Turbína

Rozbalit box

Obsah boxu

Turbína (z latinského turbo – vír, točení) je rotační lopatkový stroj, který přeměňuje kinetickou, tepelnou a tlakovou energii proudící tekutiny (kapaliny nebo plynu) na rotační mechanickou energii. Tato energie je následně využívána k pohonu jiných zařízení, nejčastěji elektrického generátoru pro výrobu elektrické energie. Turbíny jsou srdcem moderní energetiky a klíčovou součástí pohonů v letectví i námořní dopravě.

Základní princip spočívá v tom, že proudící médium (např. vodní pára, voda nebo horké spaliny) naráží na speciálně tvarované lopatky umístěné na rotoru a předává jim svou energii, čímž rotor roztáčí. Stator, pevná část turbíny, usměrňuje proudění tekutiny na lopatky rotoru pro dosažení maximální účinnosti.

Díky své vysoké účinnosti, spolehlivosti a schopnosti zpracovávat obrovské výkony postupně nahradily parní stroj a staly se dominantní technologií pro výrobu elektřiny v tepelných, jaderných a vodních elektrárnách. Jsou také nepostradatelnou součástí proudových motorů letadel.

⏳ Historie

Ačkoliv je moderní turbína produktem průmyslové revoluce 19. století, její nejranější principy jsou známy již od starověku.

Starověké počátky: První známé zařízení fungující na reaktivním principu turbíny byla tzv. aeolipila, kterou popsal řecký matematik Hérón Alexandrijský v 1. století n. l. Jednalo se o dutou kouli s tryskami, která se otáčela silou unikající páry.
Vodní kola: Po staletí byla předchůdcem vodních turbín různá vodní kola, která využívala energii tekoucí vody, ale s mnohem nižší účinností. Teoretické základy pro moderní turbíny položil v 18. století Leonhard Euler.
Revoluce 19. století: Skutečný zrod moderní turbíny nastal ve druhé polovině 19. století.
- Charles Algernon Parsons v roce 1884 patentoval přetlakovou (reakční) parní turbínu, která umožnila stavbu prvních velkých parních elektráren a revoluci v pohonu lodí.
- Gustaf de Laval o několik let později vyvinul rovnotlakou (akční) turbínu, která dosahovala extrémně vysokých otáček a byla vhodná pro menší aplikace.
- V oblasti vodních turbín přinesli klíčové inovace James B. Francis (Francisova turbína, 1849), Lester Allan Pelton (Peltonova turbína, 1878) a brněnský profesor Viktor Kaplan (Kaplanova turbína, 1912).

⚙️ Princip fungování

Základním principem každé turbíny je přeměna energie tekutiny na mechanickou práci. Toho je dosaženo změnou hybnosti proudícího média při průchodu soustavou pevných (statorových) a pohyblivých (rotorových) lopatek. Lze rozlišit dva základní principy:

Akční (rovnotlaká) turbína: U tohoto typu dochází k expanzi (poklesu tlaku a nárůstu rychlosti) tekutiny pouze v pevných rozváděcích lopatkách (tryskách). V oběžném kole se již tlak nemění. Proud tekutiny o vysoké rychlosti naráží na lopatky rotoru a předává jim svou kinetickou energii, podobně jako vítr roztáčí větrník. Typickým příkladem je Peltonova turbína.
Reakční (přetlaková) turbína: Zde dochází k expanzi tekutiny jak v rozváděcích, tak v oběžných lopatkách. Lopatky rotoru jsou profilovány podobně jako křídlo letadla. Rozdíl tlaků na náběžné a odtokové hraně lopatky vytváří sílu, která roztáčí rotor. Tento princip je dominantní u většiny moderních parních, plynových a vodních turbín (např. Francisova turbína a Kaplanova turbína).

V praxi jsou velké vícestupňové turbíny často kombinací obou principů.

🔧 Typy turbín

Turbíny se dělí především podle pracovního média, které je pohání.

💨 Parní turbína

Parní turbína je nejrozšířenější typ používaný v energetice. Přeměňuje tepelnou a tlakovou energii přehřáté vodní páry na rotační pohyb. Pára je vyráběna v parním kotli (spalováním fosilních paliv, biomasy) nebo v parogenerátoru (jaderná elektrárna). Účinnost moderních parních turbín v uhelných elektrárnách dosahuje přes 40 %. Používají se především k pohonu generátorů v:

Tepelných elektrárnách
Jaderných elektrárnách (např. Jaderná elektrárna Temelín)
Paroplynových elektrárnách (v kombinaci s plynovou turbínou)

🔥 Plynová turbína

Plynová turbína využívá energii horkých plynů (spalin). Její základní součástí je kompresor, spalovací komora a samotná turbína. Kompresor stlačí vzduch, ten je vehnán do spalovací komory, kde se smísí s palivem a zapálí. Vzniklé horké spaliny expandují přes lopatky turbíny, roztáčejí ji a zároveň pohánějí kompresor. Přebytečný výkon je využitelný. Vyznačují se rychlým startem. Jejich hlavní využití je:

Proudový motor: Základní pohonná jednotka většiny moderních letadel.
Paroplynová elektrárna: Spaliny z plynové turbíny ještě ohřívají vodu pro parní turbínu, čímž se dosahuje velmi vysoké účinnosti (přes 60 %).
Špičkové elektrárny: Pro rychlé vykrývání nárazové poptávky po elektřině.
Pohon vozidel a lodí: Například americký tank M1 Abrams.
Pohon kompresorů: V plynovodech pro transport zemního plynu.

💧 Vodní turbína

Vodní turbína přeměňuje potenciální a kinetickou energii vody na mechanickou práci. Je klíčovou součástí vodních elektráren. Existují tři hlavní typy podle charakteru vodního toku (spádu a průtoku):

Kaplanova turbína: Pro velké průtoky a malé spády (nížinné řeky). Vynalezl ji Viktor Kaplan v Brně. Má natáčivé lopatky, což umožňuje vysokou účinnost i při proměnlivém průtoku.
Francisova turbína: Nejuniverzálnější a nejpoužívanější typ, vhodný pro střední spády a průtoky. Používá se například v Dlouhých Stráních.
Peltonova turbína: Rovnotlaká turbína pro velmi vysoké spády a malé průtoky (horské elektrárny). Voda je vedena tryskami na lopatky ve tvaru dvojitých misek.

🌬️ Větrná turbína

Větrná turbína je hlavní součástí větrných elektráren. Přeměňuje kinetickou energii větru na elektřinu. Moderní turbíny mají obvykle tři lopatky, jejichž profil využívá aerodynamického vztlaku, podobně jako křídlo letadla, k roztočení rotoru.

💡 Pro laiky: Jak funguje turbína?

Představte si obyčejný dětský větrník. Když na něj fouknete, roztočí se. Turbína funguje na velmi podobném principu, je to ale nesrovnatelně dokonalejší a výkonnější "větrník". Místo vašeho dechu používá obrovskou sílu proudící tekutiny.

Ve vodní elektrárně roztáčí turbínu tlak vody z přehrady. Je to jako mít pod vodním kohoutkem extrémně silný mlýnek.
V tepelné nebo jaderné elektrárně se ohřeje voda na páru pod obrovským tlakem. Tato pára pak "fouká" na lopatky turbíny s ohromnou silou, mnohem větší než jakýkoliv orkán.
V proudovém motoru se zapálí palivo smíchané se vzduchem. Vzniklé horké plyny se rozpínají a ženou se ven, přičemž roztáčejí turbínu, která pohání kompresor na začátku motoru.

Ve všech případech je výsledkem rychle se otáčející hřídel. Když se na tuto hřídel připojí generátor (což je v podstatě obří dynamo), začne vyrábět elektrický proud, který putuje do našich domovů.

🔬 Moderní trendy a budoucnost

Vývoj turbín se soustředí na zvyšování účinnosti, flexibility a snižování dopadů na životní prostředí.

Vyšší účinnost a nové materiály: Pro parní a plynové turbíny se vyvíjejí nové slitiny schopné odolávat vyšším teplotám a tlakům, což přímo zvyšuje termodynamickou účinnost cyklu.
Spalování vodíku: Přední výrobci plynových turbín upravují své stroje tak, aby byly schopné spalovat směsi zemního plynu a vodíku, nebo v budoucnu i čistý vodík, což by umožnilo bezemisní výrobu elektřiny.
Superkritický CO₂: Probíhá výzkum turbín využívajících jako pracovní médium oxid uhličitý v superkritickém stavu. Očekává se od nich vyšší účinnost a kompaktnější rozměry oproti parním turbínám.
Gigantické větrné turbíny: Výkon a rozměry větrných turbín neustále rostou. V roce 2025 se testují prototypy o výkonu přes 20 MW s průměrem rotoru blížícím se 300 metrům, určené především pro offshore instalace.
Flexibilní provoz: S rostoucím podílem obnovitelných zdrojů roste poptávka po turbínách schopných rychlého startu a flexibilní regulace výkonu pro stabilizaci elektrické sítě.

🔗 Související články

📚 Zdroje