Parní turbína

Rozbalit box

Obsah boxu

Šablona:Infobox stroj Parní turbína je točivý tepelný stroj, který převádí tepelnou a tlakovou energii vodní páry na mechanickou práci ve formě rotačního pohybu. Jedná se o klíčovou komponentu většiny elektráren na světě, kde pohání generátory pro výrobu elektrické energie. Na rozdíl od parního stroje, který využívá pístový mechanismus, pracuje turbína na principu plynulého proudění páry přes soustavu lopatek, což jí umožňuje dosahovat vyšších otáček, výkonů a výrazně lepší účinnosti.

⏳ Historie

Ačkoliv první primitivní zařízení využívající reakční sílu páry, známé jako Hérónova "aeolipila", bylo popsáno již v 1. století, praktické využití síly páry přišlo až o mnoho století později. V roce 1629 navrhl italský inženýr Giovanni Branca zařízení, kde proud páry roztáčel kolo s lopatkami, což je považováno za jeden z prvních konceptů impulzní parní turbíny.

Skutečná revoluce však nastala až v 19. století. Za vynálezce moderní parní turbíny je považován britský inženýr Charles Algernon Parsons, který v roce 1884 zkonstruoval a patentoval první funkční vícestupňovou přetlakovou (reakční) turbínu. Jeho vynález umožnil přímé spojení s rychle se otáčejícím elektrickým generátorem, což dramaticky zvýšilo efektivitu výroby elektřiny. První Parsonsova turbína poháněla generátor o výkonu pouhých 7,5 kW. Jeho technologie brzy vytlačila méně účinné pístové parní stroje v elektrárnách a způsobila revoluci také v lodní dopravě, když jeho experimentální loď Turbinia v roce 1897 dosáhla na tehdejší dobu nevídané rychlosti. Téměř současně švédský vynálezce Gustaf de Laval vyvinul jednostupňovou rovnotlakou (akční) turbínu, která dosahovala extrémně vysokých otáček (až 30 000 ot/min), ale její využití bylo kvůli tomu omezenější.

⚙️ Princip a funkce

Princip parní turbíny je založen na termodynamickém cyklu, nejčastěji na Rankinově-Clausiově cyklu. Tento cyklus se skládá ze čtyř základních fází:

1. Výroba páry: V kotli (nebo parogenerátoru v jaderné elektrárně) je voda ohřívána a přeměněna na vysokotlakou, přehřátou páru.
2. Expanze v turbíně: Tato pára je vedena do turbíny, kde expanduje. Při průchodu soustavou pevných rozváděcích a pohyblivých oběžných lopatek se její tepelná a tlaková energie mění na kinetickou energii a následně na mechanickou práci, která roztáčí rotor turbíny.
3. Kondenzace: Po průchodu turbínou má pára nízký tlak a teplotu. Je vedena do kondenzátoru, kde odevzdává své zbytkové teplo chladicímu médiu (obvykle vodě z řeky nebo chladicích věží) a mění se zpět na kapalnou vodu (kondenzát).
4. Čerpání kondenzátu: Voda je poté čerpadlem dopravena zpět do kotle, kde se celý cyklus opakuje.

Základními konstrukčními částmi turbíny jsou:

• Stator: Pevná, nepohyblivá část turbíny, která obsahuje rozváděcí lopatky. Ty usměrňují proud páry pod optimálním úhlem na lopatky oběžného kola.
• Rotor: Rotující část turbíny, tvořená hřídelí, na níž jsou upevněna oběžná kola s lopatkami. Právě zde dochází k přeměně kinetické energie páry na rotační pohyb.

Velké energetické turbíny jsou pro zvýšení účinnosti často rozděleny na několik dílů (těles) podle tlaku páry – typicky na vysokotlaký (VT), středotlaký (ST) a nízkotlaký (NT) díl. Mezi jednotlivými díly může být pára znovu přihřívána, aby se zvýšila její teplota a suchost, což dále zvyšuje účinnost cyklu.

🔧 Typy a dělení

Parní turbíny lze dělit podle několika kritérií:

• Podle principu přeměny energie:
  • Akční (rovnotlaká) turbína:** Expanze páry (pokles tlaku) probíhá téměř výhradně v pevných rozváděcích kanálech (tryskách). V oběžném kole se tlak již nemění, pouze se mění směr proudění páry, což vyvolává silový účinek. Příkladem je Lavalova turbína.
  • Reakční (přetlaková) turbína:** Expanze páry probíhá jak v rozváděcích, tak i v oběžných lopatkách. Oběžné lopatky mají profil, který vytváří aerodynamickou sílu (podobně jako křídlo letadla), což přispívá k roztáčení rotoru. Příkladem je Parsonsova turbína. Moderní velké turbíny jsou obvykle kombinací obou principů.

• Podle využití výstupní páry:
  • Kondenzační turbína:** Pára na výstupu z turbíny expanduje do hlubokého vakua a je zkapalněna v kondenzátoru. Tento typ je nejběžnější v elektrárnách, kde je cílem maximální výroba elektrické energie.
  • Protitlaková turbína:** Pára na výstupu z turbíny má stále vysoký tlak a je využívána pro technologické účely (např. v chemickém průmyslu) nebo pro vytápění.
  • Odběrová turbína:** Umožňuje odebírat část páry v různých stupních expanze pro technologické účely nebo regenerační ohřev napájecí vody, zatímco zbytek páry pokračuje dál turbínou.

• Podle parametrů vstupní páry:
  • Turbíny na sytou páru:** Často se používají v jaderných elektrárnách, kde jsou teploty páry nižší.
  • Turbíny na přehřátou páru:** Pracují s vyššími teplotami a tlaky, typické pro uhelné a plynové elektrárny, a dosahují vyšší účinnosti.

🏭 Využití

Dominantní oblastí využití parních turbín je výroba elektrické energie. Tvoří srdce většiny typů elektráren:

• Tepelné elektrárny: Spalují fosilní paliva (uhlí, zemní plyn) nebo biomasu pro ohřev vody a výrobu páry.
• Jaderné elektrárny: Teplo ze štěpné reakce se používá k výrobě páry v parogenerátorech.
• Solární-termální elektrárny: Koncentrovaná sluneční energie ohřívá pracovní médium, které následně vyrábí páru.
• Geotermální elektrárny: Využívají horkou páru přímo ze zemského nitra.
• Kogenerační jednotky (teplárny): Kromě elektřiny dodávají i teplo pro vytápění měst nebo pro průmyslové procesy.

Další významná využití zahrnují:

• Pohon lodí: V minulosti byly parní turbíny hlavním pohonem velkých válečných i civilních lodí, včetně bitevních lodí a zaoceánských parníků. Dnes jsou stále klíčové pro pohon jaderných ponorek a letadlových lodí.
• Průmyslové pohony: Pohánějí velké mechanické stroje, jako jsou kompresory, čerpadla a ventilátory v chemickém a petrochemickém průmyslu.

🚀 Moderní turbíny a budoucnost

Vývoj parních turbín neustále směřuje ke zvyšování účinnosti, spolehlivosti a výkonu. Klíčovými trendy jsou:

• Zvyšování parametrů páry: Moderní elektrárny pracují s tzv. nadkritickými a ultra-superkritickými parametry, kde tlak páry přesahuje 22,1 MPa a teplota dosahuje 600 °C i více. To klade extrémní nároky na materiály, které musí odolávat vysokým teplotám a tlakům, jako jsou vysoce legované oceli a slitiny niklu.
• Zlepšování aerodynamiky: Pokročilé 3D modelování a výpočetní dynamika tekutin (CFD) umožňují navrhovat lopatky s optimálním profilem pro minimalizaci energetických ztrát.
• Nové materiály: Použití titanových slitin pro dlouhé nízkotlaké lopatky snižuje jejich hmotnost a odstředivé síly, což umožňuje konstruovat větší a účinnější turbíny. Nejdelší lopatky moderních turbín dosahují délky téměř 2 metry.
• Paroplynové cykly: Kombinace plynové turbíny a parní turbíny, kde horké spaliny z plynové turbíny slouží k výrobě páry pro parní turbínu, dosahuje v současnosti nejvyšší účinnosti přeměny paliva na elektřinu, přesahující 60 %.
• Turbíny na superkritický CO₂: V experimentální fázi je vývoj turbín využívajících jako pracovní médium oxid uhličitý v superkritickém stavu. Očekává se, že tyto turbíny budou kompaktnější a potenciálně ještě účinnější než parní.

Nejvýkonnější parní turbíny na světě, jako je typ Arabelle, jsou navrženy pro jaderné elektrárny nové generace a dosahují výkonu přes 1 750 MW.

🧑‍🏫 Pro laiky: Parní turbína jako větrník na steroidech

Představte si obyčejný dětský větrník. Když na něj fouknete, roztočí se. Parní turbína funguje na velmi podobném principu, ale místo vašeho dechu používá obrovskou sílu neviditelné vodní páry, která je mnohem teplejší a pod mnohem větším tlakem než vzduch z vašich plic.

1. Uvaření "čaje" v obřím papiňáku: V elektrárně je obrovský kotel, který funguje jako gigantický tlakový hrnec ("papiňák"). V něm se vaří voda, ale ne na 100 °C jako v kuchyni, nýbrž na teploty přes 500 °C. Tím vznikne obrovské množství vysokotlaké páry. 2. Foukání na větrník: Tato horká a natlakovaná pára se pak pustí úzkými tryskami (jako když stisknete hadici) na lopatky turbíny. Těchto "větrníků" (lopatkových kol) je v turbíně za sebou celá řada, od malých na začátku až po obrovské na konci. 3. Roztáčení dynama: Jak pára prochází turbínou, postupně ztrácí sílu, ale roztáčí kola s lopatkami do neuvěřitelné rychlosti. Všechna tato kola jsou na jedné dlouhé hřídeli, která je na druhém konci spojena s obrovským dynamem (generátorem). A jak se tato hřídel točí, generátor vyrábí elektřinu, která vám doma rozsvítí žárovku.

V podstatě je parní turbína extrémně výkonný a sofistikovaný větrník, který přeměňuje sílu horké páry na elektřinu pro celý svět.

💡 Zajímavosti a rekordy

• Nejvýkonnější parní turbínou na světě je turbína Arabelle od GE, navržená pro jaderné elektrárny. Její nejnovější verze pro britskou elektrárnu Hinkley Point C bude mít po dokončení největší výkon v provozu a její nejdelší lopatky měří 1,9 metru.
• Obvodová rychlost konců nejdelších lopatek v nízkotlaké části turbíny v Temelíně dosahuje dvojnásobku rychlosti zvuku.
• Jediná velká parní turbína v jaderné elektrárně (např. o výkonu 1000 MW) dokáže zásobovat elektřinou statisíce domácností.
• Množství páry, které proteče temelínskou turbínou za minutu, by naplnilo jeden velký horkovzdušný balon.
• V České republice má výroba parních turbín dlouhou tradici, spojenou především se závody Škoda v Plzni a Siemens (dříve První brněnská strojírna) v Brně.

Zdroje

Parní turbína - Wikipedie Parní turbína - Svět Energie Parní turbína - Eduportál Techmania GE vyrobilo parní turbínu s nejdelší lopatkou - oEnergetice.cz Charles A. Parsons - ASME Sir Charles Algernon Parsons - Britannica Rankin-Clausiův cyklus - Onlineschool.cz Využití parních turbin - VUT Turbína se superkritickým CO2 - OSEL.CZ