Parní a plynové turbíny

21.6.2011
Projekt realizovaný na SPŠ Nové Město nad Metují
s finanční podporou v Operačním programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost
Královéhradeckého kraje
Modul 03-TP
ing. Jan Šritr
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
2
1
21.6.2011
V parní turbíně se přeměňuje energie vodní páry v kinetickou energii
oběžného kola.
Vodní pára až o teplotě 500 oC 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.
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
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.
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
4
2
21.6.2011
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
5
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
6
3
21.6.2011
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
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
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
8
4
21.6.2011
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
9
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
10
5
21.6.2011
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
11
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
12
6
21.6.2011
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
13
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
14
7
21.6.2011
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
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.
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
16
8
21.6.2011
Rozdělení PLT:
Podle způsobu přeměny energie:
- rovnotlaké
- přetlakové
- kombinované
Podle polohy hřídele:
- vertikální
- horizontální
Podle proudění plynu v OK:
- Radiální
- Axiální
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
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
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
18
9
21.6.2011
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)
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
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 %)
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
20
10
21.6.2011
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, O2, CO, N2
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
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
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
22
11
21.6.2011
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.
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
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.
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
24
12
21.6.2011
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 CO2 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.
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
25
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
26
13
21.6.2011
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
27
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
28
14
21.6.2011
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
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
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.
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
30
15
21.6.2011
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.
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
31
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
32
16
21.6.2011
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
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
33
ing. Jan Šritr
34
Turbovrtulový motor – schematické zobrazení
Parní a plynové turbíny
17
21.6.2011
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.
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
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.
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
36
18
21.6.2011
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
37
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
38
19
21.6.2011
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
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
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.
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
40
20
21.6.2011
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.
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
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.
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
42
21
21.6.2011
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
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.
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
44
22
21.6.2011
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 .
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
45
ing. Jan Šritr
46
Znázornění funkce pulzačního motoru
Parní a plynové turbíny
23
21.6.2011
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.
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
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.
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
48
24
21.6.2011
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.
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
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.
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
50
25
21.6.2011
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.
Parní a plynové turbíny
ing. Jan Šritr
51
26