Návrh parní turbíny s integrovanou převodovkou — technické poznatky

Tato práce se zabývá návrhem parní protitlakové turbíny s integrovanou převodovkou pro pohon kompresoru dle zadaných parametrů. První část práce tvoří literární rešerše, ve které je popsáno obecné rozdělení parních turbín, typy lopatkování a dále je v ní podrobněji rozebrána přeměna energie ve stupni parní turbíny. Druhá část je výpočetní a zahrnuje návrh průtočných částí parní turbíny, návrh výstupního hrdla a integrované převodovky. Přílohou k této práci jsou výkresy zjednodušeného řezu parní turbíny s převodovkou a dispoziční výkres soustrojí.

Účel, typ a základní rozdělení turbíny

Parní turbíny jsou rotační lopatkové stroje, ve kterých pára expanduje v mezilopatkových kanálech a předává svou energii běhounu (rotoru). Parní turbína je nejpoužívanější tepelný rotační lopatkový motor sloužící k přeměně vnitřní energie páry na mechanickou energii - otáčení rotoru turbíny. Jejich hlavní využití je pohon elektrických generátorů, čerpadel, turbodmychadel a lodí. Podle dalšího využití páry, která prošla turbínou, můžeme parní turbíny rozdělit na kondenzační, protitlakové a odběrové. Parní turbíny nebo jejich části se vyrábí prakticky ve všech zemích s rozvinutým strojírenstvím. Nejčastěji je pracovní látkou vodní pára, ale může se jednat i o páry jiného složení.

Protitlaková turbína s integrovanou převodovkou - charakter a použití

Parní protitlaková turbína produkuje páru na výstupu s dostatečně vysokými parametry, aby mohla být dále technologicky využita, například k vytápění nebo k pohonu kompresoru. Parní turbína s integrovanou převodovkou se uplatní u menších výkonů, kde je žádoucí dosáhnout specifických otáček hnacího stroje (kompresoru). U menších výkonů lze dosáhnout různých otáček jednotlivých těles jejich propojením přes převodovku.

Princip přeměny energie ve stupni turbíny

V mezilopatkových kanálech rozváděcího kola každého stupně pára expanduje, její vnitřní (tepelná a tlaková) energie se mění na energii kinetickou, která se následně na oběžném lopatkovém kole mění na energii mechanickou. Tato přeměna tepelné energie v kinetickou se projevuje jako točivý moment na hřídeli turbíny. Teoretická výtoková rychlost páry z rozváděcí trysky se stanoví ze vztahu c1 = sqrt(2·Y) = sqrt(2·(i0 − i1)), kde Y je tepelný spád, i0 je entalpie páry na vstupu a i1 je entalpie páry na výstupu z trysky.

Typy lopatkování a konstrukční aspekty

Rovnotlakové (akční): oběžné kolo se otáčí v prostoru s konstantním tlakem; expanze páry nastává pouze v rozváděcím zařízení. Přetlakové (reakční): tlak klesá jak v rozváděcím zařízení, tak i v oběžném kole. Pro vysokou účinnost a zpracování velkého tepelného spádu se používají vícestupňové parní turbíny, kde pára expanduje postupně. Zpracovat celý tepelný spád v jednom pracovním stupni je možné jen u malých parních turbín, podobných Lavalově turbíně.

Rotor, oběžné lopatky a skříň

Rotor může být buď hřídel s nasazenými oběžnými koly, nebo buben s hřídelem na koncích. Na obvodu jsou drážky pro uchycení oběžných lopatek. Je to výkovek a musí být pečlivě staticky i dynamicky vyvážen. Kritické otáčky rotoru se musí lišit od provozních nejméně o 20 %. Oběžné lopatky jsou uchyceny v drážkách, vyrobené z válcovaných profilů nebo frézované z plného materiálu. Krátké lopatky mají konstantní úhly a tvar profilu, u dlouhých se úhly mění s délkou kvůli proměnlivé obvodové rychlosti.

Ložiska a uložení rotoru v souvislosti s převodovkou

Rotor je uložen ve dvou radiálních a jednom axiálním ložisku pro zachycení osové síly. U středních a velkých turbín se používají kluzná ložiska s oběžným tlakovým mazáním. U dlouhých rotorů se používají samostatná ložiska v kulových lůžkách. Axiální ložisko je segmentové s funkčními plochami vylitými kompozicí. Volba převodovky má významný vliv na zatížení ložisek a jejich dimenzování, neboť převodovka přenáší jak točivý moment, tak i osové a radiální složky sil mezi turbínou a poháněným strojem.

Návrh integrované převodovky - zásady a vliv na konstrukci turbíny

U menších výkonů lze dosáhnout různých otáček jednotlivých těles jejich propojením přes převodovku. Integrovaná převodovka by měla být navržena s ohledem na ložiska, vyvážení rotoru a požadovanou provozní rychlost kompresoru. Převodovka ovlivňuje uspořádání těles a může umožnit optimalizovat střední průměry lopatek pro zpracovaný spád.

Řízení a regulace turbíny v pásmu otáček

Volba regulace turbíny v pásmu otáček je zásadní pro provoz s integrovanou převodovkou. Změnu tlaku páry a její vyrobené množství lze regulovat pomocí výkonu zdroje páry - tento způsob se nazývá regulace klouzavými parametry páry. Častěji se průtok páry turbínou reguluje pomocí regulačních ventilů. Základním způsobem regulace průtoku parní turbíny je regulace pomocí škrcení páry na vstupu. Při regulaci škrcením vstupuje pára do turbíny jedním nebo více paralelními ale současně pracujícími regulačními ventily.

Při regulaci škrcením dochází ke snížení admisního tlaku páry, což zmenšuje měrnou energii a výkon; tento typ regulace je méně hospodárný. Poněkud větší účinnosti se dosahuje pomocí skupinové regulace: statorová řada lopatek prvního stupně je rozdělena do několika skupin, každá skupina má vlastní regulační ventil. Regulace průtoku se provádí otevíráním jednotlivých regulačních ventilů tak, aby škrcení probíhalo maximálně na jednom ventilu. Z principu skupinové regulace je zřejmé, že regulační stupeň musí být rovnotlakový, jinak by došlo k přetékaní páry a vysoké ztrátě parciálním ostřikem.

Specifika provozu turbín s odběry páry

Turbiný s odběrem páry je turbína, ze které je část páry odebírána za jiným než posledním stupněm turbíny. Regulované odběry se používají například k zásobování parovodu párou o tlaku vyšším, než je na konci turbíny. Neregulované odběry se používají především za účelem regenerace tepla, což zvyšuje tepelnou účinnost oběhu. V případě, že spotřebič páry připojený na odběru je odstaven, klesne výkon turbíny (přibližně o 50 % až 60 % jmenovitého výkonu turbosoustrojí).

Pomocné systémy a bezpečnostní prvky

Bezpečnou a spolehlivou práci turbíny zabezpečují především systémy pro její regulaci, mazání, prohřev nebo protáčení rotorů. Vysokotlaký olejový systém hydraulicky řídí všechny regulační a uzavírací prvky na vstupech páry do jednotlivých dílů. Ochranné rychlozávěrné ventily rychle uzavřou přívod páry v případě havárie. Druhým důležitým pomocným systémem je systém mazání, který zásobuje mazacím olejem všechna kluzná ložiska turbosoustrojí. Při najíždění turbíny je potřebný systém prohřevu a odvodnění vnitřních částí turbíny a natáčecí zařízení umožňující pomalé protáčení rotorů během prohřevu.

Materiály, teploty páry a vliv na návrh

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 - 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.

Účinnosti a možnosti zvýšení tepelné účinnosti

Obvodová účinnost (ηs) je poměr obvodové měrné energie k teoretické měrné energii. Vnitřní (indikovaná) účinnost (ηi) je poměr vnitřní měrné energie k teoretické měrné energii. Efektivní (vnější) účinnost (ηe) je součin vnitřní a mechanické účinnosti. Celková účinnost soustavy (ηc) je poměr skutečně získané práce na spojce turbíny k energii přivedené do topeniště parního generátoru. Tepelnou účinnost lze zvýšit ohříváním kondenzátu párou odebíranou z turbíny nebo přihříváním páry před vstupem do nízkotlaké části turbíny. Přihřívání páry také snižuje vlhkost páry vystupující z posledních stupňů, což zlepšuje životnost lopatek a minimalizuje ztráty.

Praktické aspekty návrhu výstupního hrdla a difuzoru

Návrh výstupního hrdla a difuzoru je součástí návrhu průtočných částí parní turbíny. Při expanzi páry v turbíně dochází k nárůstu jejího objemu a tedy i zvyšování průtočného průřezu turbíny. Proto průměr oběžných kol každého následujícího stupně bývá větší. V případě výstupního hrdla protitlakové turbíny je nutné brát v potaz parametr výstupní páry, neboť tlak páry ve výstupním parovodu záleží na dalším využití páry a může být i vyšší jak 1 MPa.

Vícetělesové uspořádání a vliv na převodovku

U větších výkonů se používají vícetělesové parní turbíny. Uspořádání a propojení jednotlivých těles záleží na způsobu zapojení turbíny v technologickém celku. Dvouhřídelové uspořádání vyžaduje dva generátory, ale umožňuje konstruovat tělesa pro různé otáčky; u menších výkonů lze jejich propojení zajistit přes převodovku. Vícetělesové turbíny o výkonech nad stovky megawatt jsou typické pro elektrárny; u menších aplikací s pohonem kompresoru je integrace převodovky běžným řešením pro dosažení požadovaných otáček.

Praktický příklad a orientační parametry

Úloha: Závod na výrobu bioethanolu spotřebovává sytou páru o tlaku 1,1 MPa v množství 75 t·h−1. Pára na vstupu do redukčně-chladící stanice má tlak 1,6 MPa a teplotu 295 °C. Ze zadání lze určit množství chladící vody pro redukčně chladící stanici, vnitřní průměr parovodu za redukčně-chladící stanicí při dané rychlosti páry, a vyhodnotit, jak by redukčně chladící stanici mohla nahradit parní turbína a jaký teoreticky možný výkon by měla taková turbína. Řešení úlohy je uvedeno v příloze práce.

Historie a vývoj

Historie parní turbíny se začala psát koncem devatenáctého století; prvním významným strojem byla Lavalova turbína, následovaná Parsonsovou přetlakovou turbínou, která odstranila nedostatky Lavalova řešení pro větší výkony. Přetlakové turbíny s vícestupňovou konstrukcí se rychle rozšířily a vytlačily parní stroj. Dnes jsou parní turbíny klíčové stroje moderní energetiky.

Přílohy, výkresy a dokumentace

Přílohou k obhajované práci jsou výkresy zjednodušeného řezu parní turbíny s převodovkou a dispoziční výkres soustrojí. Pro konkrétní návrh převodovky a dimenzování ložisek je nutné zpracovat detailní výkresovou dokumentaci a provést dynamické a statické výpočty rotoru, převodových kol a ložisek.

Tabulka - orientační přehled komponent návrhu

Doporučení pro návrh soustrojí turbína + převodovka

• Provést literární rešerši a zvolit typ lopatkování vhodný pro zpracování požadovaného spádu.
• Optimalizovat střední průměry lopatek a rozdělení stupňů s ohledem na provozní otáčky a integrovanou převodovku.
• Navrhnout převodovku tak, aby minimalizovala dodatečné osové a radiální zatížení ložisek turbíny.
• Zabezpečit adekvátní mazací a hydraulické systémy pro řízení a ochranu.
• Zvážit možnost regulace pomocí skupinové regulace u regulačního stupně pro lepší účinnost při částečném zatížení.

Práce byla úspěšně obhájena; vedoucím práce byl Ing. Jan Fiedler, oponenty byli Dr. prof. Ing. Stanislav Veselý, CSc., Ing. Petr Kracík, Ph.D. a Ing. Stanislav Kubiš, CSc. Autorem práce je Adam Votoupal.

tags: #navrh #parni #turbiny #s #integrovanou #prevodovkou