Projekt realizovaný na SPŠ Nové Město nad Metují s finanční podporou v Operačním programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost Královéhradeckého kraje Modul 03-TP 2 1
V parní turbíně se přeměňuje energie vodní páry v kinetickou energii oběžného kola. Vodní pára až o teplotě 500 o C se získává v parním kotli a přivede se do rozváděcího lopatkového ústrojí turbíny, v němž expanduje z vysokého tlaku a teploty na tlak a teplotu nižší, přičemž se její vnitrní energie projeví jako kinetická energie proudící páry. Působením páry na lopatky oběžného kola na rotoru koná pára mechanickou práci, která se spotřebuje např. k pohonu generátoru elektrického proudu. Aby přeměna vnitřní energie páry na mechanickou práci probíhala s velkou účinností, musí pára v turbíně expandovat postupně. 3 Nejdůležitější pracovní části turbíny je rotor, na němž je sada lopatek. Rotor je uložen uvnitř pouzdra opatřeného pevnými lopatkami, které usměrňují proud páry. Rotor se otáčí působením tlakové síly páry. Ta vstupuje do pouzdra turbíny tryskami. Jakmile je pára tryskami vpuštěna do pouzdra turbíny, roztáhne se a poklesne její tlak. Tato expanze zvýší rychlost, která někdy může dosahovat až rychlosti zvuku. Například expanze páry z dvanáctinásobku atmosférického tlaku na jeho polovinu udělí páře rychlost okolo 1100 m/s. Pára pohybující se tak velkou rychlostí má velikou energii. Aby byla maximálně využita energie páry v turbíně, musí se její lopatky otáčet poloviční rychlostí, než je rychlost páry. 4 2
5 6 3
7 Rozdělení a druhy PT: - podle směru proudění páry: - radiální a axiální - podle počtu pracovních stupňů: - jednostupňové - vícestupňové - podle způsobu přeměny tlakové energie: - rovnotlaké - přetlakové - kombinované v jednom stroji je rovnotlaká i přetlaková část (nejčastěji) - podle stavu vstupní páry: - vysokotlakové - středotlaké - nízkotlaké - podle stavu výstupní páry: - kondenzační (uzavřený oběh náplně) - protitlakové (z turbíny se odebírá pára pro další zařízení nebo topení) - odběrové (s jedním nebo více regulovanými odběry) - s přihříváním páry (zvýšení účinnosti) - podle vstupní páry do pracovního stupně PT: - s plným (rotálním) ostřikem pára vstupuje po celém obvodu - s částečným (parciálním) ostřikem pára vstupuje do prac. stupně jen v jednom místě 8 4
9 10 5
11 12 6
13 14 7
15 Rozdíly mezi parní a plynovou turbínou 1) Nedochází ke změně skupenství u teplonosné látky při pracovním cyklu. 2) Teplota pracovní látky je vyšší (650-850 C, v letectví až 1250 C) než teplota páry. 3) Tlak teplonosné látky je nižší (tenčí stěny, lehčí konstrukce). 4) Poměr měrných objemů pracovní látky na výstupu a vstupu je u parních turbín 100-400 v plynových 3-9 menší počet stupňů 1-8. -turbína pohání vlastní turbokompresor, který spotřebuje až 2/3 výkonu turbíny, zbývající 1/3 se využívá k pohonu. -pro spouštění turbíny slouží roztáčecí motor a zapalovací svíčka. 16 8
Rozdělení PLT: Podle způsobu přeměny energie: - rovnotlaké - přetlakové - kombinované Podle polohy hřídele: - vertikální - horizontální Podle proudění plynu v OK: - Radiální - Axiální 17 Podle způsobu přípravy plynu: - spalovací turbíny Do oběžného kola se vedou přímo spaliny vzniklé hořením paliva ve spalovací komoře otevřený okruh - plynové turbíny Spalovací komora pracuje jako výměník tepla v němž se ohřívá plyn, lopatky turbín nepřijdou do styku se spalinami uzavřený oběh - expanzní turbíny - expandéry Turbína je napojená na vnější zdroj tlakového plynu, nemá spalovací komoru ani turbokompresor 18 9
Podle použití: - stabilní - lokomotivní - automobilové - letecké Podle oběhu turbíny: - s otevřeným oběhem (okruhem) - s uzavřeným oběhem (okruhem) Otevřený oběh PLT - do spalovací komory přichází od turbokompresoru stlačený vzduch a přes čerpadlo palivo. Hořením se zvyšuje teplota a tlak spalin, vzniklé spaliny prochází turbínou do ovzduší buď přímo nebo přes výměšek. Spaliny znečišťují turbínu. = 20 % - otevřený oběh bez výměníku - otevřený oběh s výměníkem složitější (ve výměníku spaliny předehřívá vzduch) 19 Uzavřený oběh pracovní látka obíhá přes TK, spalovací komoru, turbínu a chladič, lopatky nejsou znečišťovány spalinami, okruh je složitější a dražší než otevřený, ale účinnost je vyšší (30-35 %) 20 10
Paliva pro plynové turbíny: 1. Plynná paliva - zemní plyn, vysokopecní plyn, svítiplyn dobře mísitelné se vzduchem, málo znečišťují lopatky 2. Kapalná paliva - ropa, topný olej, mazut větší znečišťování lopatek koroze lopatek 3. Pevná paliva - uhlí velké znečištění lopatek, nepřímé spalování zplynění tuhého paliva 4. Pracovní látka uzavřeného obvodu - vzduch, O 2, CO, N 2 21 Provedení a použití PLT: 1.Stabilní elektrárenské PLT: Používají se jako špičkové nebo záložní, jejich výhodou je snadné a rychlé spouštění a odstavení 2. Lokomotivní pohonné jednotky: Turbína pohání TK a současně přes převodovku dynamo, vyrobený SS (stejnosměrný proud) pohání trakční motory lokomotivy 3. Pohon SMV: Používá se v menším rozsahu pro těžké nákladní vozidla 4. Lodní pohonné jednotky: Používá se dvouhřídelové provedení, turbína rozdělena do dvou samostatných těles, jedno pohání TK druhé vlastní lodní šroub 22 11
Provedení a použití PLT: 5. Pohony TK: Pro pohon kompresních stanic tranzitních plynovodů, palivem je dopravovaný zemní plyn 6. PLT pro přeplňování spalovacích motorů: Při přihříváním motorů lze zvýšit výkon o 30-100 %, turbína je poháněna vystupujícími výfukovými plyny a pohání TD, která přeplňuje válce spalovacího motoru. Převážně u vznětových motorů 7. Pohonné jednotky leteckých motorů: Pro pohon turbovrtulových a proudových motorů 8. PLT v raketové technice: Používá se pro pohon čerpadel k dopravě paliva a okysličovadla do raketového motoru a pro pohon dalších pomocných zařízení rakety. 23 Plynová turbína se spojuje s kompresorem a spalovací komorou. Do rotačního kompresoru se nasává z okolí vzduch, stlačuje se, předehřívá a promíchává ve spalovací komoře s plynule vstřikovaným palivem. Ve spalovací komoře palivo shoří a vzniklý horký plyn proudí spolu s přebytečným vzduchem velkou rychlostí na lopatky turbínových kol. Kompresor je poháněn turbínou. Účinnost turbíny je od 22 % do 37 %. Používá se k pohonu elektrických generátorů, lodí. Výhodou je, že nepotřebuje parní kotel, je méně rozměrná a lehčí než parní turbína. Nevýhodou je větší spotřeba paliva. 24 12
Turbína má v plynovém provozu výkon 340 MW a účinnost 39 %; v paroplynovém provozu výkon 530 MW s mimořádnou účinností min. 60 % danou teplotou spalin až 1 500 C, přičemž oproti běžné turbíně stejného výkonu v uhelné elektrárně vypustí ročně o 2,8 mil. t emisí CO 2 méně. Výkonem a hmotností 444 t při délce 13 m a průměru 5 m je největší plynovou turbínou na světě a vyniká schopností rychlého najetí na špičkový výkon během desítky minut k vykrytí kolísavého výkonu větrných a fotovoltaických elektráren. Výkon postačuje k pokrytí energetické potřeby třímilionového města. 25 26 13
27 28 14
Rozdělení leteckých motorů Pístové motory Turbínové motory Turbokompresorové (jednoproudové) Turbovrtulové Turbohřídelové Turbodmychadlové (dvouproudové) Propfan Bezturbínové motory Náporové Náporové s nadzvukovým spalováním (SCRAMJET) Pulzační Raketové motory Na kapalné pohonné látky Na tuhé pohonné látky Hybridní Kombinované motory Motokompresorové Turbonáporové Turboraketové Speciální motory Jaderné 29 Turbokompresorový (TK, jednoproudový, turbojet) je "nejjednoduchší" turbínový motor. Zjednodušeně řečeno se skládá pouze z generátoru plynu a vhodné trysky. Vzduch je nasáván vstupním ústrojím, v kompresoru je stlačen, ve spalovací komoře je mu při konstantním tlaku dodána tepelná energie. Na rozváděcím kole turbíny (stator) je část tepelné energie převedena na energii kinetickou. Rychle proudící plyny předávají svou energii turbíně, pohánějící kompresor. Tlak za turbínou je ještě vysoký a tak jsou plyny vedeny do výstupní trysky, která část zbývající energie převede na energii kinetickou - rychle vystupující plyny z motoru vyvozují vlastní tah. Nadzvukové letouny mají motory s přídavným spalováním. 30 15
Turbokompresorový (turboreaktivní) motor Turbína slouží k pohonu kompresoru, který je na společné hřídeli s turbínou. Plyny pak velkou rychlostí proudí ven dýzou (3) a působí na motor silou v opačném směru - zákon akce a reakce - motor se dá do pohybu. Energie proudícího plynu se tedy využívá z části na stlačení a ohřátí vstupujícího vzduchu (na zápalnou teplotu paliva) a z části na pohon motoru směrem vpřed. Rychlost výtoku se reguluje pomocí kuželové jehly na konci motoru, kterou je možné zasouvat do výstupního otvoru. Turboreaktivní motory jsou vývojově nejstarší. Všechen nasátý vzduch je vháněn do spalovací komory. Žhavé plyny unikají z motoru velkou rychlostí, proto jsou turboreaktivní motory velmi hlučné. 31 32 16
Turbovrtulový motor Účinnost proudového motoru při malých rychlostech rychle klesá. Aby se i při malých rychlostech využil výkon motoru, přidává se na společný hřídel kompresoru vrtule. Rotační pohyb turbíny se tak využívá k roztáčení kompresoru a vrtule. Při menších rychlostech se uplatní tažná síla vrtule, při vyšších reaktivní síla. 1.reduktor 2.spalovací komora 3.dýza - výstup spalin 4.vrtule 5.kompresor 6.turbína 33 Turbovrtulový motor schematické zobrazení 34 17
TJ 100 A má jednostupňový radiální kompresor, radiální a axiální difuzor, anuloidní spalovací komoru a jednostupňovou axiální turbínu. Uložení rotoru je mazáno autonomním olejovým systémem. Řízení motoru zajišťuje elektronický systém. Start motoru je elektrický, stejně jako čerpadlo paliva a oleje. Napájení zajišťuje vestavěný generátor a DC-DC převodník. 35 Motor je dvouhřídelový s volnou turbínou proud spalin generovaný jádrem motoru roztáčí volnou turbínu, jejíž hřídel vstupuje do reduktoru a roztáčí tak vrtulovou hřídel. Úlohou reduktoru je snížení vyššího počtu otáček volné turbíny na počet otáček vhodný pro vrtule letadla. 36 18
37 38 19
Turbodmychadlový motor Turbodmychadlový motor (TD, dvouproudový, turbofan, by-pass jet engine) kombinuje ekonomičnost provozu turbovrtulových motorů při nízkých rychlostech s efektivností provozu turbokompresorových motorů při vyšších rychlostech. Generátor plynu zůstává stejný, je však přidán nízkotlaký kompresor a turbína. Činnost motoru je podobná jako u turbokompresorového. 1.vstup vzduchu do motoru 2.vstup vzduchu do kompresoru 3.spalovací komora 4.turbína 5.výstup zplodin 6.proudící vzduch 39 Za první turbínou, pohánějící vysokotlaký kompresor, je umístěna druhá turbína, využívající část zbývající energie plynu k pohonu nízkotlakého kompresoru. Nízkotlaký kompresor je umístěn před generátorem plynu. Část vzduchu z nízkotlakého kompresoru proudí do jádra motoru, zbývající část stlačeného vzduchu protéká kolem jádra a ve výstupní trysce je urychlena, čímž je vyvozen tah. V mnoha případech bývají TD motory vybaveny přídavným spalováním. Proudové motory používají jako palivo Kerosen, což je druh petroleje. Boeing 747 spotřebuje během letu Londýn - Hong Kong 180 000 litrů paliva. 40 20
Základní schéma turbodmychadlového motoru s dvěma hřídeli - vysokotlakým a nízkotlakým. Vnější proud prochází uvnitř motoru kolem celého jádra a před tryskou se mísí s horkými spalinami z jádra. Motory podobného schématu mívají obtokový poměr většinou ne větší než 1,5 a jsou využívány malými a středními letouny. 41 Propfan, další variace dvouproudového a turbovrtulového motoru, jde s efektivností ještě dále a to tak daleko, že její průběh je až do 500 km/h stejný jako u turbovrtulových motorů, efektivnost dokonce i za touto rychlostí roste a největší je při rychlosti okolo 900 km/h, což je mezní rychlost provozu tohoto typu motoru. Propfany (od slova prop - vrtule a fan - dmychadlo) mají nezvykle široké listy. Jsou poháněny jednou turbínou, obě vrtule se díky reverzoru točí proti sobě. 42 21
43 Náporové proudové motory Náporové motory se užívají u letadel s vysokou rychlostí letu, kdy M > 1,5. Tlak vzduchu před motorem je tak velký, že není třeba kompresor a tedy ani spalovací turbina. Dostatečný nápor ovšem vzniká až při vysoké rychlosti letu. Proto musí být letadlo s náporovým motorem vybaveno ještě motorem jiným, zpravidla proudovým s kompresorem, jehož pomocí startuje a dosáhne rychlosti potřebné pro funkci motoru náporového. 44 22
Pulzační proudové motory na rozdíl od předchozích typů nepracují plynule, ale přerušovaně - pulzují. Vzduch a palivo jsou dodávány v časových intervalech, ohraničených samočinným otevíráním a uzavíráním vstupního otvoru pružnými žaluziemi. Motor se startuje přivedením proudu vzduchu na vstup k žaluziím. Žaluzie se tlakem vzduchu odtlačí a proud vzduchu ve spalovací komoře strhne a rozpráší palivo přiváděné do trysky. Po zapálení směsi paliva se vzduchem zvýšený tlak spalin přitlačí žaluzie na opěrnou mříž. Spaliny unikají tryskou a uvádějí motor do pohybu. Při poklesu tlaku ve spalovací komoře odtlačí nápor vzduchu před motorem žaluzie, vzduch vstupuje do spalovací komory, strhává a rozprašuje palivo a celý pulzační cyklus se opakuje. Z popisu je zřejmé, že k nastartování motoru je třeba vyvolat nápor vzduchu ve vstupu do motoru. To je možno uskutečnit například startem za pomoci startovacích raket. 45 Znázornění funkce pulzačního motoru 46 23
Typické podmínky použití jednotlivých typů motorů Běžný rozsah letových podmínek, při kterých pracují jednotlivé typy motorů. Náporové motory jsou schopny činnosti i při podzvukové rychlosti, ale jejich použití je výhodné až při vysoce nadzvukových letech. 47 Raketové motory Ke své činnosti nepotřebují atmosférický kyslík a jsou tak vhodné pro prostředky létající v extrémních výškách nebo až zcela mimo naši atmosféru. Raketové motory mohou mít obrovský výkon, pro "normální" letectví jsou ale nepoužitelné, vzhledem k nutnosti nést množství paliva a okysličovadla když kyslíku je i desítky kilometrů nad zemským povrchem dostatek. Na druhé straně pro prostředky, kde je potřeba vysokého výkonu po krátkou dobu (řízené a neřízené střely,...) jsou raketové motory maximálně vhodné. V mnoha případech totiž nepotřebují drahé a složité komponenty jako je kompresor a turbína a jak bylo řečeno, po dobu obvykle ne déle než několika desítek sekund dokáží poskytnout obrovský tah. 48 24
Raketové motory U raketových motorů se potřebný tah vyvozuje výhradně reakcí proudících spalin v trysce. Okysličovadlo pro spalování paliva odebírá motor ze zásobníku. Paliva raketových motorů tuhá (pevná); většinou je to střelný prach slisovaný do tvaru dutého válce kapalná, kterými mohou být výrobky z ropy, např. parafiny (krystalické směsi vyšších nasycených alifatických uhlovodíků), aromatické uhlovodíky (benzen, toluen, xylen, ethylbenzen), nafteny čili cyklické uhlovodíky (cyklopentan, cyklohexan), alkoholy, nitrosloučeniny Jako okysličovadlo se užívá kapalný kyslík, peroxid vodíku, kyselina dusičná, oxid dusičný atd. 49 Motor na tuhé pohonné hmoty (TPH) pracuje tak, že postupně odhořívá tuhá náplň válcového zásobníku paliva. Nedá se regulovat jeho výkon a pokud je jednou spuštěn, není možné jej zastavit. Díky jednoduchosti konstrukce jsou tyto motory vhodné například pro vojenské střely do hmotnosti řádově stovek kilogramů. U řízených střel je tah několik desítek kn vyvozen po dobu přibližně 10 sekund. Jiným příkladem mohou být startovací rakety raketoplánů, každá vyvíjí tah 11800 kn po dobu 120 sekund. 50 25
Motor na kapalné pohonné hmoty (KPH) má dvě nádrže - jedna na palivo a druhá na okysličovadlo. Lze regulovat výkon, je možné jej spustit a zase zastavit. Motory na KPH byly používány některými válečnými, povětšinou pokusnými, letouny. Jejich použití je vzhledem k relativní složitosti konstrukce a provozu opodstatněné až u raket s hmotností od několika tun dále. Zde jsou již složitější konstrukční prvky nutné - zejména výkonná čerpadla paliva a okysličovadla. 51 26