Parní turbíny a kondenzátory

Transkript

1 Parní turbíny a kondenzátory. přednáška Autor: Jiří Kučera Datum: 3..8

2 OBSAH Informace o předmětu Parní turbína v tepelném cyklu I. - tepelná a termodynamická účinnost, spotřeby tepla a páry - změny hlavních parametrů a jejich dopad do tepelné účinnosti Parní turbína - přehled rozdělení dle kategorií - rozdělení parních turbín při sledování rozmanitých hledisek Parní turbína jako lopatkový stroj - teorie proudových strojů a její aplikace v parních turbínách

3 Přednášky a cvičení Přednášky a cvičení PARNÍ TURBÍNY : Ing. Jiří Kučera, Ph.D. Metodik tepelných výpočtů v Doosan Škoda Power Kontakty : jiri.kucera@doosan.com mobil : www : LOPATKOVÁNÍ PARNÍCH TURBÍN : Ing. Jan Uher Výzkumný pracovník oddělení Návrhy lopatek a průtočných částí v Doosan Škoda Power Kontakty : jan.uher@doosan.com KONDENZACE A REGENERACE : Ing. Jindřich Louthan Vedoucí oddělení Tepelné výpočty a servis výměníků v Doosan Škoda Power Kontakty : jindrich.louthan@doosan.com Garant předmětu - Dr. Ing. Jaroslav Synáč, Autor učebního textu - Ing. Ladislav Krajíc, Ph.D. 3

4 Podmínky k zápočtu a ke zkoušce Zápočet podmínkou pro zápočet bude min. 5% docházka a aktivní účast na přednáškách a cvičeních aktivní účast bude zahrnovat vypracování a přednesení jednoho referátu (- 5 minut) na téma vycházející ze zaměření předmětu tj. parní turbíny a kondenzátory, popř. moderní trendy v energetice obecně na přednesený referát by měla následovat diskuse tj. dotazy a náměty ze strany ostatních studentů. vítány budou samozřejmě také dotazy a náměty v průběhu vlastní přednášky a cvičení z PTK V případě individuálního nesplnění podmínek k zápočtu si vyhrazuji stanovení dodatečných podmínek pro udělení zápočtu, které mohou zahrnovat vypracování referátu nebo semestrální práce výpočtového charakteru na mnou zvolené témaz PTK. 4

5 Podmínky k zápočtu a ke zkoušce Zkouška Zkouška bude udělena na základě výsledku odborné rozpravy studenta se zkoušejícím nad tématy předmětu PTK. Pro tuto rozpravu si student vypracuje přípravy ke třem vylosovaným tématům, která budou testována podrobněji, s tím že při vypracovávání přípravy ke zkoušce má student možnost využít poznámky z vlastního sešitu. Nad rámec vypracovaných témat bude v rámci rozpravy zkoušejícím testován i všeobecný přehled studenta z ostatních, tj. nevylosovaných, témat z předmětu PTK. Během rozpravy se zkoušejícím má už student možnost využívat jen svoji přípravu. Známka ze zkoušky může být zlepšena s přihlédnutím k případné, zvlášť pozitivní, aktivitě studenta během přednášek a cvičení v průběhu semestru. 5

6 Literatura Krajíc, L. : Parní turbíny a příslušenství,, učební text v pfd, (obsahuje odkazy i na další rozšiřující literaturu) Škopek, J. : Parní turbina - Tepelný a pevnostní výpočet, ZČU 3 Ščegljajev, A.V.: Parní turbíny, SNTL, Praha 983. Bečvář, J. : Tepelné turbíny, SNTL, Praha 968. Kučera, J. : prezentace k výuce 6

7 PTK v kontextu ostatních předmětů ZSES Navážeme na informace o reálném konstrukčním provedení parních turbín a jejich jednotlivých hlavních komponent. TPS Využijeme teoretické rovnice a úvahy o průtoku páry lopatkovými řadami a stupni proudových strojů. PTK TTT Budeme se zabývat parní turbínou v kontextu celého tepelného cyklu v němž pracuje, vlivem jednotlivých parametrů na účinnost a optimalizacemi. 7

8 Program přednášek Parní turbína v tepelném cyklu Ohříváky, odplynění, tepelná účinnost, přihřívání, tepelná schémata PTK Průtočná část parní turbíny Turbína při jiných poměrech než výpočtových Konstrukce parních turbín Turbíny na sytou páru Kondenzace a regenerace Lopatky, poslední lopatky, mezní výkon turbíny, komplexní přehled ztrát v lopatkových mřížích a ve stupních Regulace přívodu páry do turbíny : skupinová a škrtící. Regulace klouzavým tlakem. Průtok regulačními ventily. Rozváděcí a oběžné lopatky a kola, rotory, tělesa, ložiska, spojky, natáčedla, základ Vlhkost páry a eroze. Aktivní a pasivní prostředky pro zmenšení obsahu vody v páře. Separátory vlhkosti a odvodnění. Konstrukční provedení kondenzátorů a regeneračních výměníků. Způsoby chlazení. Evakuace. 8

9 Parní turbína v tepelném cyklu I. 9

10 Parní turbína v tepelném cyklu Způsobem odkazu jako uvedeno níže budou v mé prezentaci odkazy na učební text ing.krajíce Strana Mé vlastní číslování listů prezentace

11 Parní turbína v tepelném cyklu. Pára se vyrábí v kotli. Jeho hlavními částmi jsou: ohřívák napájecí vody vstupující do kotle výparník, kde dochází k odparu a z něhož vystupuje sytá pára přehřívák, ve kterém se sytá pára přehřívá.. Tepelná energie páry se v turbíně mění na energii mechanickou a v generátoru na energii elektrickou. 3. Pára po výstupu z turbíny kondenzuje v kondenzátoru. 4. Kondenzát se čerpá kondenzátním čerpadlem přes nízkotlakou regeneraci do napájecí nádrže s odplyňovákem. 5. Z napájecí nádrže se kondenzát čerpá napájecími čerpadly. 6. Dále prochází vysokotlakou regenerací. 7. V napájecích hlavách, za kterými napájecí voda vstupuje do kotle, je napájecími ventily regulován její průtok. Strana

12 Tepelný cyklus parní turbíny v T-S diagramu Tepelný oběh elektrárny s přehříváním páry v kotli a s izoentropickou expanzí v turbíně v T s diagramu. stlačení napájecí vody v napájecím čerpadle, ohřev vody v kotli, 3 odpar vody ve výparníku, 3 4 přehřívání páry v přehříváku kotle, přehřátá pára vystupující z přehříváku má entalpii h, 4 5 izoentropická expanze v turbíně. 5 kondenzace v kondenzátoru Strana

13 Tepelný cyklus parní turbíny v T-S diagramu Tepelný oběh elektrárny bez regenerace s přehříváním páry v kotli a s izoentropickou expanzí v turbíně v T s diagramu. Přívod tepla kg vody a páry v parním kotli q kot h - h NV [plocha,, 3, 4, 5, 5,, ] Odvedené teplo kg páry v kondenzátoru q kond s h es h k. [plocha 5, 5,,, 5] h es je entalpie páry na výstupu z turbíny při izoentropické expanzi, h k je entalpie kondenzátu. Práce kg páry a, která se získá při izoentropické expanzi (v ideální turbíně) a q kot - q kond s (h - h NV ) - (h es - h k) a (h - h es ) - (h NV - h k) [plocha,,, 3, 4, 5, ] vyjádření práce cyklu přes tepla Pozor: Aby plochy v T-s diagramu proporcionálně odpovídaly, je třeba si brát v úvahu, že nulové body a 5, neleží na izotermě C, jak by se z obrázku mohlo zdát ale na izotermě K (!). Práce, která se získá izoentropickou expanzí kg páry v turbíně a Ts (h - h es ) Práce, která se spotřebuje na stlačení kg kondenzátu napájecím čerpadlem a N (h NV - h k) Výsledně a (a Ts - a N ) vyjádření téhož přes práce Strana 3

14 Tepelná účinnost Tepelný oběh elektrárny bez regenerace s přehříváním páry v kotli a s izoentropickou expanzí v turbíně Tepelná účinnost turbínového zařízení (zde ideálního) je dána poměrem získané práce a tepla přivedeného v kotli Pozor: Aby plochy v T-s diagramu proporcionálně odpovídaly, je třeba si brát v úvahu, že nulové body a 5, neleží na izotermě C, jak by se z obrázku mohlo zdát ale na izotermě K (!). Strana 3 4

15 Termodynamická účinnost Skutečný oběh klasické kondenzační elektrárny v T-s diagramu. Termodynamická účinnost se vztahuje ke skutečnému stroji předpokládá se, že z turbíny nejsou odběry Strana 4-5 5

16 Tepelná účinnost parního turbosoustrojí tepelná účinnost turbosoustrojí na svorkách účinnost mechanická η M P Sp P i η Sv t P Q Sv η s t η i td η M η G účinnost elektrického generátoru η G P P Sv Sp tepelná účinnost ideálního turbínového zařízení termodynamická vnitřní účinnost Strana 5-7 6

17 Souhrnný přehled pojmů z účinnosti Strana 7 7

18 Měrná spotřeba tepla a páry Měrná spotřeba páry je spotřeba páry v kg na vyrobení kwh na svorkách generátoru resp. spotřeba páry v kg/h na vyrobení kw výkonu d Sv M& P [kg/kwh] Sv průtok admisní páry v kg/h (alt. t/h) výkon v [kw] (alt. MW) Měrná spotřeba tepla je spotřeba tepla na vyrobení kwh na svorkách generátoru q Sv 36 η Sv t [kj/kwh] tzv. Heat Rate tepelná účinnost turbosoustrojí [-] Strana 7-8 8

19 Nahrazení Rankinova cyklu ekvivalentním Carnotovým cyklem Stanovení (resp. zavedení pojmu) ekvivalentní (též střední ) teploty přívodu tepla T ek η s t η C T T ek T ek K tepelná účinnost Rankinova cyklu Tek3 Tek Tek Tek odpovídá tepelné účinnosti Carnotova cyklu mezi teplotami T ek a T K TK Strana 8 9

20 Vliv vstupní teploty S růstem vstupní teploty: Zvyšuje se tepelná účinnost díky vyšší střední teplotě přívodu tepla Zvyšuje se termodynamická účinnost díky vyšší suchosti na výstupu Zvyšují se nároky na materiály (kotel, parovody, VT části turbíny) Strana 9

21 Vliv vstupního tlaku S růstem vstupního tlaku : Zvyšuje se tepelná účinnost díky vyšší střední teplotě přívodu tepla (ale omezením viz další slide) Zhoršuje se termodynamická účinnost kvůli menšímu měrnému objemu na vstupu a nižší suchosti na výstupu Zvyšují se nároky na materiály a tloušťky stěn (kotel, parovody, VT části turbíny) Strana 9

22 Vliv vstupního tlaku Maximální teoretická tepelná účinnost je v místě kde se v i-s diagramu dotkne izotermy vstupní teploty rovnoběžka s izobarou kondenzačního tlaku Zvyšování vstupního tlaku je proto vhodné spojit se zvyšováním vstupní teploty. Se zvyšováním vstupního tlaku roste čerpací práce napájecích čerpadel, proto maximum čisté svorkové Sv PSv PN tepelné účinnosti ηtnetto Q je níže než odpovídá výše uvedenému pravidlu o tečně. Strana -

23 Vliv výstupního tlaku S poklesem výstupního tlaku : Zvyšuje se tepelná účinnost díky nižší teplotě odvodu tepla T K Zhoršuje se termodynamická účinnost kvůli většímu měrnému objemu na výstupu (potřeba delší lopatky nebo větší výstupní ztráta) a nižší suchosti na výstupu Možnost snižovat výstupní tlak je omezena možnostmi chlazení (odvodu tepla do okolí) Strana - 3

24 Parní turbína - přehled rozdělení dle kategorií 4

25 Parní turbína - přehled rozdělení dle kategorií Dle použití výroba elektrické energie, pohon (lodí, čerpadel, dmychadel atp.) Dle počtu stupňů jednostupňové, vícestupňové Dle průtoku páry axiální, radiální Dle průběhu tlaku v oběžném kole rovnotlaké, přetlakové Dle parametrů páry na sytou páru, přehřátou páru, s nadkritickými parametry Dle tlaku za posledním stupněm nebo odběrů kondenzační, protitlaké, odběrové Strana

26 Parní turbína - přehled rozdělení dle použití Parní turbíny slouží jako hnací zařízení motory: o pro výrobu elektrické energie pohání elektrický generátor o pro pohon lodí a ponorek na lodní šroub je výkon přenášen buď mechanicky přes převod anebo elektricky systémem: parní turbína elektrický generátor elektromotor o pro pohon čerpadel, turbodmychadel a turbokompresorů výhodou je možnost regulace změnou otáček. To turbína oproti elektromotoru bez problému umožňuje o jako tzv. točivé redukce slouží k úpravě (snížení) tlaku páry podobně jako redukční ventily, na rozdíl od nich však umožňují využít tlakovou energii ke konání práce. Jedná se o jednoduché, většinou jednostupňové, turbíny. 6

27 Parní turbína - přehled rozdělení dle počtu stupňů Dle počtu stupňů se turbíny dělí na: o jednostupňové buď s použitím rovnotlakého nebo pro větší spády Curtisova stupně. Používají se pro pohon různých strojů, např. čerpadel, turbodmychadel, třtinových mlýnů v cukrovarech apod. Mají obvykle vyšší otáčky než hnaný stroj. S ním jsou spojeny převodem. Těleso převodové skříně je spojeno přímo s tělesem turbíny. o vícestupňové počet stupňů je závislý na velikosti tepelného spádu turbíny a částečně i na jejích otáčkách. Tepelný spád je závislý na parametrech páry, na jejím vstupu a výstupu. Jedná se o nejběžnější typ turbíny středních a velkých výkonů v elektrárnách vybavených kondenzačním zařízením. Strana 37 7

28 Parní turbína - přehled rozdělení dle průtoku páry Dle směru toku páry se turbíny dělí na: o axiální převážná většina dnes o radiální dnes se již konstruovaných turbín téměř nevyrábějí Strana 37 8

29 Parní turbína - přehled dle průběhu tlaku v oběžném kole Dle průběhu tlaku v oběžné kole se turbíny dělí na: o rovnotlaké dle rovného, tzn. stejného tlaku před a za oběžným kolem expanze probíhá pouze v rozváděcích lopatkách. Charakteristickým znakem tohoto typu je uložení rozváděcích lopatek v rozváděcím kole. Oběžné lopatky jsou uchyceny na disku a spolu s ním tvoří oběžné kolo. o přetlakové před oběžnými lopatkami je vyšší tlak než za nimi přetlak na oběžné lopatky; expanze v oběžných lopatkách. Pro tento typ je charakteristické zasazení rozváděcích lopatek přímo do tělesa (skříně) turbíny. Oběžné lopatky jsou upevněny v rotoru bubnového provedení. Strana 37,69,9 9

30 Parní turbína -přehled dle vstupních parametrů páry Dle vstupních parametrů páry se turbíny dělí na: o se sytou párou turbíny v jaderných elektrárnách s tlakovodními reaktory, a také v geotermálních elektrárnách, kde sytá pára proudí ze země, nebo v koncentračních solárních elektrárnách se žlabovými kolektory o s přehřátou párou turbíny klasických elektráren a turbíny některých typů jaderných elektráren o s nadkritickými parametry používají se pro dosažení vyšší tepelné účinnosti; přívod tepla v kotli neprobíhá přes oblast mokré páry kapalina se mění přímo na přehřátou páru 3

31 Parní turbína - rozdělení dle kategorií Kondenzační turbína pro výrobu elektrické energie PŘIHŘÍVÁK 6. MPa 535 C 3.9 MPa, 535 C Neregulované odběry páry mohou sloužit pro vytápění nebo potřeby technologie pomocných provozů elektrárny.,4 MPa, 3 C KOTEL 4.4 MPa 38 C.6 MPa, 36 C VYSOKOTLAKÁ REGENERACE KONDENZÁTOR NAPÁJECÍ NÁDRŽ NÍZKOTLAKÁ REGENERACE Strana 38 3

32 Parní turbína - rozdělení dle kategorií Protitlakáturbína pro dodávku páry k dalším spotřebičům 9,6 MPa, 535 C Elektrický výkon bývá diktován potřebou dodávky páry do spotřebiče SPOTŘEBIČE PÁRY KOTEL VYSOKOTLAKÁ REGENERACE NÁPÁJECÍ NÁDRŽ NÍZKOTLAKÁ REGENERACE, MPa, 9 C, MPa, C NÁDRŽ UPRAVENÉ VODY kondenzát směs upraveného kondenzátu a demineralizované vody CHEMICKÄ ÚPRAVNA VODY surová voda Strana 39 3

33 Parní turbína - rozdělení dle kategorií Turbíny s regulovanými odběry páry 3,9 MPa, 535 C REGULOVANÝ ODBĚR,4 MPa, 3 C SPOTŘEBIČE PÁRY KOTEL VYSOKOTLAKÁ REGENERACE PŘIHŘÍVÁK 6, MPa 535 C 4,4 MPa 38 C,6 MPa, 36 C KONDENZÁTOR Může v určité míře zaručit požadovaný výkon elektřiny bez ohledu na výši dodávky páry do teplárenských systémů NAPÁJECÍ NÁDRŽ NÍZKOTLAKÁ REGENERACE Strana 39 33

34 Parní turbína jako lopatkový stroj 34

35 Parní turbína jako lopatkový stroj - Turbínový stupeň Turbínový stupeň o o úkolem je přeměnit vnitřní a kinetickou energie pracovní látky (páry) na energii mechanickou skládá z rozváděcích a oběžných lopatek Rozváděcí lopatky o o pára zde expanduje, dochází k přeměně tlakové energie na kinetickou díky tvaru lopatek dojde k nárůstu obvodové složky rychlosti Oběžné lopatky o pára působí silou na lopatky a její kinetická energie je přeměněna na mechanickou energii (rotaci hřídele) pára již neexpanduje rovnotlaký stupeň pára expanduje přetlakový stupeň Strana 69 35

36 Parní turbína jako lopatkový stroj - Turbínový stupeň Strana 69 36

37 Parní turbína jako lopatkový stroj - Turbínový stupeň Základní rovnice pro proudění páry v lopatkových kanálech. Stavová rovnice a rovnice izoentropy. Rovnice kontinuity 3. Rovnice změny hybnosti 4. Rovnice zachování energie Strana

38 Základní rovnice pro proudění páry v lopatkových kanálech Stavová rovnice a rovnice izoentropy Pro ideální plyn : p v r T stavová rovnice [r je plynová konstanta] rovnice izoentropy p v konst V tomto tvaru pro ideální plyn se využijí jen pro zjednodušené výpočty a teoretické úvahy. Pro praktické výpočty se používají diagramy a tabulky vodní páry resp. aproximace pro použití pro počítač. Pro přehřátou páru je,6,33. Užívá se střední hodnota,3. Pro sytou páru se užívá,35. Strana 4 38

39 Základní rovnice pro proudění páry v lopatkových kanálech Rovnice kontinuity c S S S A c S Využije se pro úvahy o vztahu rychlosti, objemového průtoku a průřezu kanálu. ds ds mezní vrstva c c c m S m& S c v S c v c v základní vztah pro hmotnostní průtok který se nemění mezi vstupním a výstupním průřezem Schéma proudění páry v kanálu s průběhem rychlostí v jeho příčných řezech ds S dv v dc c dá po zlogaritmování a diferencování diferenciální tvar rovnice kontinuity Strana

40 Základní rovnice pro proudění páry v lopatkových kanálech Rovnice změny hybnosti Využije se pro úvahy o silových účincích proudění. impuls síly je roven změně hybnosti v dp F dx rovnice zachování hybnosti při jednorozměrném proudění c dc v měrný objem p tlak F síla dx elementární délka úseku kanálu c rychlost Strana

41 Základní rovnice pro proudění páry v lopatkových kanálech Rovnice zachování energie Využije se pro úvahy o přeměnách forem energie ve stupni součet všech druhů energie vstupujících do soustavy m& Q m& c u m& dτ + m& dτ + p S dx + Q dτ dx A dx vnitřní e. kinetická e. práce konaná působením tlaku přivedená tepelná e. Strana

42 Základní rovnice pro proudění páry v lopatkových kanálech Rovnice zachování energie Využije se pro úvahy o přeměnách forem energie ve stupni m& Q m& dx A dx součet všech druhů energie vstupujících do soustavy c u m& dτ + m& dτ + p S dx + Q je roven součtu všech druhů energie vystupujících ze soustavy c u m& dτ + m& dτ + p S dx + A dτ dτ vnitřní e. kinetická e. práce konaná působením tlaku vykonaná práce Strana

43 Základní rovnice pro proudění páry v lopatkových kanálech Strana Rovnice zachování energie po úpravách : dělení členem dosazení z rovnice kontinuity vztažení tepla a práce na jednotku protékající páry dτ m & v c S v c S m & m Q q & m A a & dostáváme : a v p c u q v p c u a výsledně (se zohledněním : ) a c h q c h h v p u + 43

44 Parní turbína jako lopatkový stroj - Proudění páry v dýzách Proudění páry v dýzách Rovnice zachování energie c c + + q h + a h + S p T v h p T v h S S p T v h Když se teplo nepřivádí a práce se nekoná c c h h Pak je rychlost na výstupu : ( h h ) c + c Zúžená dýza Pozor: na převody jednotek. Entalpie h v tabulkách se běžně uvádí v [kj/kg], ale před dosazením do výše uvedeného vztahu se musí převést na jednotky základní tj. [J/kg]. Strana

45 Parní turbína jako lopatkový stroj - Proudění páry v dýzách Proudění páry v dýzách Rychlost na výstupu : ( ) c + h h c S p T v h p T v h S Zúžená dýza S p T v h Není-li možno rychlost na vstupu zanedbat, přepočtou se vstupní parametry na hodnoty izoentropicky zabrzděného proudu p, v, t, h, které zohledňují kinetickou energii páry na vstupu páry do dýzy /. c Entalpie zabrzděného proudu : h h + c Strana

46 Parní turbína jako lopatkový stroj - Proudění páry v dýzách Strana tlakový poměr p p ε v p a v p a rychlost zvuku na začátku a konci expanze a c M Machovo číslo na konci expanze (definice) M s ε Machovo číslo na konci izoentropické expanze (výpočet) * + ε Kritický poměr tlaků + p p p p v p S v c S m s s & Hmotnostní průtok páry dýzou pro Hmotnostní průtok páry dýzou pro *s * * v p S v a S m + + & 46

47 Parní turbína jako lopatkový stroj - Proudění páry v dýzách Strana 49-5 Proudění páry zúženou dýzou při změněných podmínkách * m& m& m& Bendemannova elipsa pro průtok páry zúženou dýzou. p, v c S p, v c ε S ε ε ε p p p p * * * ε ε ε m m & & * * + + ε ε ε v p S m& Rovnice pro hmotnostní průtok páry se zjednodušuje na elipsu : * * T r p S m + + ε ε ε & 47

48 Parní turbína jako lopatkový stroj - Proudění páry v dýzách Strana 49-5 Proudění páry zúženou dýzou při změněných podmínkách Rovnice závislosti na p a na ε se dá graficky vyjádřit jako průtokový kužel dýzy * * + + ε ε ε T r p S m& * * + + ε ε ε T r p S m& Pro konstantní ε je závislost na p lineární max * m m q & & max p p ε max n p p ε max * m& max p je maximální kritický průtok odpovídající nejvyššímu vstupnímu tlaku 48

49 Parní turbína jako lopatkový stroj - Proudění páry v dýzách Proudění páry Lavalovou dýzou p p p S min ω 5 3 x S p p * p m 5 p *j p a 4 [p a je tlak prostředí za dýzou] p a Lavalovadýza umožňuje využití nadkritických tlakových spádů a urychlení proudu na rychlost vyšší než kritickou Nevýhoda Lavalovydýzy - optimálně pracuje jen při režimech blízkých návrhovému. Pokud není tlak na výstupu dostatečně nízký, k urychlení proudu nad kritickou rychlost nedojde (stavy,), nebo dokonce dojde k rázové vlně s rozšiřující se části (např. stav 3). Naopak je-li výstupní tlak nižší než by měl být, dochází k volné expanzi za dýzou, podobně jakou zúžené dýzy U parních turbín se rozšířeným dýzám vyhýbáme. Do tlakového poměru ε >,4 se používají dýzy zúžené. Ztráty způsobené dodatečnou expanzí jsou menší než ztráty expanze v rozšířených dýzách. Strana

50 Parní turbína jako lopatkový stroj - Turbínový stupeň špičkový průměr Podélný (meridionální) řez lopatkováním délka lopatky na výstupu délka lopatky na vstupu střední průměr Turbínové lopatkové mříže podtlaková část profilu přetlaková část profilu patní průměr Profilová lopatková mříž (rozvinutý válcový řez lopatkováním ) rozváděcí lopatková mříž oběžná lopatková mříž Strana 55 5

51 Parní turbína jako lopatkový stroj - Turbínový stupeň Charakteristické rozměry a veličiny lopatkování tětiva b, tloušťka výstupní hrany HR, počet lopatek z, rozteč úhly v rozváděcích lopatkových mřížích α úhly v oběžných mřížích β. tětiva tloušťka výstupní hrany rozteč d t π z úhly v rozváděcích lopatkových mřížích se označují α úhly v oběžných mřížích se označují β. rozváděcí lopatková mříž oběžná lopatková mříž Strana

52 Parní turbína jako lopatkový stroj - Turbínový stupeň Poměrné geometrické parametry Strana

53 Parní turbína jako lopatkový stroj - Turbínový stupeň Aerodynamické charakteristiky Strana

54 Parní turbína jako lopatkový stroj - Turbínový stupeň Proudové parametry Absolutní rychlosti páry v lopatkové mříži se označují c. Relativní rychlosti páry v oběžných mřížích se označují w. Rychlost páry na výstupu z mříže (Machovo číslo) M s c a s a M s w a s c Reynoldsovočíslo charakterizující vliv vazkosti. U lopatkových mříží se Reynoldsovočíslo vztahuje k tětivě b profilu lopatky. Pro rozváděcí mříž: pro oběžnou mříž: cs b Re ν w Re s b ν [ a jsou kinematické viskozity na výstupu z rozváděcí a oběžné mříže] w w c Strana

55 Parní turbína jako lopatkový stroj - Turbínový stupeň Expanze páry v lopatkových mřížích turbínového stupně v h s diagramu. Pozn. značení veličin s pruhem se vztahuje k totálním (zabrzděným) parametrům H + H S H R celkový (izoentropický) entalpický spád vztažený k parametrům zabrzděného proudu H S izoentropickýtepelný spád v rozváděcí mříži H R izoentropický tepelný spád v oběžné mříži H h h skutečný entalpický spád při proudění se ztrátami ρ H S H R + H R H H R reakce stupně c f H H c f fiktivní rychlost, kterou by měla mít pára při izoentropickém proudění a entalpickém spádu H Strana 7, 78 55

56 Parní turbína jako lopatkový stroj - Turbínový stupeň Rychlostní trojúhelníky turbínového stupně c h h Vztah pro výpočet c při expanzi bez ztrát. u d π n Vztah pro výpočet obvodové rychlosti u r w r r c u Vektorová rovnice pro stanovení w w w + ( h h ) Vztah pro výpočet w r r r w + u Vektorová rovnice pro stanovení c c Strana 7 56

57 Parní turbína jako lopatkový stroj - Turbínový stupeň Rychlostní trojúhelníky turbínového stupně - porovnání různých případů Rovnotlakový stupeň u c c w u w Rychlostní trojúhelníky pro reakci ρ <,; Přetlakový stupeň c u w c u w Rychlostní trojúhelníky pro reakci ρ <,5 a v s /v s ; Poslední NT stupeň kondenzační turbíny c w w Rychlostní trojúhelníky pro reakci ρ,5 a v s /v s,6. u c u Strana 83 57

58 Parní turbína jako lopatkový stroj - Turbínový stupeň Diagramy optimálního u/c f pro různé druhy stupňů, c φ cosα ρ u f opt,,8,6 ρ, ρ,75 ρ,5,4, věncový C stupeň ρ, ρ,5 l η td u,5,,5,,5 c f Strana 83, odvození na

59 Parní turbína jako lopatkový stroj - Turbínový stupeň Zjednodušený postup pro určení entalpického spádu a délky rozváděcí lopatky rovnotlakového turbínového stupně : Předpokládejme, že pro stupeň máme zadáno : D S [m] střední průměr lopatkování n [ot/min] otáčky p,t,resp. h stav na vstupu do stupně a to, že rychlost c zanedbáme Potom můžeme postupovat : u [m/s] obvodová rychlost c f [m/s] fiktivní rychlost, kterou by měla mít pára při izoentropickém proudění a entalpickém spádu n [ot/min] a nechť optimální rychlostní poměr pro rovnotlakový stupeň je,5 59

60 Parní turbína jako lopatkový stroj - Turbínový stupeň Zjednodušený postup pro určení entalpického spádu a délky rozváděcí lopatky rovnotlakového turbínového stupně (pokračování) : Potom : H [J/kg] entalpický spád při izoentropické expanzi Pozor: Nezapomenout [J/kg] následně převést na [kj/kg]!!! H c f V h-s diagramu nebo pomocí rovnic páry určíme tlak p za stupněm a měrný objem v s. Pro délku rozváděcí lopatky pak z rovnice kontinuity můžeme psát : l π D S mvs c ϕ sinα f ε r 6

61 Parní turbína jako lopatkový stroj - Turbínový stupeň Rozbor vzorce pro délku : Původní rovnice kontinuity pro průtok ve hmotnostní průtok [kg/s] výstupním průřezu z RL: l π D S mvs c ϕ sinα f ε r mv Ar c (správněji ) měrný objem za lopatkou [m3/s] (po upřesnění účinnosti možno upřesnit na konec skutečné místo izoentropické expanze) zaplnění výstupního průřezu konečnou tloušťkou výstupní hrany rozváděcích lopatek rychlostní součinitel ztrátový c ϕ c f výstupní úhel z RL bývá -3 6

62 Děkuji za pozornost 6