtokové rychlosti ze statorové řady, proto musí být použito vysokotáčkových generátorů nebo převodovky mezi turbínou a generátorem. Používají se i jednostupňové radiální turbíny, pakliže zpracovávají suchou páru (vlhkost má silné erozivní účinky na obvodu oběžného kola).

pohon).

Při výpočtu vícestupňové parní turbíny je základem rozdělení spádu mezi jednotlivé stupně podle kapitoly 19. Obecné požadavky na rozdělení zpracovaného rozdílu entalpie mezi jednotlivé stupně vícestupňového stroje, konkrétní postup například [35]. Všimněte si také řezů parních turbín v předchozích obrázcích, kdy většina vícestupňových turbín obsahuje výrázný rovnotlakový regulační stupeň. Pouze okrajově se používají ve vícestupňových parních turbínách radiální stupně, příklady a podmínky v [33], [18, s. 52], [11, s. 710].

Skříně parních turbín jsou děleny v horizontální rovině, jen zcela vyjímečně ve vertikální rovině (malé turbíny pracující s toxickou párou, a proto je třeba lépe těsnit [18, s. 23], vertikální dělení umožňuje i rychlejší prohřátí – start turbíny – nevýhodou je obtížná montáž). Parní turbíny pro vysoké tlaky páry bývají dvouplášťové (skříň s nosičem lopatek je uzavřena ve větší skříni), aby došlo k odlehčení vnější pláště a snížení hmotností skříní pro manipulaci.

Parní turbíny se vyrábí s různými variantami výstupních hrdel. U velkých turbíny převládá axiální typ (kondenzátor je za turbínou) a boční typ (kondenzátor je pod turbínou nebo vedle ní). Axiální typ (například Obrázek 445, s. 6) umožňuje rychlejší (současnou) montáž turbíny a kondenzátoru – to snižuje náklady na místě montáže, na druhou ustranu roste potřebná plocha strojovny a turbína může být jen jednoproudá. Při použití bočních hrdel je kondenzátor pod parní turbínou, takže se snižuje plocha strojovny, ale rostou rozměry turbínové stolice, při použítí dvouproudého uspořádaní lze pomocí bočních hrdel oba proudy svést do jednoho kondenzátoru. Hrdla jsou buď součástí dolní a horní skříně, nebo se vyrábí zvlášť (odlitky i svarky) také mají horizontální dělící rovninu – díly hrdla se ke skříním přišroubují na vertikální rovině nebo přivaří.

součásti skříně (Obrázek 804, s. 9) nebo umístěny mimo skříň turbíny (Obrázek 382). Umístění ventilů mimo skříň přináší výhodu v tom, že skříň je lehčí, symetrická, takže se při změně teplot tolik nedeformuje a její prohřívání a chladnutí je rychlejší, než když jsou ventily a jejich komory součásti turbíny (viz uložení čtyř ventilů mimo turbínu v případě parní turbíny v JE Temelín uvedené na obrázku v kapitole Základní typy a aplikace lopatkových strojů). Na druhou stranu jsou-li ventily součástí skříně, je turbousoustrojí kompaktnější.

Více o konstrukci jednotlivých částí parních turbín v článku Materiály a teorie strojních částí lopatkových strojů.

● Další části parní turbíny a její vybavení

Mimo uvedená zařízení a napojení je turbosoustrojí vybaveno protáčecím zařízením, vibrodiagnostikou (měření vibrací za účelem zjištění stavu stroje – měří se kmitání rotorových lopatek pomocí čidel ve statorové skříni naproti špicím lopatek v případě lopatek s bandážemi je čidlo umístěno z boku lopatkové řady [26]), měřením dilatací, respektive posunutí skříně a ložiskového stojanu a dalšími, především elektrickými zařízeními pro monitorování chodu turbosoustrojí.

profilů a dokonce jsou navrženy optimální geometrie lopatek celých skupin stupňů, přičemž jednotlivé lopatky se případně pro nižší než požadované průtoky od špic zkracují – stejně tak se změní průměr nosičů lopatek, průměr skříně je více méně stejný podle připravených výkresů a pevnostních výpočtů. Takto lze rezervovat výrobní kapacitu či přímo vyrábět jednotlivé díly turbíny velmi brzy od objednání. Při výběru různých konfigurací rotujících prvků je nutné důkladně hlídat vibrace a jejich vliv, což je na unifikaci asi největší záludnost (například velikost ložiskového čepu nevybírat pouze podle obvodových rychlostí, ale také podle tuhosti rotoru, délky lopatek atd.). Rozsah unifikace jednotlivého výrobce je také omezujícím faktorem při nabídkách, tj. čím menší je variabilita unifikace, tím menší trh je příslušný výrobce schopen pokrýt svými produkty – to souvisí s tím, že s vysokou mírou unifikace ztrácí schopnost vyrábět atypy (nemá na to konstruktéry, výrobní stroje i zaměstnance schopné obrábět přesně i atypické tvary či rozměry) . Unifikace se týká samozřejmě i olejového hospodářství, převodovek, diaghnostiky, řídícího systému, základů turbíny, šroubových spojů apod.

Unifikovaná turbína není sice často navržena optimálně pro konkrétní pracovní bod, ale to je vyváženo cenou, rychlostí dodávky a i montáží, navíc na unifikovaných prvncích probíhá soustavné zlepšování, kterého by šlo u jiné u koncepce "každá turbína prototyp" jen ztěží dosáhnout – na u unifikovaných částí lze provádět detailní pevností výpočty, optimalizovat výrobní a montážní postupy, vyrábět přípravky, snadněji odhalovat nedostatky či příčiny nehod atd.

Turbíny na rámu výrazaně zkracují montáž u zákazníka a šetří náklady na kvalifikovanou práci zejména v zahraničí. Na druhou stranu mohou zhoršit požární bezpečnost v oblasti turbosoustrojí pokud rám obsahuje olejovou nádrž.

Velmi malé turbíny cca do 1 MW se nepokládají přímo na podlahu strojovny, ale na betonový podstavec výšky od 40 do 60 cm pro snadnější přístup obsluhy a údržby k takto malým strojům.

Při propojení dvou strojů v turbosoustrojí, různých dodavatelů je nutné brát zvláštní zřetel na vyjasnění záruk a vad, které mohou vznikat kmitáním soustavy soustrojí.

následující technologie. To platí zejména u cirkulačních kompresorů, kde by se bez chlazení plyn ve smyčce zahříval. Především velké turbokompresory umožňují chlazení plynu během komprese, což nesnižuje jen teplotu plynu na výstupu z kompresoru, ale také snižuje potřebný příkon kompresoru, viz podkapitola Polytropická komprese v kompresoru.

● Turbokompresory s adiabatickou kompresí

U tohoto typu kompresorů probíhá komprese adiabaticky tj. v průběhu komprese pracovní plyn není chlazen. Jedná se o kompresory s jedním nebo velmi malým počtem stupňů a nízkým kompresním poměrem kolem 2, viz Obrázek 362 a Obrázek 160.

dvouplášťové, přičemž mezi plášti proudí chladící kapalina, která ochlazuje pracovní plyn uvnitř, viz Obrázek 608. Kompresory s povrchovým chlazením jsou složité a drahé – jsou nutné rozvodové kanálky a v dělící rovině hrozí únik chladící kapaliny do komprimovaného plynu a obráceně.

Ojediněle se lze setkat s diagonálním provedením jednostupňového kompresoru. Ovšem většina stacionárních aplikací spadá do oblasti radiálních stupňů, až při požadavku na vyšší průtok cca od 15 m³·s^-1 se kompresor konstruuje jako axiální, protože od takových průtoků už je účinnost axiálních turbokompresorů vyšší než radiálních [26, s. 94]. Na druhou stranu u radiálních stupňů se lépe realizuje mezichlazení, což více než kompenzuje nižší účinost jednotlivých stupňů. Podrobný postup návrhu vícestupňového turbokompresoru je uveden například v [38, s. 92]. V případě turbokompresoru s mezichlazením se také mezi stupni zmenšuje měrný objem plynu, proto první stupeň po mezichlazení bude mít menší vstupní průřezy než výstupní průřezy předchozího stupně.

Před prvními stupni turbokompresoru se často předřazují pevné nebo natáčivé statorové lopatky ke zlepšení náběžných úhlů proudu [37, s. 165] podobně jako u axiálních ventilátorů. Ze stejných důvodů lze přidat statorovou řadu navíc i za poslední stupeň turbokompresoru.

V případě radiálních stupňů jsou jednotlivá oběžná kola navlékaná na hřídel a aretována pomocí pera, viz 805 a Obrázek 1205, s. 18. Při použití axiálních stupňů se vždy používá bubnových rotorů, protože u paty lopatek je vysoký stupeň reakce, viz konstrukce zobrazené v kapitole Základní typy a aplikace lopatkových strojů.

Konstrukce skříní turbokompresorů je jednodušší než u parních turbín, protože nejsou tak teplotně ani dilatačně namáhána. Dělicí rovina skříní bývá horizontální, ale především u turbokompreorů s malým počtem stupňů se dává přednost barelové konstrukci (vertikální dělící rovnina, viz Obrázek 362, s. 14). Vysokotlaké turbokompresory se vyrábí ve dvouplášťovém provedení podobně jako vysokotlaké parní turbíny.

stupňů mezi dvěma ložisky je přirozeně omezen.

Turbokompresory se na rozdíl od parních turbín vyrábí mnohem častěji v sériích, u kterých je větší prostor pro vývoj jednotlivých výrobních řad.

Více o konstrukci jednotlivých částí turbokompresorů v článku Materiály a teorie strojních částí lopatkových strojů.

● Pohony turbokompresorů

Pohon turbokompresoru je nutné vybrat s přihlédnutím k požadovanému příkonu, požadovaných otáček, požadavků na regulaci a lokalitě (dostupnost požadovaného elektrického příkonu, dostupnost zdroje páry pro parní turbínu či zemního plynu pro spalovací turbínu apod.).

Nejčastěji se k pohonu turbokompresorů používají elektromotory. Přibližně do příkonu 4 MW se používají asynchronní motory, pro vyšší příkony (až několik desítek MW – největší příkon zatím 64 MW [48]) synchronní motory [40, s. 195]. Elektromotory pohání turbokompresory konstantními otáčkami obvykle odpovídající počtu pólů motoru a to v rozsahu 360 až 2 950 min^-1 (asynchronní) nebo 150 až 1 500 min^-1 (synchronní) [40, s. 195]. Protože otáčky turbokompresorů bývají mnohem vyšší bývá pohon elektromotorem doplněn převodovkou.

Pro větší výkony s možností regulace otáček (v intervalu 25 až 100 %) se používají parní turbíny s regulací škrcením – k tomu je nutné vybudovat blok zařízení pro realizaci parního oběhu. V kompresních stanicích plynovodů se používá k pohonu turbokompresorů spalovacích turbín.

V případě elektromotorů velkých výkonů a současné potřeby změny otáček turbokompresoru se vybavuje takové soustrojí hydrodynamickou převodovkou. Hydrodynamická převodovka má sice vyšší ztráty, ale pomocí ní lze regulovat plynule otáčky i při velkých výkonech (Obrázek 647).

i integrován přímo do skříně kompresoru, viz Obrázek 841.

Regulace odfukem, respektive přepouštěním se používá pro snížení průtoku kompresorem při zachování kompresního poměru. Spočívá v přepouštění části stlačeného plynu přes by-pass zpět do sání. Průtok plynu je regulován škrtícím ventilem, případně je za škrtící ventil vložen chladič, aby se neustále nezvyšovala teplota plynu. Při kompresi vzduchu se může jednat o řízený odfuk přímo do atmosféry.

● Regulace turbodmychadla

Opět existuje velké množství způsobů regulace turbodmychadel podle konstrukce turbodmychadla [50], [28], ale nejčastější se používají dva způsoby. Nejjednodušší způsob regulace je regulace odklonem výfukových plynů před turbínou, a regulace natáčením statorových lopatek turbíny (pokud je má).

Jestliže je turbodmychadlo regulováno odklonem proudu před turbínou, pak je navrženo především pro nižší výkony, respektive dosahuje potřebných otáček při nižším průtoku výfukových plynů. Nevýhodou je, že při dosažení jmenovitého výkonu turbodmychadla je už nadbytečné množství spalin bez užitku přepouštěno do výfuku, aby nedošlo k pumpáži kompresoru, proto se velmi často řadí dvě turbodmychadla paralelně. Při paralelním provozu se druhé turbodmychadlo zapojí až je množství spalin dostatečné pro obě turbodmychadla, viz Obrázek 551.

U turbodmychadel řazených paralelně existuje velké množství variant včetně sériovo/paralelního zapojení s automatickým přepínáním mezi sériovým a paralelním provozem (Obrázek 482, s. 22). Lze také kombinovat různé typy turbodmychadel napojených na jeden spalovací motor a doplnit tuto sestavu i dmychadlem pohaněné mechanicky od motoru nebo dokonce i elektricky [15], tak aby bylo zabezpečeno přeplňování i při malých otáčkách motoru.

spalin; při přebytku výkonu turbodmychadlo funguje jako el. generátor.

● Popis základního návrhu a konstrukce turbodmychadel

Kompresorová lopatková část se navrhuje jako klasický stupeň pracovního stroje a turbínová podobně jako stupeň jakékoliv turbíny. Problém oproti je pouze ve zpracování temodynamických vlastností vzduchu a zvláště spalin, které jsou směsí několika plynů vzniklý při hoření ve válci spalovacího motoru. Teplota spalin spalovacích motorů záleží na typu spalovacího motoru (u zážehových jsou vyšší než u vznětových) a dosahuje maximálně 800 °C, odtud se také řídí výběr materiálu pro stavbu. ložiskový systém je často kluzný využívající mazací okruh spalovacího motoru.

Expanzní části turbodmychadel jsou obvykle tvořeny pouze jedním radiálním stupněm. Axiální stupně u turbodmychadel se používají u velkých stacionárních motorů s malou změnou průtoku velkého objemu spalin. Kompresorové oběžné kolo turbodmychadla bývá radiální. Celkový tlak spalin před expanzní části turbodmychadel je menší než tlak vzduchu na výstupu z turbodmychadla, přičemž kompresní poměr bývá od 1,5 (motory pro osobní automobily) až po 4,5. Kompresní poměr je dán požadavky spalovacího motoru a nebývá vyšší kvůli možnosti samovznícení směsi ve válci, což je problém především u benzínových motorů. Při vyšších kompresních poměrech se používá i dvoustupňová komprese vzduchu nejčastěji ve dvou turbodmychadlech řazených za sebou nebo ve dvojstupňové kompresní části jednoho turbodmychadla. Difuzor za oběžným kolem kompresoru bývá obvykle bezlopatkový, pokud je nutná vyšší účinnost na úkor regulovatelnosti lze použít i lopatkové difuzory.

protitlak, ale průtok spalin turbodmychadlem je rovnoměrnější. V takovém případě za spirální skříni je bezlopatkový nebo lopatkový rozvaděč s natáčivými lopatkami (u pulzačního turbodmychadla by lopatkový rozvaděč těžko plnil svou funkci). Pulzační má obvykle vyšší ztráty při proudění i v turbodmychadle, i když nabízí o něco větší využitelný spád ve spalinách.

U velkých turbodmychadel se uplatňuje i tepelná izolace mechanických částí nebo naopak i chlazení skříně turbíny – na horkých částech může lehce degradovat mazací olej a chlazení tomu zabraňuje.

Turbodmychadlo je spojeno se spalovacím motorem nejen pneumaticky, ale i pomocí regulačních prvků. Pro případné ovládaní lopatek se používají elektromagnetické nebo elektropneumatické prvky propojené s měřením tlaku na výtlaku turbodmychadla. Podobně jsou ovládány i obtokové ventily v případě regulace turbodmychadla obtokem.

Další informace především o vlastnostech turbodmychdel jsou v kapitole Turbodmychadla spalovacích motorů.

Více o konstrukci jednotlivých částí turbokompresorů v článku Materiály a teorie strojních částí lopatkových strojů.

raketových motorech a v dalších aplikací. Výkony spalovacích turbín jenž jsou běžně na trhu se pohybují ve výkonech od cca 30 kW (mikrotubíny) do 500 MW. Tyto celky mají široké použití díky svému poměru výkon/rozměr (hmotnost) i v dopravě (požadavek plynulé regulace výkonu, rychlého startu i odstavení a nízké hmotnosti). Díky kompaktnosti se prakticky v celých uvedených rozsazích výkonů vejdou na rám, na kterém jsou dodávaný zákazníkům přímo na místo instalace, viz Obrázek 1207.

Porovnávacím oběhem spalovací turbíny se nejčastěji Braytonův oběh.

Spalování paliva ve spalovací komoře spalovací turbíny je 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 k rychlému vybudování energetického zdroje i v extrémních podmínkách (Obrázek 169).

● Spalovací komory

Ve spalovacích komorách probíhá nejen samotné spalovaní, ale i mísení stlačeného vzduchu z kompresorové části spalovací turbíny a paliva, proto obsahuje relativně složitý systém vložek a palivových trysek (Obrázek 843).

Velikost a i konstrukci spalovací komory podstatně ovlivňuje zda spalování probíhá difúzně nebo kineticky [43, s. 6]. V případě difúzního spalování jsou komory obrovské (často větší než samotná lopatková část spalovací turbíny, viz Obrázek 846, s. 26, takže musí být umístěna vedle soustrojí), protože kyslík a palivo se promíchávají pomalu pomocí vzájemné difuze (pronikaní) vzduchu a paliva až během hoření. Spalovací komory s kinetickým spalováním jsou mnohem menší, protože palivo se promíchá s požadovaným množstvím stlačeného vzduchu ve směšovací komoře (ve které dochází k aktivnímu promíchávání vzduchu a paliva) spalovací komory, což výrazně zkracuje dobu hoření (Obrázek 807).

předpokládaných provozních výkonů a podmínek (především u leteckých motorů se mění okolní podmínky i výkon ve velmi širokém rozsahu). ● Servisní interval spalovací komory musí být stejný nebo delší, než je servisní interval generální opravy spalovací turbíny. ● Snadné a rychlé zapalování i pro případ řídkého vzduchu (požadavek pro letecké motory). ● Rovnoměrná teplota spalin po celé výstupním průřezu spalovací komor/y (požadavek pro komory rozmístěné po obvodu nebo prstencových komor).

Hoření probíhá při teplotách kolem 1 300 případně 1 500 °C, pokud není požadavek na emise. Při takových teplotách už vznikají sloučeniny NOx ze vzdušného dusíku, což vede na minimální přebytky vzduchu a důkladné promíchávaní palivové směsi (turbulizace). Pro snížení produkce NOx se do proudu horkých spalin může vstřikovat pára a pod. S teplotou souvisí i výběr použité materiálu případně jejich povrchová úprav, která by měla zamezit okujení (tvorba tvrdých oxidů – rez).

Postupy při návrhu spalovací komory lze nalézt především v [43], [37]. Parametry pro základní návrh spalovací turbíny před znalostí parametrů spalovací komory lze čerpat z [37, s. 90, 370], [29, s. 92-110].

● Regulace spalovacích turbín

U spalovacích turbín se regulace výkonu provádí změnou množství paliva, tím se mění teplota na výstupu ze spalovací komory. Například snížením množství paliva tato teplota poklesne teplota, tím se sníží objemový průtok turbínové části (průtočné průřezy turbíny jsou konstantní), což znamená, že poklesne i tlak za kompresorovou částí (před spalovací komorou). Regulovat lze i ovlivňováním komprese, je-li k tomu kompresorová část vybavena.

přes tlakový prostor zkomprimovaného vzduchu i přes beztlaký prostor výfukových spalin. Jmenovitý výkon turbíny na výstupní hřídeli byl 130 hp, při otáčkách 3 600 min^-1, maximální otáčky turbíny činily 44 500 min^-1. Více o spalovacích turbínách pro automobily např. v [28], [23].

● Základní schémata zapojení spalovacích turbín

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 se zanášením, opotřebení lopatek a se spalováním). Řešením lepšího využití energie v palivu je buď regenerace tepla v Braytonově oběhu (viz kapitola Regenerace tepla ve spalovací turbíně a Obrázek 940), a nebo alespoň využití tepla spalin pro ohřev vody nebo jiných látek (Obrázek 154), proto se spalovací turbíny používají převážně v teplárnách. U malých spalovacích turbín do výkonu cca 500 kW (tzv. mikroturbíny) je dokonce možné oba způsoby zvyšování využití energie v palivu kombinovat, viz Obrázek 161.

skupin se společným řídícím systémem pro zvýšení a optimalizování celkového výkonu.

Turbínová a kompresorová část mohou být od sebe úplně odděleny a pracovat nezávisle, v podstatě se už nejedná o spalovací turbínu, ale technologickou jednotku s turbokompresorem a tzv. turboexpandérem. Na Obrázku 720, s. 30 je schéma tepelné akumulační elektrárny (systém AA-CAES – Adiabatic Compressed Compressed Air Energy Storage). Jednotka obsahuje turbokompresor poháněný el. motorem, zásobník stlačeného vzduchu (volné podzemní prostory) a soustrojí s turboexpandérem a el. generátorem. Turbokompresor se zapíná při přebytku energie v síti a práce kompresoru je využita ke stlačení vzduchu do zásobníku. Stlačený vzduch se využije v době nedostatku elektřiny v síti jako okysličovadlo ve spalovací komoře turboexpandéru. Vzduch z podzemního zásobníku může sebou strhávat prach, který poškozuje lopatky turboexpandéru, proto musí být před instalací speciálně upraveny a pak často kontrolovány.

Turboexpandéry se také používají jako redukční stanice tlaku na plynovodu (zapojení i funkce prakticky stejné jako u parních protitlakových turbín Obrázek 96, s. 2), v průmyslu pro zkapalňování plynů a směsi plynu s následnou extrakcí jednotlivých kapalných složek [2] a v kryogenní technice obecně (při expanzi může být výstupní teplota helia jen několik desítek Kelvinů [17], [31]). Výkony turboexpandérů se pohybují od 100 kW do několika megawatt – pokud v nich expanduje vzduch vybavují se také spalovací komorou, aby se zvýšil jejich výkon.

Regulace turboexpandéru se provádí obvykle škrcením jako u parních turbín (Obrázek 100, s. 8).

● Letecké aplikace spalovacích turbín a aeroderiváty

Spalovací turbína se nevyužívá v letectví pouze jako primární pohonná jednotka pod názvy proudový motor nebo turbokompresorový, ale také se malé spalovací turbíny využívají jako pomocné jednotky pro výrobu elektřiny, stlačeného vzduchu pro tlakování kabiny nebo k pohonu hydrauliky (tyto funkce lze také integrovat i do primární pohonné jednotky, například přímé odběry vzuchu z kompresorové části, pohonem malého el. generátoru přes převod atd.).

Spalovací turbína může vytvařet tah dvěma základními způsoby. Buď funguje jako pohon vrtule (tzv. turboprop) nebo častěji jako proudový pohon ve verzích tzv. turbojet či turbofan – princip proudového pohonu je zřejmý z Obrázku 164, na kterém je přibližný i-s diagram tepelného oběhu spalovacích turbín, ze kterého je patrné, že turbínová část spalovací turbíny má jen tolik stupňů, aby zvládla pohánět turbokompresorovou část, zbylý entalpický spád je transformován v trysce za turbínou na kinetickou energii proudu spalin, který vytváří tah motoru.

motory s vyšším obtokem 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 motorů turbofan dopravních letadel je přibližně 1:8).

Tah proudového motoru je definován stejně jako tah vrtulového pohonu s tím, že se hmotnostní průtok zvýší i o přiváděné palivo do spalovací komory. Celkový tah proudového motoru je součet tahů jednotlivých plynů na výtoku z motoru (i bypassem), viz Vzorce 176.

Účinnost proudového motoru je definovaná stejně jako vnitřní účinnost vrtule pouze mechanický příkon vrtule je nahrazen příkonem chemické energie v palivu.

Propulzní účinnosti proudového motoru je podíl mezi prací vykonané tahem a změnou kinetické energie vzduchu a paliva, (Vzorce 176).

Pro zvýšení účinnosti proudového motoru mimo jmenovitý stav se používají dvou i tříhřídelové proudové motory, viz Obrázek 664.

i proudové motory s velmi malým tahem, například motor TJ100 (PBS Velká Bíteš) dasahuje tahu kole 1 kN – jeho testy proběhly mimo jiné na letounu experimentální letounu pro vzdušný průzkum Marabu vyvinutého na FSI VUT v Brně Leteckým ústavem [10]; letoun byl poháněn i pístovým motorem s tlačnou vrtulí a motor TJ100 o hmotnosti 19 kg byl uložen na levém křídle [17]. Příkladem motoru s extrémně malou spotřebou je motor typu turbofan Williams international fj44-1 o tahu 6,7 až 8,5 kN. Tento motor byl hlavním pohonem letounu prvního proudového letounu, který obletěl svět bez doplnění paliva – jaro 2005. Letoun se jmenoval Global flyer a pilotem byl Steve Fosset, který se tímto stal prvním člověkem, který obletěl svět v letadle sám [13].

Pohon vrtulníku pomocí spalovací turbíny je podobný systému turboprop –  turbína pohání přes převodovku hlavní i stabilizační vrtuli. Lze využít místo mechanického převodu i odebraného stlačeného vzduchu z turbokompresorové části, více v [32]. Výkony spalovacích turbín pro vrtulníky se pohybují od 100 kW do 800 kW.

aeroderivátů s vysokou účinností je výkon i přes 100 MW). Jejich výhodou jsou rychlý start (mají odlehčené rotory) a menší pořizovací náklady při použití použitých dílů, než u turbíny konstruované jako stacionární.

Na Obrázku 939 si všimněte konstrukčních prvků, které jsou pro aeroderiváty typické. Například dělicí rovniny přidaných turbínových a kompresových stupňů jsou horizontální, kdežto jádro aeroderivátu má dělící roviny vertikální, což je typické pro letecké konstrukce s požadavkem na úsporu hmotnosti i za cenu složitější montáže – proto jsou k demontáži aeroderivátu potřeba speciální montážní pomůcky původem z leteckých opraven. I ložiskový systém je odlišný, v nových částech jsou kluzná ložiska, v původním jádru ložiska valivá. Z pohledu uživatele se ale jednotky s aeroderivátem nijak podstatně neliší od stacionárních konstrukcí spalovacích turbín, viz Obrázek 165.

Kombinace spalovací a parní turbíny v paroplynovém oběhu

Teplo spalin na výfuku spalovací turbíny se nemusí využívat pouze k ohřevu vody, jak je nakresleno na Obrázku 154, s. 29, ale pomocí tohoto tepla lze vyrábět páru pro parní oběh. Taková kombinace dvou tepelných oběhů – nazývána paroplynový oběh – výrazně zvyšuje účinnost transformace energie v palivu na elektřinu a to až nad 55 % (v současnoti /2012/ 60 %).

● Princip paroplynového oběhu a základní schéma zařízení pro jeho realizaci

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 nějnižší střední teplotě pracovní látky (viz subkapitola Účinnost transformace energie ). První požadavek splňuje oběh spalovací turbíny a druhý parní oběh. Kombinací oběhu spalovací turbíny a parního oběhu vznikne tzv. paroplynový oběh (Obrázek 155), který splňuje obě podmínky pro maximální účinnost tepelného oběhu.

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 spalovací turbíny (tzv. přitápění). Přitápění ale snižuje účinnost tím, že se snižuje podíl práce spalovací turbíny.

Návrh parního oběhu a jeho optimalizace vychází z tepelného výkonu ve spalinách na výfuku plynové turbíny a z teploty T₄, protože maximální teplota páry T_b musí být nižší o ΔT1 než teplota spalin T₄ kvůli požadovanému teplotnímu spádu v tepelném výměníku – přehřívák parního kotle. Teplota syté páry T_b' je 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 T_5' je rovno teplu, respektive změně entalpie páry, mezi stavy b a b'. Teplo odpovídající změně teploty plynu na výfuku z teploty T_5' 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.

● Dvoutlakový paroplynový oběh

V [51, s. 40] je dokázáno, že maximální účinnosti by paroplynový oběh dosáhl, jestliže by střední teplota přívodu tepla do parní části oběhu byla stejná jako střední teplota odvodu tepla z plynové části oběhu tzv. teoretický binární paroplynový oběh (v takovém případě dochází k rovnoměrnému předávání tepla z plynového do parního oběhu), viz Obrázek 836(a).

Odkazy

Bibliografická citace článku